Active Contours and Image Segmentation: The Current State Of the Art

Image segmentation is a fundamental task in image analysis responsible for partitioning an image into multiple sub-regions based on a desired feature. Active contours have been widely used as attractive image segmentation methods because they always produce sub-regions with continuous boundaries, while the kernel-based edge detection methods, e.g. Sobel edge detectors, often produce discontinuous boundaries. The use of level set theory has provided more flexibility and convenience in the implementation of active contours. However, traditional edge-based active contour models have been applicable to only relatively simple images whose sub-regions are uniform without internal edges. Here in this paper we attempt to brief the taxonomy and current state of the art in Image segmentation and usage of Active Contours

Model and Appearance Based Analysis of Neuronal Morphology from Different Microscopy Imaging Modalities

The neuronal morphology analysis is key for understanding how a brain works. This process requires the neuron imaging system with single-cell resolution; however, there is no feasible system for the human brain. Fortunately, the knowledge can be inferred from the model organism, Drosophila melanogaster, to the human system. This dissertation explores the morphology analysis of Drosophila larvae at single-cell resolution in static images and image sequences, as well as multiple microscopy imaging modalities. Our contributions are on both computational methods for morphology quantification and analysis of the influence of the anatomical aspect. We develop novel model-and-appearance-based methods for morphology quantification and illustrate their significance in three neuroscience studies. Modeling of the structure and dynamics of neuronal circuits creates understanding about how connectivity patterns are formed within a motor circuit and determining whether the connectivity map of neurons can be deduced by estimations of neuronal morphology. To address this problem, we study both boundary-based and centerline-based approaches for neuron reconstruction in static volumes. Neuronal mechanisms are related to the morphology dynamics; so the patterns of neuronal morphology changes are analyzed along with other aspects. In this case, the relationship between neuronal activity and morphology dynamics is explored to analyze locomotion procedures. Our tracking method models the morphology dynamics in the calcium image sequence designed for detecting neuronal activity. It follows the local-to-global design to handle calcium imaging issues and neuronal movement characteristics. Lastly, modeling the link between structural and functional development depicts the correlation between neuron growth and protein interactions. This requires the morphology analysis of different imaging modalities. It can be solved using the part-wise volume segmentation with artificial templates, the standardized representation of neurons. Our method follows the global-to-local approach to solve both part-wise segmentation and registration across modalities. Our methods address common issues in automated morphology analysis from extracting morphological features to tracking neurons, as well as mapping neurons across imaging modalities. The quantitative analysis delivered by our techniques enables a number of new applications and visualizations for advancing the investigation of phenomena in the nervous system

Task adapted reconstruction for inverse problems

The paper considers the problem of performing a task defined on a model parameter that is only observed indirectly through noisy data in an ill-posed inverse problem. A key aspect is to formalize the steps of reconstruction and task as appropriate estimators (non-randomized decision rules) in statistical estimation problems. The implementation makes use of (deep) neural networks to provide a differentiable parametrization of the family of estimators for both steps. These networks are combined and jointly trained against suitable supervised training data in order to minimize a joint differentiable loss function, resulting in an end-to-end task adapted reconstruction method. The suggested framework is generic, yet adaptable, with a plug-and-play structure for adjusting both the inverse problem and the task at hand. More precisely, the data model (forward operator and statistical model of the noise) associated with the inverse problem is exchangeable, e.g., by using neural network architecture given by a learned iterative method. Furthermore, any task that is encodable as a trainable neural network can be used. The approach is demonstrated on joint tomographic image reconstruction, classification and joint tomographic image reconstruction segmentation

Improved synapse detection for mGRASP-assisted brain connectivity mapping

Motivation: A new technique, mammalian green fluorescence protein (GFP) reconstitution across synaptic partners (mGRASP), enables mapping mammalian synaptic connectivity with light microscopy. To characterize the locations and distribution of synapses in complex neuronal networks visualized by mGRASP, it is essential to detect mGRASP fluorescence signals with high accuracy

Modern Statistical/Machine Learning Techniques for Bio/Neuro-imaging Applications

Developments in modern bio-imaging techniques have allowed the routine collection of a vast amount of data from various techniques. The challenges lie in how to build accurate and efficient models to draw conclusions from the data and facilitate scientific discoveries. Fortunately, recent advances in statistics, machine learning, and deep learning provide valuable tools. This thesis describes some of our efforts to build scalable Bayesian models for four bio-imaging applications: (1) Stochastic Optical Reconstruction Microscopy (STORM) Imaging, (2) particle tracking, (3) voltage smoothing, (4) detect color-labeled neurons in c elegans and assign identity to the detections

Filter-Based Probabilistic Markov Random Field Image Priors: Learning, Evaluation, and Image Analysis

Markov random fields (MRF) based on linear filter responses are one of the most popular forms for modeling image priors due to their rigorous probabilistic interpretations and versatility in various applications. In this dissertation, we propose an application-independent method to quantitatively evaluate MRF image priors using model samples. To this end, we developed an efficient auxiliary-variable Gibbs samplers for a general class of MRFs with flexible potentials. We found that the popular pairwise and high-order MRF priors capture image statistics quite roughly and exhibit poor generative properties. We further developed new learning strategies and obtained high-order MRFs that well capture the statistics of the inbuilt features, thus being real maximum-entropy models, and other important statistical properties of natural images, outlining the capabilities of MRFs. We suggest a multi-modal extension of MRF potentials which not only allows to train more expressive priors, but also helps to reveal more insights of MRF variants, based on which we are able to train compact, fully-convolutional restricted Boltzmann machines (RBM) that can model visual repetitive textures even better than more complex and deep models. The learned high-order MRFs allow us to develop new methods for various real-world image analysis problems. For denoising of natural images and deconvolution of microscopy images, the MRF priors are employed in a pure generative setting. We propose efficient sampling-based methods to infer Bayesian minimum mean squared error (MMSE) estimates, which substantially outperform maximum a-posteriori (MAP) estimates and can compete with state-of-the-art discriminative methods. For non-rigid registration of live cell nuclei in time-lapse microscopy images, we propose a global optical flow-based method. The statistics of noise in fluorescence microscopy images are studied to derive an adaptive weighting scheme for increasing model robustness. High-order MRFs are also employed to train image filters for extracting important features of cell nuclei and the deformation of nuclei are then estimated in the learned feature spaces. The developed method outperforms previous approaches in terms of both registration accuracy and computational efficiency

Semantic Segmentation of Ambiguous Images

Medizinische Bilder können schwer zu interpretieren sein. Nicht nur weil das Erkennen von Strukturen und möglichen Veränderungen Erfahrung und jahrelanges Training bedarf, sondern auch weil die dargestellten Messungen oft im Kern mehrdeutig sind. Fundamental ist dies eine Konsequenz dessen, dass medizinische Bild-Modalitäten, wie bespielsweise MRT oder CT, nur indirekte Messungen der zu Grunde liegenden molekularen Identitäten bereithalten. Die semantische Bedeutung eines Bildes kann deshalb im Allgemeinen nur gegeben einem größeren Bild-Kontext erfasst werden, welcher es oft allerdings nur unzureichend erlaubt eine eindeutige Interpretation in Form einer einzelnen Hypothese vorzunehmen. Ähnliche Szenarien existieren in natürlichen Bildern, in welchen die Kontextinformation, die es braucht um Mehrdeutigkeiten aufzulösen, limitiert sein kann, beispielsweise aufgrund von Verdeckungen oder Rauschen in der Aufnahme. Zusätzlich können überlappende oder vage Klassen-Definitionen zu schlecht gestellten oder diversen Lösungsräumen führen. Die Präsenz solcher Mehrdeutigkeiten kann auch das Training und die Leistung von maschinellen Lernverfahren beeinträchtigen. Darüber hinaus sind aktuelle Modelle ueberwiegend unfähig komplex strukturierte und diverse Vorhersagen bereitzustellen und stattdessen dazu gezwungen sich auf sub-optimale, einzelne Lösungen oder ununterscheidbare Mixturen zu beschränken. Dies kann besonders problematisch sein wenn Klassifikationsverfahren zu pixel-weisen Vorhersagen wie in der semantischen Segmentierung skaliert werden. Die semantische Segmentierung befasst sich damit jedem Pixel in einem Bild eine Klassen-Kategorie zuzuweisen. Diese Art des detailierten Bild-Verständnisses spielt auch eine wichtige Rolle in der Diagnose und der Behandlung von Krankheiten wie Krebs: Tumore werden häufig in MRT oder CT Bildern entdeckt und deren präzise Lokalisierung und Segmentierung ist von grosser Bedeutung in deren Bewertung, der Vorbereitung möglicher Biopsien oder der Planung von Fokal-Therapien. Diese klinischen Bildverarbeitungen, aber auch die optische Wahrnehmung unserer Umgebung im Rahmen von täglichen Aufgaben wie dem Autofahren, werden momentan von Menschen durchgeführt. Als Teil des zunehmenden Einbindens von maschinellen Lernverfahren in unsere Entscheidungsfindungsprozesse, ist es wichtig diese Aufgaben adequat zu modellieren. Dies schliesst Unsicherheitsabschätzungen der Modellvorhersagen mit ein, mitunter solche Unsicherheiten die den Bild-Mehrdeutigkeiten zugeschrieben werden können. Die vorliegende Thesis schlägt mehrere Art und Weisen vor mit denen mit einer mehrdeutigen Bild-Evidenz umgegangen werden kann. Zunächst untersuchen wir den momentanen klinischen Standard der im Falle von Prostata Läsionen darin besteht, die MRT-sichtbaren Läsionen subjektiv auf ihre Aggressivität hin zu bewerten, was mit einer hohen Variabilität zwischen Bewertern einhergeht. Unseren Studien zufolge können bereits einfache machinelle Lernverfahren und sogar simple quantitative MRT-basierte Parameter besser abschneiden als ein individueller, subjektiver Experte, was ein vielversprechendes Potential der Quantifizerung des Prozesses nahelegt. Desweiteren stellen wir die derzeit erfolgreichste Segmentierungsarchitektur auf einem stark mehrdeutigen Datensatz zur Probe der während klinischer Routine erhoben und annotiert wurde. Unsere Experimente zeigen, dass die standard Segmentierungsverlustfuntion in Szenarien mit starkem Annotationsrauschen sub-optimal sein kann. Als eine Alternative erproben wir die Möglichkeit ein Modell der Verlustunktion zu lernen mit dem Ziel die Koexistenz von plausiblen Lösungen während des Trainings zuzulassen. Wir beobachten gesteigerte Performanz unter Verwendung dieser Trainingsmethode für ansonsten unveränderte neuronale Netzarchitekturen und finden weiter gesteigerte relative Verbesserungen im Limit weniger Daten. Mangel an Daten und Annotationen, hohe Maße an Bild- und Annotationsrauschen sowie mehrdeutige Bild-Evidenz finden sich besonders häufig in Datensätzen medizinischer Bilder wieder. Dieser Teil der Thesis exponiert daher einige der Schwächen die standard Techniken des maschinellen Lernens im Lichte dieser Besonderheiten aufweisen können. Derzeitige Segmentierungsmodelle, wie die zuvor Herangezogenen, sind dahingehend eingeschränkt, dass sie nur eine einzige Vorhersage abgeben können. Dies kontrastiert die Beobachtung dass eine Gruppe von Annotierern, gegeben mehrdeutiger Bilddaten, typischer Weise eine Menge an diverser aber plausibler Annotationen produziert. Um die vorgenannte Modell-Einschränkung zu beheben und die angemessen probabilistische Behandlung der Aufgabe zu ermöglichen, entwickeln wir zwei Modelle, die eine Verteilung über plausible Annotationen vorhersagen statt nur einer einzigen, deterministischen Annotation. Das erste der beiden Modelle kombiniert ein `encoder-decoder\u27 Modell mit dem Verfahren der `variational inference\u27 und verwendet einen globalen `latent vector\u27, der den Raum der möglichen Annotationen für ein gegebenes Bild kodiert. Wir zeigen, dass dieses Modell deutlich besser als die Referenzmethoden abschneidet und gut kalibrierte Unsicherheiten aufweist. Das zweite Modell verbessert diesen Ansatz indem es eine flexiblere und hierarchische Formulierung verwendet, die es erlaubt die Variabilität der Segmentierungen auf verschiedenden Skalen zu erfassen. Dies erhöht die Granularität der Segmentierungsdetails die das Modell produzieren kann und erlaubt es unabhängig variierende Bildregionen und Skalen zu modellieren. Beide dieser neuartigen generativen Segmentierungs-Modelle ermöglichen es, falls angebracht, diverse und kohärente Bild Segmentierungen zu erstellen, was im Kontrast zu früheren Arbeiten steht, welche entweder deterministisch sind, die Modellunsicherheiten auf der Pixelebene modellieren oder darunter leiden eine unangemessen geringe Diversität abzubilden. Im Ergebnis befasst sich die vorliegende Thesis mit der Anwendung von maschinellem Lernen für die Interpretation medizinischer Bilder: Wir zeigen die Möglichkeit auf den klinischen Standard mit Hilfe einer quantitativen Verwendung von Bildparametern, die momentan nur subjektiv in Diagnosen einfliessen, zu verbessern, wir zeigen den möglichen Nutzen eines neuen Trainingsverfahrens um die scheinbare Verletzlichkeit der standard Segmentierungsverlustfunktion gegenüber starkem Annotationsrauschen abzumildern und wir schlagen zwei neue probabilistische Segmentierungsmodelle vor, die die Verteilung über angemessene Annotationen akkurat erlernen können. Diese Beiträge können als Schritte hin zu einer quantitativeren, verstärkt Prinzipien-gestützten und unsicherheitsbewussten Analyse von medizinischen Bildern gesehen werden -ein wichtiges Ziel mit Blick auf die fortschreitende Integration von lernbasierten Systemen in klinischen Arbeitsabläufen