![]() |
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Разработка новых методов совместного совмещения и сегментации микроскопических изображений. Применение разработанных методов в задачах анализа изображений в различных областях науки, включающих клеточную биологию и гистологию.
Microscopy is rapidly developing. Recently, the technology of fluorescent proteins appeared, which expanded the possibilities of live cell imaging, which dramatically expanded the possibilities of light microscopy. At the same time, the emergence of a confocal microscopy and its variants (laser scanning, spinning, etc.) was of particular importance for science. And recently, ultra-high-resolution microscopy has begun to develop rapidly. Currently, almost all research in cell and molecular biology contains microscopy experiments. At the same time, microscopy images are used in other fields, from digital pathological and histology, to the analysis of geological samples. The volume and complexity of the data generated in this case makes their manual processing ineffective, and in many cases impossible. This led to the need to develop automated methods for the analysis of microscopy images. It should also be noted that, due to the requirement for the reproducibility of experiments in modern scientific research, obtaining quantitative characteristics and parameters using computer algorithms for image analysis is preferable even in cases where visual data analysis is possible. Segmentation and registration are basic tasks in microscopic image analysis. Traditionally, segmentation and registration were solved as two independent problems in relative isolation from each other, but often the solution to one problem depends on the existence of a solution to the other. Mutual use of information in the process of joint solution of these problems allows to improve the quality of the solution of both problems. The main area of application for this class of methods is the processing of sets of images of the same object taken at different points in time (fluorescence microscopy of living cells), or the processing of images of the same object captured in different modalities (for example, joint fluorescence and electron microscopy of a single cell nucleus). This project is dedicated to the development of hybrid methods for joint registration and segmentation of image sets that combine classical models (including those from the theory of elasticity) with deep learning. These methods will be applied in the tasks of tracking cell structures, where it is supposed to improve the quality of segmentation (and consequently the quality of tracking), regardless of the neural network used for segmentation. On the other hand, the methods developed within the framework of the project are supposed to be applied to improve the quality of cell image registration through automatic segmentation of their contours, which can be used to compensate for the movement of cells in sequences of images, or joint analysis of images of different modalities. The project will result in a number of new methods of joint alignment and segmentation of microscopy images, which are of significant practical importance for the problems of cell biology. The proposed methods will combine classical approaches and modern neural network approaches, and highly likely can be used to solve problems in various applied fields, including medical diagnostics and geology. In addition, the developed methods will undoubtedly be of interest to researchers working in this field, and to a wider range of specialists working in the field of computer vision and image processing.
Результаты планируется опубликовать в серии статей (не менее 3 статей) в изданиях, индексируемых WoS и Scopus. Основные результаты проекта будут доложены на ведущих международных конференциях в области обработки и анализа биомедицинских изображений.
Научная группа имеет опыт разработки математических методов обработки микроскопических изображений различного типа (медицинских, биологических), а также методов искусственного интеллекта для задач анализа и обработки биомедицинских изображений. В том числе, исполнители проекта участвовали в реализации проекта РНФ. В рамках проекта РНФ 17-11-01279 (2017-2019) «Разработка методов обработки биомедицинских изображений для анализа клеточных структур» были разработаны и оптимизированы новые оригинальные алгоритмы обработки и анализа микроскопических изображений клеточных структур, включающие в себя: - методы синтеза последовательностей трехмерных изображений флуоресцентной микроскопии клеток с филоподиями, в том числе взаимодействующих друг с другом - методы синтеза и совмещения изображений крио-электронной микроскопии - методы совмещения микроскопических изображений на основе теории упругости - методы трекинга клеточных структур
МГУ имени М.В.Ломоносова | Координатор |
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Методы совместной сегментации и совмещения микроскопических изображений |
Результаты этапа: - Создан метод совместного совмещения и сегментации микроскопических изображений для аугментации данных Основная идея метода совместного совмещения и сегментации последовательностей изображений клеточных структур заключается в аугментации данных для сегментационной нейронной сети. Аугментация происходит за счет совмещения изображений, изменения масок изображений с помощью полученных полей деформации и использования полученных таким способом масок для тех изображений, для которых масок сегментации не было в изначальной разметке. Для работы такого механизма необходимо наличие хорошего метода совмещения, и хорошего метода сегментации. В рамках проекта используются нейросетевые методы, особенности построения которых описано ниже. С использованием подготовленных наборов данных была проведена разработка метода совмещения изображений, основанная на архитектуре VoxelMorph, однако адаптированная под задачу совмещения зашумленных изображений клеточных структур. Были исследованы различные особенности совмещающих архитектур сверточных нейронных сетей, различные функции потерь с использование стабилизаторов, основанных на физических принципах (деформация, несжимаемость потока). Предварительные результаты были использованы в работе. Они выглядят достаточно интересно и возможно будут отдельно опубликованы в следующем году. Работа по данному направлению будет продолжена. Для задачи сегментации был разработан метод, основанный на нейронной сети архитектуры U-net с несколькими существенными адаптациями под задачу сегментации последовательностей изображений клеток, такие как использование динамически изменяемой функции потерь в зависимости от эпохи обучения, а также применения классического метода водораздела для разделения слипшихся объектов. - Создан метод обучения со слабой разметкой для сегментации в задаче трекинга клеточных структур на последовательностях микроскопических изображений. Метод со слабой разметкой заключается в комбинации “сильной разметки” - масок сегментации для каждой клетки, а также слабой разметки - маркеров, представляющих собой точку или круг небольшого радиуса, указывающих положение каждой клетки на каждом кадре. При этом маркеры для одной клетки имеют уникальный идентификатор во всей временной последовательности. Такая слабая разметка за счет совмещения самих изображений клеток с помощью предложенного в проекте метода совмещения превращается в размеченные маски сегментации клеток, которые далее используются для обучения сегментационной нейронной сети. Предложенный метод позволил улучшить результаты сегментации на всех трех наборах данных. Также было продемонстрировано, что предложенный метод позволяет работать с меньшим до 50% набором полностью размеченных для сегментации данных без потери качества. Алгоритм был загружен для независимой оценки организаторами международного открытого конкурса по трекингу и сегментации клеток и занял третье место для одного из наборов данных среди около 50 конкурентов. | ||
2 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Методы совместной сегментации и совмещения микроскопических изображений |
Результаты этапа: 1. Создан гибридный метод совмещения изображений клеточных структур, представленных в виде последовательностей изображений флуоресцентной микроскопии. Предложенный метод является комбинацией нейросетевой двухэтапной модели и классического метода совмещения изображений, основанного на совмещении с помощью упругой модели и использующего контуры объекта интереса. Предложенная нейросетевая модель состоит из блока слоев, выполняющих предсказание матрицы аффинного преобразования и сверточного блока, повторяющего архитектуру U-Net и выполняющего предсказание поля деформации для пары изображений. Была проведена работа по предобработке данных, позволяющая улучшить качество совмещения. Были исследованы различные функции потерь с использованием различных регуляризаторов, основанных на физических принципах (деформация, несжимаемость потока) и позволяющих добиться гладкости поля деформации. Было проведено тестирование метода и его сравнение с конкурирующими методами на открытом наборе данных, позволяющем проводить тестирование методов совмещения изображений. Было продемонстрировано, что предложенный метод превосходит существующие аналоги в качестве совмещения. 2. Разработан метод совместной сегментации и совмещения изображений аншлифов геологических образцов с помощью сверточной нейронной сети. Особенностью данного метода является использование дополнительных изображений, снятых с PPL и XPL поляризационными фильтрами под различными углами. Данные дополнительные изображения предварительно совмещаются с помощью методов SIFT и RANSAC и подаются на вход нейронной сети архитектуры UNet в качестве дополнительной информации. Помимо этого, используется особая балансировка данных для улучшения качества сегментации для классов с наименьшим количеством представителей. Метод был применен для изображений из набора данных LumenStone S1 , дополненного изображениями с анизотропными минералами, снятыми в различных ориентациях. В качестве эксперимента для тестирования производится сравнение результатов работы нескольких нейронных сетей: обученной без использования дополнительной информации, с единственным изображением на входе нейронной сети; с несколькими изображениями на входе, с использованием различного количества дополнительных изображений, снятых под разными углами поворота (1, 3 и 6 дополнительных изображений). Результаты тестирования демонстрируют улучшение качества сегментации трех анизотропных минералов от 3% до 12%, и пяти изотропных минералов от 1% до 8%. 3. Создан быстрый метод совмещения изображений на основе преобразования Фурье-Бесселя и применения проекционного метода с использованием функций Лагерра, а также быстрого алгоритма вычисления проекционных коэффициентов для его эффективного вычисления. Предложенный подход был разработан для выравнивания двумерных проекций в криоэлектронной микроскопии одиночных частиц. Использование проекционного метода в вычислении преобразования Фурье-Бесселя является существенным улучшением базового метода с точки зрения вычислительной эффективности и при этом без потери в качестве совмещения. Применение быстрого алгоритма для вычисления проекционных коэффициентов, основанного на использовании квадратуры Гаусса-Лагерра, также дает дополнительное ускорение, не сильно изменяя искомое преобразование. Нахождение искомых параметров сводится к однократному вычислению трехмерной корреляции в Фурье-пространстве с помощью проекционного метода вычисления преобразований Фурье-Бесселя и вычислению обратного преобразования Фурье для перехода в координатное пространство. Результаты проведенных экспериментов на синтетических и реальных данных продемонстрировали, что предложенный быстрый метод совмещения изображений с помощью преобразования Фурье-Бесселя достигает ускорение в среднем в 6.7 раз в случае применения проекционного метода вычисления преобразования Фурье-Бесселя и в 10.2 раза, дополнительно применив быстрый алгоритм расчета проекционных коэффициентов, в сравнении с исходным методом Фурье-Бесселя. При этом не было замечено значительных изменений в качестве совмещения изображений сравниваемыми методами. Опубликовано 4 статьи (1 Scopus, 3 РИНЦ), 2 статьи принято к печати (2 Scopus), сделано 2 доклада на международных конференциях. Полученные в рамках проекта результаты вошли в принятую к защите кандидатскую диссертацию Симаковой Н.А. “Математические методы совмещения биомедицинских микроскопических изображений”. Защита состоится 25.12.2023 в совете МГУ.012.1. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".