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用于亚细胞运动识别和重建的贝叶斯拓扑框架。 (英语) Zbl 1400.92310号

摘要:显微成像可以对细胞内运动进行详细观察,并获取大型数据集,这些数据集只能通过自动算法进行全面分析。在这里,我们开发了一种计算方法,用于自动识别和重建显微镜图像数据中捕获的亚细胞粒子的轨迹。该方法对原始图像数据堆栈进行操作,并计算包含的完整轨迹集。该方法利用拓扑数据分析和标准图像处理技术,除了连续性之外,不假设潜在的动力学。我们在人工和实验数据集上成功地测试了所开发的方法。在实验数据上的应用表明,该方法与手动跟踪和基准测试的结果非常一致,其性能分数与现有的最先进的跟踪方法相比具有竞争力。

MSC公司:

92 C55 生物医学成像和信号处理
92立方37 细胞生物学
68单位10 图像处理的计算方法
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全文: 内政部

参考文献:

[1] D.Avisar、A.Prokhnevsky、K.Makarova、E.Koonin和V.Dolja,本氏烟草叶细胞高尔基体、过氧化物酶体和线粒体的快速运输需要肌球蛋白xi-k、植物生理学、。,146(2008),第1098–1108页。
[2] Y.Bar-Shalm和W.Blair,多目标多传感器跟踪:应用与进展马萨诸塞州诺伍德市阿特奇宫,第三卷,2000年。
[3] S.Blackman和R.Popoli,现代跟踪系统的设计与分析马萨诸塞州诺伍德市阿特奇宫,1999年·Zbl 0933.93002号
[4] S.Bonneau、M.Dahan和L.D.Cohen,基于时空体中最小路径感知分组的单量子点跟踪,IEEE传输。图像处理。,14(2005),第1384-1395页。
[5] L.G.Brown,图像配准技术综述,ACM计算。调查。,24(1992),第325-376页。
[6] R.H.Byrd、M.E.Hribar和J.Nocedal,大规模非线性规划的内点算法、SIAM J.Optim.、。,9(1999),第877-900页·Zbl 0957.65057号
[7] G.卡尔森,拓扑和数据,公牛。阿默尔。数学。Soc.(N.S.),46(2009),第255-308页·Zbl 1172.62002号
[8] K.Celler、G.P.van Wezel和J.Willemse,空泡链霉菌动态定位tata复合物的单粒子追踪,生物化学。生物物理学。研究。社区。,438(2013),第38–42页。
[9] N.Chenouard、I.Bloch和J.-C.Olivo Marin,显微图像中的多假设跟踪,2009年IEEE生物医学成像国际研讨会:从纳米到宏观,IEEE,新泽西州皮斯卡塔韦,2009年,第1346–1349页。
[10] N.Chenouard、I.Bloch和J.-C.Olivo-Marin,杂波生物图像序列的多假设跟踪,IEEE传输。模式分析。机器。智力。,35(2013),第2736–3750页。
[11] N.Chenouard、I.Smal、F.De Chaumont、M.Maška、I.F.Sbalzarini、Y.Gong、J.Cardinale、C.Carthel、S.Coraluppi、M.Winter等。,粒子跟踪方法的客观比较《自然方法》,11(2014),第281-289页。
[12] S.J.Clough和A.F.Bent,花浸法:一种简化的细菌介导的拟南芥转化方法《植物杂志》,16(1998),第735-743页。
[13] D.Collings、J.Harper、J.Marc、R.Overall和L.Mullen,生活在快车道上:植物过氧化物酶体基于肌动蛋白的运动,可以。J.Bot.,80(2002),第430–441页。
[14] J.W.Cooley和J.W.Tukey,复数傅里叶级数的机器计算算法,数学。公司。,19(1965),第297–301页·Zbl 0127.09002号
[15] S.Coraluppi和C.Carthel,多阶段多假设跟踪《高级信息融合杂志》,6(2011),第57-67页。
[16] G.Danuser,生物学中的计算机视觉《细胞》,第147页(2011年),第973–978页。
[17] F.De Chaumont、S.Dallongeville、N.Chenouard、N.Herveí、S.Pop、T.Provoost、V.Meas-Yedid、P.Pankajakshan、T.Lecomte、Y.Le Montagner、T.Lagache、A.Dufour和J.-C.Olivo-Marin,Icy:用于扩展可再生研究的开放式生物图像信息学平台《自然方法》,9(2012),第690-696页。
[18] M.Dimiccoli、J.-P.Jacob和L.Moisan,荧光延时成像中的粒子检测与跟踪:一种相反的方法,马赫。视觉。申请。,27(2016),第511-527页。
[19] A.Doucet,N.de Freitas和N.Gordon,编辑。,序贯蒙特卡罗方法在实践中的应用《工程和信息科学统计》,Springer-Verlag,纽约,2001年·Zbl 0967.00022号
[20] A.Geitmann和A.Nebenfu¨hr,导航植物细胞:绿色王国中的细胞内运输物流,分子生物学。Cell,26(2015),第3373–3378页。
[21] W.R.Gilks和C.Berzuini,动态贝叶斯模型的跟踪运动目标蒙特卡罗推断,J.R.Stat.Soc.Ser.,《美国国家统计年鉴》。B统计方法。,63(2001),第127-146页·Zbl 0976.62021号
[22] R.Gutierrez、J.Lindeboom、A.Paredez、A.Emons和D.Ehrhardt,拟南芥皮层微管定位纤维素合成酶向质膜的递送,并与纤维素合成酶运输区室相互作用,自然细胞生物学。,11(2009),第797-806页。
[23] T.滨田、M.富田东彦、T.福卡亚、M.中村信弘、A.中野信彦、Y.渡边、T.桥本和T.巴斯金,Rna加工体、过氧化物酶体、高尔基体、线粒体和内质网小管连接经常在皮质微管处暂停《植物细胞生理学》。,53(2012),第699–798页。
[24] J.Hughes、J.Fricks和W.Hancock,荧光显微镜中粒子位置的似然推断,Ann.应用。《统计》,(2010年),第830-848页·Zbl 1194.62108号
[25] A.K.Jain、M.N.Murty和P.J.Flynn,数据聚类:综述,ACM计算。调查。,31(1999),第264–323页。
[26] A.Jaiswal、W.J.Godinez、M.J.Lehmann和K.Rohr,多尺度检测与多帧关联的直接结合用于显微镜图像数据中病毒粒子的跟踪,2016年IEEE第13届国际生物医学成像研讨会(ISBI),IEEE,新泽西州皮斯卡塔韦,2016年,第976–979页。
[27] K.Jaqaman、D.Loerke、M.Mettlen、H.Kuwata、S.Grinstein、S.Schmidt和G.Danuser,活细胞延时序列中的鲁棒单粒子跟踪《自然方法》,第5卷(2008年),第695-702页。
[28] C.Kervrann,C.O©。S.Sorzano、S.T.Acton、J.-C.Olivo-Marin和M.Unser,荧光和电子显微镜图像处理和分析方法导览IEEE J.选择。主题信号处理。,10(2016),第6-30页。
[29] J.S.Liu,科学计算中的蒙特卡罗策略,Springer系列统计。,施普林格,纽约,2008年·兹比尔1132.65003
[30] J.S.Liu和R.Chen,动态系统的序贯蒙特卡罗方法,J.Amer。统计师。协会,93(1998),第1032-1044页·Zbl 1064.65500号
[31] S.Liu、A.Matzavinos和S.Sethuraman,数据聚类中的随机行走距离及其应用,高级数据分析。分类。,7(2013),第83–108页·Zbl 1261.62059号
[32] D.Logan和C.Leaver,线粒体靶向gfp突显了活植物细胞内线粒体形状、大小和运动的异质性《实验生物学杂志》,51(2000),第865-871页。
[33] D.G.Lowe,与比例不变关键点不同的图像特征《国际计算杂志》。《愿景》,60(2004),第91-110页。
[34] S.L.Madison、M.L.Buchanan、J.D.Glass、T.F.McClain、E.Park和A.Nebenfu¨hr,xi类肌球蛋白移动花粉管中的特定细胞器,是拟南芥正常生育和花粉管生长所必需的、植物生理学、。,169(2015),第1946-1960页。
[35] K.E.Magnusson和J.Jaldén,使用Viterbi算法迭代应用的批处理算法跟踪细胞并构建细胞谱系,2012年IEEE第九届国际生物医学成像研讨会(ISBI),IEEE,新泽西州皮斯卡塔韦,2012年,第382-385页。
[36] K.E.Magnusson、J.Jaldeán、P.M.Gilbert和H.M.Blau,使用Viterbi算法对细胞轨迹进行全局链接,IEEE传输。医学图像。,34(2015),第911–929页。
[37] R.Mahler和V.Maroulas,跟踪生成对象IET雷达声纳导航。,7(2013),第321-331页。
[38] R.P.S.马勒,统计多源多目标信息融合2007年,马萨诸塞州诺伍德,Artech House·Zbl 1126.68080号
[39] V.Maroulas和A.Nebenfu¨hr,跟踪细胞内快速运动:贝叶斯随机集方法,Ann.应用。Stat.,9(2015),第926–949页·兹比尔1454.62363
[40] V.Maroulas和P.Stinis,用于多目标跟踪的改进粒子滤波器,J.计算。物理。,231(2012),第602-611页·Zbl 1243.65011号
[41] A.Matov、M.M.Edvall、G.Yang和G.Danuser,粒子流跟踪中的最优流最小代价对应分配,计算。视觉。图像理解。,115(2011),第531–540页。
[42] J.Mazzaferri、J.Roy、S.Lefrancois和S.Costantino,最近邻粒子跟踪算法的自适应设置《生物信息学》,31(2015),第1279–1285页。
[43] A.内宾福小时,洋葱表皮细胞瞬时表达后荧光蛋白融合鉴定亚细胞蛋白定位《植物细胞形态发生:方法和协议》,Meth。分子生物学。1080,Springer,纽约,2014年,第77-85页。
[44] A.Nebenfu¨hr、L.A.Gallagher、T.G.Dunahay、J.A.Frohlick、A.M.Mazurkiewicz、J.B.Meehl和L.A.Staehelin,动肌球蛋白系统介导植物高尔基体堆栈的停止和移动、植物生理学、。,121(1999),第1127–1141页。
[45] B.K.Nelson、X.Cai和A.Nebenfu¨hr,用于拟南芥和其他植物共定位研究的一套多色体内细胞器标记,Plant J.,51(2007),第1126-1136页。
[46] A.Paredez、C.Somerville和D.Ehrhardt,纤维素合成酶的可视化显示与微管的功能关联《科学》,第311页(2006年),第1491-1495页。
[47] V.Racine、A.Hertzog、J.Jouanneau、J.Salamero、C.Kervrann和J.-B.Sibarita,基于模拟退火的\textup3d荧光目标多目标跟踪,第三届IEEE生物医学成像国际研讨会:纳米到宏观,2006年,IEEE,新泽西州皮斯卡塔韦,2006,第1020–1023页。
[48] G.Ren、V.Maroulas和I.Schizas,分布式传感器-目标时空关联与跟踪,IEEE传输。Aerosp.航空公司。电子。系统。,51(2015),第2570-2589页。
[49] D.Sage、H.Kirshner、T.Pengo、N.Sturman、J.Min、S.Manley和M.Unser,单分子定位显微镜软件包的定量评估《自然方法》,12(2015),第717–724页。
[50] C.圣约雷·杜帕斯(C.Saint-Jore-Dupas)、A.Nebenfu¨hr、A.Boulaflous、M.-L.Follet-Gueye、C.Plasson、C.Hawes、A.Driouich、L.Faye和V.Gomord,植物n-聚糖加工酶对其沿分泌途径的空间排列采用不同的靶向机制《植物细胞》,18(2006),第3182–3200页。
[51] I.F.Sbalzarini和P.Koumoutsakos,用于细胞生物学视频成像的特征点跟踪和轨迹分析,J.结构。《生物学》,151(2005),第182-195页。
[52] M.Schiegg、P.Hanslovsky、B.X.Kausler、L.Hufnagel和F.A.Hamprecht,保护跟踪,《IEEE计算机视觉国际会议论文集》,IEEE,新泽西州皮斯卡塔韦,2013年,第2928-2935页。
[53] C.A.Schneider、W.S.Rasband和K.W.Eliceiri,Nih图像到图像j:25年的图像分析《自然方法》,9(2012),第671-675页。
[54] A.S.Sebag、S.Plancade、C.Raulet-Tomkiewicz、R.Barouki、J.-P.Vert和T.Walter,高通量延时数据中研究单细胞运动的通用方法框架《生物信息学》,31(2015),第i320–i328页。
[55] K.Shafique和M.Shah,多帧点对应的非迭代贪婪算法,IEEE传输。模式分析。机器。智力。,27(2005),第51-65页。
[56] G.Singh、F.Meímoli和G.E.Carlsson,高维数据集分析和三维物体识别的拓扑方法,《2007年基于点的图形研讨会论文集》,捷克共和国布拉格,欧洲图形协会,日内瓦,2007年,第91–100页。
[57] I.斯马尔,亚细胞运动分析的粒子滤波方法2009年,荷兰鹿特丹伊拉斯谟大学博士论文。
[58] I.Smal、K.Draegestein、N.Galjart、W.Niessen和E.Meijering,动态荧光显微镜图像中多目标跟踪的粒子滤波:应用于微管生长分析,IEEE传输。医学图像。,27(2008),第789–804页。
[59] I.Smal、M.Loog、W.Niessen和E.Meijering,荧光显微镜斑点检测方法的定量比较,IEEE传输。医学图像。,29(2010),第282-301页。
[60] I.Smal、W.Niessen和E.Meijering,分子细胞生物学中多目标跟踪的粒子滤波,《2006年IEEE非线性统计信号处理研讨会论文集》,IEEE,新泽西州皮斯卡塔韦,2006年,第129-132页。
[61] G.A.Smith、S.P.Gross和L.W.Enquist,疱疹病毒利用双向快速轴突运输在感觉神经元中传播,程序。国家。阿卡德。科学。美国,98(2001),第3466–3470页。
[62] J.-Y.Tinevez、N.Perry、J.Schindelin、G.M.Hoopes、G.D.Reynolds、E.Laplantine、S.Y.Bednarek、S.L.Shorte和K.W.Eliceiri,Trackmate:用于单粒子跟踪的开放可扩展平台《方法》,115(2016),第80–90页。
[63] C.Van Loan,快速傅里叶变换的计算框架,前沿应用。数学。10,SIAM,费城,1992年·Zbl 0757.65154号
[64] J.K.Vick和A.Nebenfu¨hr,休息:调节植物细胞的细胞器运动,J.集成。植物生物学。,54(2012),第868–874页。
[65] R.E.Williamson,器官运动年。植物生理学评论。植物分子生物学。,44(1993),第181-202页。
[66] B.Zitova和J.Flusser,图像配准方法综述,图像视觉计算。,21(2003),第977-1000页。
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