Dieser Algorithmus soll kontinuierlich Messen Sie den Abstand zwischen zwei 2-dimensionale Kanten mit seriellen Bild Streckungen und Wegfindung. Dieser Algorithmus kann auf eine Vielzahl von Bereichen wie kardiale Strukturbiologie, vaskuläre Biologie und Tiefbau angewendet werden.
Kürzlich beschrieben extrazelluläre Nanodomain, genannt Perinexus, hat in Ephaptic Kupplung, verwickelt, was ist ein alternativer Mechanismus für die elektrische Leitfähigkeit zwischen Kardiomyozyten. Die aktuelle Methode zur Quantifizierung dieses Raumes durch manuelle Segmentierung ist langsam und hat geringe räumlichen Auflösung. Wir einen Algorithmus entwickelt, der serielle Bild Streckungen einer binären Gliederung verwendet, um die Anzahl der Pixel zwischen zwei gegenüberliegenden 2 dimensionale Kanten. Dieser Algorithmus erfordert weniger Arbeitsstunden und hat eine höhere räumliche Auflösung als die manuelle Methode unter Beibehaltung der Reproduzierbarkeit des manuellen Prozesses. In der Tat erlebt und Anfänger Ermittler konnten die Ergebnisse einer früheren Studie mit diesem neuen Algorithmus zu rekapitulieren. Der Algorithmus wird durch menschliches Zutun erforderlich, um die Perinexus manuell zu skizzieren und Rechenleistung vor allem belastet durch eine vorbestehende Pathfinding-Algorithmus begrenzt. Allerdings machen des Algorithmus Hochdurchsatz-Fähigkeiten, hohe räumliche Auflösung und Reproduzierbarkeit es vielseitig und robust Messinstrument für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen, bei denen die Messung des Abstandes zwischen jeder 2-dimensionale (2D ) Kanten.
Der folgende Algorithmus wurde entwickelt, um der intermembran Abstand zwischen zwei strukturell gekoppelt Kardiomyozyten an dem Punkt zu messen, die sie voneinander, am Rande einer Lücke Kreuzung Plakette in eine Nanodomain trennen, genannt der Perinexus1, die hat in Ephaptic2,3,4,5Kupplung in Verbindung gebracht. Bei der Analyse von Hunderten von Übertragung Elektronenmikroskopie (TEM) Bilder von Perinexi mit einer manuellen Segmentierung Methode in einer früheren Studie6, wurde die Notwendigkeit für einen höheren Durchsatz-Methode identifiziert, die Perinexal Breite in höher abgetastet räumliche Auflösung unter Beibehaltung der Genauigkeit des früheren manuellen Segmentierungsprozesses während manueller Segmentierung, sind Linien in 15 nm Abständen etwa senkrecht zur Mittellinie, um Perinexal Breite zu messen. Der neue Algorithmus nimmt einen ein Pixel Dicke binäre Überblick über zwei parallele Linien und serielle Bild Streckungen verwendet, um die Anzahl der Pixel zwischen den beiden Membranen. Während Bild Streckungen häufig in einer Vielzahl von Bild-Verarbeitungsanwendungen eingesetzt wurden, verwendet einschließlich der Kontur oder Edge Detection7,8, dieser Algorithmus Streckungen als ein Zählwerk. Die Mittellinie ist dann isoliert mit einer Pfadfindung Algorithmus9 und Perinexal Breite mit einer Auflösung entlang der Länge des Perinexus entspricht die Auflösung des Bildes dann gemessen wird. Der Unterschied in der Auflösung ist in diesem Fall 1 Messung pro 15 nm für manuelle Segmentierung und 1 Messung pro 0,34 nm mit dem neuen Algorithmus, eine 44-fold Zunahme der räumlichen Sampling-Frequenz. Darüber hinaus wird diese erhöhte Abtastfrequenz in etwa 1/5th den Zeitaufwand für manuelle Segmentierung erreicht.
Dieser Algorithmus wird in seiner jetzigen Form verwendet werden, um Perinexal Breite bei der konventionellen 0-150 Messen nm von der Kante eines Gap Junction Plakette5 (GJ) sowie innerhalb einer bestimmten Region von Interesse, wo die Perinexus zwischen 30 und 105 nm2 Hochebenen , 3 , 10. erhöhte Abtastfrequenz reduziert die Variabilität der einzelnen Perinexus Messungen im Vergleich zu manuellen Segmentierung und deutlich verkürzt Analyse, so dass für die effiziente Verarbeitung großer Datenmengen. Dieses Programm ist jedoch nicht beschränkt auf nanoskaligen TEM Bilder von kardialen eingefügten Festplatten. Der gleiche Ansatz könnte verwendet werden, um vaskuläre Durchmesser, linksventrikulären Auswurffraktion oder sogar nicht-biologischen Phänomene wie Flusserosion oder Überschwemmungen zu quantifizieren. Dieser Algorithmus eignet sich für die Quantifizierung des Abstand zwischen zwei quasi-parallelen Kanten.
Der Algorithmus verwendet serielle Bild Dilatationen um die Anzahl der Pixel zwischen zwei gegenüberliegenden 2D Kanten in einem binären Bild, die in diesem Fall die Trennung zwischen Membran des Perinexus2,3,14 ist. Eine räumliche Ableitung und einen Pathfinding-Algorithmus werden dann zur Isolieren der Mittellinie, gefolgt von einer sekundären Dilatation und Erosion Sequenz Lücken in der Mittellinie, ähnlich wie was, bevor Sie15 getan wurde. Die Mittellinie wird dann mit dem endgültigen Dilatation-Graf Bild darzustellen Perinexal Breite als Funktion des Abstandes vom Anfang des Rand-Trennung, in diesem Fall Ende des GJ und Beginn der Perinexus16kombiniert.
Vier primäre Parameter sind frei definierbar in einem GUI zu Beginn des Programms:
Die am häufigsten verwendete Mechanismus des Scheiterns für den Algorithmus ist das Versagen der Mittellinie, der Rand des Bildes, zu erreichen, die ist, wie der Endpunkt für die Wegfindung-Algorithmus bestimmt wird. Um solch ein Problem zu beheben, kann der Benutzer erhöhen den Farbverlauf Schwellenwert im Schritt 3.3.1, wodurch das Programm mehr Punkte aus dem räumlichen Derivative Bild auswählen, die die Rechenzeit gemäß der Pathfinding-Algorithmus zu erhöhen, wird beschrieben. Dieser Algorithmus erfordert daher einen Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Mittellinie Integrität Berechnung. Es ist wichtig zu beachten, dass, solange alle Punkte der Mittellinie von der räumlichen Ableitung, zusammen mit einem geeigneten Startpunkt identifiziert werden die räumlichen Derivative Schwelle wird keine Auswirkungen auf die Kante-Trennung-Messung.
Bildausrichtung scheint Dilatation Werte beeinflussen, weil der Kernel in 90 Grad Schritten, die Fehlermeldung einführen können weitet, wenn der Großteil der Region von Interesse in einem Winkel von 45° zu den Achsen der Dilatation Matrizen ist. Daher möglicherweise die Anzahl der Dilatation nicht immer eine genaue Darstellung des Raums zwischen den Rändern. Diese Einschränkung ist durch einen trigonometrischen Korrekturfaktor angesprochen worden, aber möglicherweise ignoriert werden konnte, wenn alle Bilder in einem Dataset in der gleichen Richtung ausgerichtet sind. Darüber hinaus sollte mit Vorsicht erfolgen bei der Interpretation der Ergebnisse, wie es möglich ist, dass Schnittebenen nicht perfekt senkrecht zu den beiden Membranen sind. In Abbildung 9Bverwenden wir GJW darauf hin, dass unsere Perinexus Bilder in der Ebene wurden. Dennoch ist es zwingend notwendig, dass Stichprobengrößen ausreichend dimensioniert um Stationspunkte Abweichungen zwischen den Bildern zu berücksichtigen sein. Darüber hinaus sollten unsere Perinexal Breite Messungen nicht interpretiert werden, angepasst in Vivo Räumen, aber dieser Ansatz wird verwendet, um durchschnittliche Unterschiede in der Perinexal Breite im Verhältnis zu einigen Intervention oder Krankheit Zustand messen.
Der aktuelle Algorithmus erfordert auch eine manuell verfolgt Gliederung der Kanten als Eingabe. Es ist wichtig zu beachten, dass, solange die Waage richtig eingestellt ist, räumlicher Auflösung keinen Einfluss auf den Algorithmus Messungen hat, wie die unterschiedlichen Auflösungen der Bilder in Abbildung 6 und ein zusätzliches Bild mit niedriger Auflösung in ergänzenden belegen S6-Datei. Der nächste Schritt bei der Verbesserung des Algorithmus ist menschliches Eingreifen vom Umriss Generation zusammen mit einem Tool entfernen, die den gewünschten Bereich auswählen können. Diese Funktionen würden wahrscheinlich erhöhen die Genauigkeit der Messung und Benutzer Vorspannung reduzieren.
Diese rechnerisch effiziente Algorithmus bietet eine schnellere Methode, erfordert ungefähr ein Fünftel der Arbeitsstunden zur Quantifizierung der Perinexus ohne nachweisbare Strafe auf Reproduzierbarkeit im Vergleich zu den manuellen Segmentierungsprozesses. Darüber hinaus nutzt die manuelle Segmentierung-Prozess eine Messung alle 15 Nanometer Quantifizierung Perinexal Breite, was zu unter Probenahme führen kann, da die Membran-Trennung von der Perinexus innerhalb dieser 15 nm-Bereich erheblich ändern kann. Im Gegensatz dazu hat das automatisierte Programm eine Ortsauflösung entspricht derjenigen der bildgebenden Modalität, in diesem Fall 2,9 Pixel pro Nanometer entlang der Länge des Perinexus, daher liefert einen feiner aufgelöst Durchschnitt der Perinexal Breite.
Während die Anwendungen im Bereich der kardialen Strukturbiologie vielversprechend sind und aufregend, dieser Algorithmus verwendet sich nicht auf TEM Bilder beschränken. Jeder Bereich erfordert eine präzise, hochauflösende Messung zweier quasi parallel 2D Kanten machen kann dieses Algorithmus verwenden. Der Algorithmus kann verwendet werden, etwas vom Flussufer Erosion und Hochwasser Muster aus Satellitenbildern zu vaskulären Entwicklung mit Hellfeld oder fluoreszierende Mikroskopie verfolgen. Eines der vielversprechendsten möglichen Anwendungen ist im Bereich der Kardiologie und Messung der linksventrikulären Ejektionsfraktion (EF) mit Point-of-Care kardiale Echokardiographie. Derzeit ist die Standardtechnik der Doppeldecker-Methode von Festplatten17, wenn ein neuer Algorithmus, AutoEF, derzeit Schneide EF-Quantifizierung Methode18,19 werden. Für Doppeldecker-Methode von Datenträgern die betreffende Kammer manuell verfolgt und quantifiziert mit einer modifizierten Simpson Methode, wobei die Gesamtlautstärke durch die Summierung der gestapelten elliptischen Scheiben automatisch berechnet wird. Die Haupteinschränkung bei dieser Methode ist, dass es nur die totale Querschnittsfläche der gewünschte Kammer, mit keine Lösung gelangen für bestimmte Regionen von Interesse, zu identifizieren und auch erhebliche menschliches Zutun und Know-how erfordert. Die neuere Methode, AutoEF, identifiziert und beschreibt den Rand des Ventrikels mit Hilfe eines 2D speckling Algorithmus und berechnet dann die ventrikuläre Querschnittsfläche. Dieser Prozess hat während präzise und effizient zur Messung der linksventrikulären Bruttofläche, auch eine ähnliche inhärente Einschränkung nur totale Querschnittsfläche zu messen. Diese primäre Nachteil begrenzt Kliniker diagnostischen und therapeutischen Fähigkeiten. Im Gegensatz dazu der Algorithmus präsentiert in dieser Handschrift erkennen eine Mittellinie und hat eine Auflösung entspricht die Auflösung der bildgebenden Modalität zu bestimmte Regionen des Interesses zu lokalisieren. Dies ist wichtig, da Ultraschall-Scanner mit einer räumlichen Auflösung Mikrometer handelsübliche20,21 sind, was bedeutet, dass dieser Algorithmus könnte lokalisierte Wand Bewegung Anomalien bei der Auflösung von Mikrometern zu erkennen statt Zentimeter. Während dieser Anwendung experimentell überprüft werden muss, ist es eine der unmittelbarsten vielversprechenden Anwendungen dieses Algorithmus. In der Tat, es könnte leicht kombinierbar mit der Speckle tracking-Funktionen von AutoEF oder die manuelle Spuren in manuellen Planimetrie, höherer Auflösung Informationen parallel zu herkömmlichen EF-Daten verwendet.
So vielseitig und anwendbar, da der aktuelle Algorithmus ist, wurde es für 2D Bilder entwickelt. Jedoch, wie imaging-Technologien zu verbessern weiter, gibt es eine steigende Nachfrage für 3- und 4-D-Quantifizierung-Technologien. Daher ist die nächste Iteration des Algorithmus, den gleichen Ansatz, seriell Dilatation ein binäres Bild auf ein 3-dimensionales Objekt, wo automatisch definieren eine Mittellinie derzeit über die Möglichkeiten der aktuellen imaging-Programme ist anzupassen. Solcher Algorithmus hätte breite Anwendungen klinisch und experimentell im kardiologischen Bereich allein, auch 3D kardiale Echokardiogramm22,23, 3D Elektronenmikroskopie24,25, 26und 3D Magnetresonanz-Tomographie27,28,29.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren möchte Kathy Lowe an der Virginia-Maryland College of Veterinary Medicine für die Verarbeitung und Färbung TEM Proben danken.
Finanzierung:
National Institutes of Health R01-HL102298
National Institutes of Health F31-HL140873-01
Touchscreen Monitor | Dell | S2240T | Needs soft-tipped stylus |
Desktop | Dell | Precision T1650 | 8GB RAM |
Operating System | Microsoft | Windows 7 Enterprise | 64-bit OS |
Program platform | Mathworks | Matlab R2015b | Program may be incompatible with newer/older versions of Matlab |