Machine learning-based automated segmentation with a feedback loop for 3D synchrotron micro-CT

Die Entwicklung von Synchrotronlichtquellen der dritten Generation hat die Grundlage für die Untersuchung der 3D-Struktur opaker Proben mit einer Auflösung im Mikrometerbereich und höher geschaffen. Dies führte zur Entwicklung der Röntgen-Synchrotron-Mikro-Computertomographie, welche die Schaffung von Bildgebungseinrichtungen zur Untersuchung von Proben verschiedenster Art förderte, z.B. von Modellorganismen, um die Physiologie komplexer lebender Systeme besser zu verstehen. Die Entwicklung moderner Steuerungssysteme und Robotik ermöglichte die vollständige Automatisierung der Röntgenbildgebungsexperimente und die Kalibrierung der Parameter des Versuchsaufbaus während des Betriebs. Die Weiterentwicklung der digitalen Detektorsysteme führte zu Verbesserungen der Auflösung, des Dynamikbereichs, der Empfindlichkeit und anderer wesentlicher Eigenschaften. Diese Verbesserungen führten zu einer beträchtlichen Steigerung des Durchsatzes des Bildgebungsprozesses, aber auf der anderen Seite begannen die Experimente eine wesentlich größere Datenmenge von bis zu Dutzenden von Terabyte zu generieren, welche anschließend manuell verarbeitet wurden. Somit ebneten diese technischen Fortschritte den Weg für die Durchführung effizienterer Hochdurchsatzexperimente zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben, welche Datensätze von besserer Qualität produzierten. In der wissenschaftlichen Gemeinschaft besteht daher ein hoher Bedarf an einem effizienten, automatisierten Workflow für die Röntgendatenanalyse, welcher eine solche Datenlast bewältigen und wertvolle Erkenntnisse für die Fachexperten liefern kann. Die bestehenden Lösungen für einen solchen Workflow sind nicht direkt auf Hochdurchsatzexperimente anwendbar, da sie für Ad-hoc-Szenarien im Bereich der medizinischen Bildgebung entwickelt wurden. Daher sind sie nicht für Hochdurchsatzdatenströme optimiert und auch nicht in der Lage, die hierarchische Beschaffenheit von Proben zu nutzen. Die wichtigsten Beiträge der vorliegenden Arbeit sind ein neuer automatisierter Analyse-Workflow, der für die effiziente Verarbeitung heterogener Röntgendatensätze hierarchischer Natur geeignet ist. Der entwickelte Workflow basiert auf verbesserten Methoden zur Datenvorverarbeitung, Registrierung, Lokalisierung und Segmentierung. Jede Phase eines Arbeitsablaufs, die eine Trainingsphase beinhaltet, kann automatisch feinabgestimmt werden, um die besten Hyperparameter für den spezifischen Datensatz zu finden. Für die Analyse von Faserstrukturen in Proben wurde eine neue, hochgradig parallelisierbare 3D-Orientierungsanalysemethode entwickelt, die auf einem neuartigen Konzept der emittierenden Strahlen basiert und eine präzisere morphologische Analyse ermöglicht. Alle entwickelten Methoden wurden gründlich an synthetischen Datensätzen validiert, um ihre Anwendbarkeit unter verschiedenen Abbildungsbedingungen quantitativ zu bewerten. Es wurde gezeigt, dass der Workflow in der Lage ist, eine Reihe von Datensätzen ähnlicher Art zu verarbeiten. Darüber hinaus werden die effizienten CPU/GPU-Implementierungen des entwickelten Workflows und der Methoden vorgestellt und der Gemeinschaft als Module für die Sprache Python zur Verfügung gestellt. Der entwickelte automatisierte Analyse-Workflow wurde erfolgreich für Mikro-CT-Datensätze angewandt, die in Hochdurchsatzröntgenexperimenten im Bereich der Entwicklungsbiologie und Materialwissenschaft gewonnen wurden. Insbesondere wurde dieser Arbeitsablauf für die Analyse der Medaka-Fisch-Datensätze angewandt, was eine automatisierte Segmentierung und anschließende morphologische Analyse von Gehirn, Leber, Kopfnephronen und Herz ermöglichte. Darüber hinaus wurde die entwickelte Methode der 3D-Orientierungsanalyse bei der morphologischen Analyse von Polymergerüst-Datensätzen eingesetzt, um einen Herstellungsprozess in Richtung wünschenswerter Eigenschaften zu lenken

A Low-Dimensional Representation for Robust Partial Isometric Correspondences Computation

Intrinsic isometric shape matching has become the standard approach for pose invariant correspondence estimation among deformable shapes. Most existing approaches assume global consistency, i.e., the metric structure of the whole manifold must not change significantly. While global isometric matching is well understood, only a few heuristic solutions are known for partial matching. Partial matching is particularly important for robustness to topological noise (incomplete data and contacts), which is a common problem in real-world 3D scanner data. In this paper, we introduce a new approach to partial, intrinsic isometric matching. Our method is based on the observation that isometries are fully determined by purely local information: a map of a single point and its tangent space fixes an isometry for both global and the partial maps. From this idea, we develop a new representation for partial isometric maps based on equivalence classes of correspondences between pairs of points and their tangent spaces. From this, we derive a local propagation algorithm that find such mappings efficiently. In contrast to previous heuristics based on RANSAC or expectation maximization, our method is based on a simple and sound theoretical model and fully deterministic. We apply our approach to register partial point clouds and compare it to the state-of-the-art methods, where we obtain significant improvements over global methods for real-world data and stronger guarantees than previous heuristic partial matching algorithms.Comment: 17 pages, 12 figure

A comparison of methods for the registration of tractographic fibre images

Diffusion tensor imaging (DTI) and tractography have opened up new avenues in neuroscience and are allowing previously unexplored areas of neuroanatomy and function to be researched

Nonlinear tube-fitting for the analysis of anatomical and functional structures

We are concerned with the estimation of the exterior surface and interior summaries of tube-shaped anatomical structures. This interest is motivated by two distinct scientific goals, one dealing with the distribution of HIV microbicide in the colon and the other with measuring degradation in white-matter tracts in the brain. Our problem is posed as the estimation of the support of a distribution in three dimensions from a sample from that distribution, possibly measured with error. We propose a novel tube-fitting algorithm to construct such estimators. Further, we conduct a simulation study to aid in the choice of a key parameter of the algorithm, and we test our algorithm with validation study tailored to the motivating data sets. Finally, we apply the tube-fitting algorithm to a colon image produced by single photon emission computed tomography (SPECT) and to a white-matter tract image produced using diffusion tensor imaging (DTI).Comment: Published in at http://dx.doi.org/10.1214/10-AOAS384 the Annals of Applied Statistics (http://www.imstat.org/aoas/) by the Institute of Mathematical Statistics (http://www.imstat.org

Alignment of contrast enhanced medical images

The re-alignment of series of medical images in which there are multiple contrast variations is difficult. The reason for this is that the popularmeasures of image similarity used to drive the alignment procedure do not separate the influence of intensity variation due to image feature motion and intensity variation due to feature enhancement. In particular, the appearance of new structure poses problems when it has no representation in the original image. The acquisition of many images over time, such as in dynamic contrast enhanced MRI, requires that many images with different contrast be registered to the same coordinate system, compounding the problem. This thesis addresses these issues, beginning by presenting conditions under which conventional registration fails and proposing a solution in the form of a ’progressive principal component registration’. The algorithm uses a statistical analysis of a series of contrast varying images in order to reduce the influence of contrast-enhancement that would otherwise distort the calculation of the image similarity measures used in image registration. The algorithm is shown to be versatile in that it may be applied to series of images in which contrast variation is due to either temporal contrast enhancement changes, as in dynamic contrast-enhanced MRI or intrinsically in the image selection procedure as in diffusion weighted MRI

A Geometric Approach for Deciphering Protein Structure from Cryo-EM Volumes

Electron Cryo-Microscopy or cryo-EM is an area that has received much attention in the recent past. Compared to the traditional methods of X-Ray Crystallography and NMR Spectroscopy, cryo-EM can be used to image much larger complexes, in many different conformations, and under a wide range of biochemical conditions. This is because it does not require the complex to be crystallisable. However, cryo-EM reconstructions are limited to intermediate resolutions, with the state-of-the-art being 3.6A, where secondary structure elements can be visually identified but not individual amino acid residues. This lack of atomic level resolution creates new computational challenges for protein structure identification. In this dissertation, we present a suite of geometric algorithms to address several aspects of protein modeling using cryo-EM density maps. Specifically, we develop novel methods to capture the shape of density volumes as geometric skeletons. We then use these skeletons to find secondary structure elements: SSEs) of a given protein, to identify the correspondence between these SSEs and those predicted from the primary sequence, and to register high-resolution protein structures onto the density volume. In addition, we designed and developed Gorgon, an interactive molecular modeling system, that integrates the above methods with other interactive routines to generate reliable and accurate protein backbone models