Semi-automatic segmentation of mitochondria on transmission electron microscopy images using live-wire and surface dragging methods

Abstract

Mitokondriler, hücresel metabolik işlevlerin çeşitliliğinde önemli rol oynayan hücrenin stoplazmik organelleridir. Mitokondri, hücrenin santralleri gibi davranır ve iki zar ile çevrilidir. Mitokondrinin fonksiyonlardaki değişiklikler genellikle önemli şekilsel değişikliklerle birlikte görülür. Elektron mikroskop tomografisi, mitokondrinin üç boyutlu (3B) yapısını ve hastalık durumlarındaki değişiklikleri incelemek için güçlü bir tekniktir. Elektron mikroskop görüntülerinde mitokondrinin saptanması,hücre içi yapılarının ve olguların görüntülenmesinin çeşitliliğinden dolayı zorlayıcıdır. Bir diğer zorluk, her görüntünün tipik olarak birden fazla mitokondri içermesidir. Mitokondrinin elle bölütlenmesi yorucudur, zaman alır ve mitokondriye ilişkin özel bilgiye ihtiyaç vardır. Tam otomatik yöntemler aşırı segmentasyona yol açar ve mitokondriler doğru bir şekilde bölünmez. Bu nedenle, tam otomatik bölümleme yöntemlerinin sonuçlarını düzenlemek için en az kullanıcı etkileşimiyle yarı otomatik bölümleme yöntemleri gereklidir. Bu tez, iki yüzey düzenleme aracı, spline yüzey sürükleme ve etkileşimli canli tel araçları uygulanarak oluşturulmuştur. Bu düzenleme araçları ayrı-ayrı tam otomatik segmentasyon yöntemin sonuçlarına uygulanmıştır. Bu araçların 3B uzantısı da incelenmiş ve test edilmiştir. 2B ve 3B Dice katsayısı yüzey surukleme için 0.93 ve 0.92 olarak ve canli tel yöntemi için 0.94 ve 0.91 olarak ölçüldü. 2B ve 3B ortalama yüzey mesafe değerleri yüzey surukleme yöntemi için 0.69, 0.93 ve canlı-tel yöntemi için sırasıyla 0.60 ve 2.11 dır.Anahtar Sözcükler: Tıbbi Görüntü Segmentasyonu, Yarı-Otomatik Yöntemler, İletimli Elektron Mikroskobu, Yüzey Sürükleme, Canlı-Tel

Mitochondria are cytoplasmic organelles of the cell, which have significant role in the variety of cellular metabolic functions. Mitochondria act as the power plants of the cell, and are surrounded by two membranes. Significant morphological alterations are often due to changes in mitochondrial functions. A powerful technique in order to study the three-dimensional (3D) structure of mitochondria and its alterations in disease states is Electron microscope tomography. Due to the presence of various subcellular structures and imaging artifacts, the detection of mitochondria in electron microscopy images is a challenging problem. Another challenge is that each image typically contains more than one mitochondrion. Hand segmentation of mitochondria is tedious and time consuming and also special knowledge about the mitochondria is needed. Fully automatic segmentation methods lead to over segmentation and mitochondria are not segmented properly. Therefore, semi-automatic segmentation methods with minimum manual effort are required to edit the results of fully automatic segmentation methods. In this thesis two editing tools were implemented by applying spline surface dragging and interactive live-wire segmentation tools. These editing tools were applied separately on the results of fully automatic segmentation. 3D extension of these tools were also studied and tested. Dice coefficients of 2D and 3D for surface dragging using splines were 0.93 and 0.92. This metric for 2D and 3D for live-wire method were 0.94 and 0.91 respectively. The root mean square symmetric surface distance values of 2D and 3D for surface dragging was measured as 0.69, 0.93. The same metrics for live-wire tool were 0.60 and 2.11.Keywords: Medical Image Segmentation, Semi-automatic methods, Transmission Electron Microscopy, Surface Dragging using Splines, Live-Wire