Semi-automatic segmentation of mitochondria on electron microscopy images using Kalman filtering approach

Abstract

Mitokondri çok ökariyotik hücrelerde bulunan zar bağlı organellerdir. Mitokondri hücrenin enerjisini sağlamaktadır; dolayısıyla 'hücrenin enerji evleri' olarak adlandırılır. Mitokondri yapısı, elektron mikrografıyla tasvir edilebilir. Bu yapı, iki membrana sahiptir: iç ve dış. Arası zar alanı olarak adlandırılan bu iki membran arasında bir boşluk vardır. Mitokondri içinde iç zarının kıvrımları kristaları oluşturur. Mitokondrinin fiziki yapısı ve işlevi arasındaki ilişkiyi incelemek için, elektron mikroskobu tomografi (EMT) mitokondriyi görselleştirmek için kullanılır. EMT yüksek çözünürlüklü görüntülerde mitokondri 3B yapısının görüntüsünü sağlar. EMT tarafından sağlanan tomografi dilimleri içinde, mitokondri eliptik yapı olarak görünür. Kristalarında çeşitli patoloji ve biyolojik varyasyonları bu görüntülerde görüntülenmiştir. Tercih yöntemlerinin biri yarı-otomatik bölütleme olabilir. Tıbbi görüntülerde elle bölümleme zaman / enerji tüketir, sıkıcıdır.Tam-otomatik yöntemlerse bazen başarısız olmaktadır. Çünkü görüntüler düşük kalitededir ve görüntülerin elde edilmesinde belli kısıtlamalar vardır. Bu çalışmada, aktif sınır, Kalman filtre ve optik akış yöntemleri kullanarak mitokondri dış sınırına yarı-otomatik bölümleme yöntemleri önerilmiştir. Görüntülerin birinci diliminde, bir sınır eğrisi kullanıcı tarafından çizilir. Daha sonra, tasarlanan algoritma aracılığıyla, sonraki dilimler için, pozisyon / hız değerleri hesaplanır. Aktif sınır ve optik akış yöntemleri ve Kalman filtresi ile bir araya getirilerek sınır noktalarının bir sonraki dilimdeki yerlerini tahmin edilir. Buna ek olarak, bir dizi otomatik ve yarı-otomatik araçlar, mitokondri bölme / birleştirme ve bölütleme için geliştirilmiştir.

Mitochondria are membrane bound organelles found in most eukaryotic cells. Mitochondria provide cell's energy; hence they are called 'power houses of the cell'. The structure of mitochondria can be illustrated in an electron micrograph. This structure has two membranes: inner and outer. There is a gap between these two membranes, called inter-membrane space. Folds of inner membrane inside the mitochondria form the cristae. To study the relation between mitochondria's physical structure and its function, electron microscope tomography (EMT) is used to visualize mitochondria. EMT provides 3D structure of mitochondria in high resolution images. In the slices of tomographic images provided by EMT, mitochondria appear as elliptical structures. The cristae are also visualized in these images with various pathology and biological variations. One of the preferred method can be semi-automatic segmentation; since manual segmentation in medical images is time and energy consuming and tedious; moreover fully automatic methods also fail in medical images and cause incorrect results because of low quality of images and restrictions imposed by image acquisition. In this work, an endeavour is made to segment mitochondrial outer boundary using active contour, Kalman filter and optical flow. In the first slice of the images, a contour is provided by user. Then, for the other slices, position values and velocity values calculated using the active contour and optical flow (respectively) are combined with the Kalman filter to predict the points of the boundary in the next slice. In addition, a set of automatic and semi-automatic tools are developed to determine splitting and merging mitochondria, and to segment them.