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Tipo do documento: Tese
Título: Otimização experimental e avaliação de métodos de segmentação de micro imagens usando luz síncrotron: uma aplicação na herpetologia
Título(s) alternativo(s): Experimental optimization and evaluation of segmentation methods of synchrotron micro-imaging: an application in herpetological research
Autor: Soares, Geicilene Katrine de Paiva 
Primeiro orientador: Barroso, Regina Cely Rodrigues
Primeiro coorientador: Gonçalves, Marcos Vinicius Colaço
Primeiro membro da banca: Silva, Hélio Ricardo da
Segundo membro da banca: Archilha, Nathaly Lopes
Terceiro membro da banca: Souza, Gabriela Sena
Quarto membro da banca: Alves Filho, Hermes
Quinto membro da banca: Cupello, Camila David
Resumo: A microtomografia de raios X por radiação síncrotron é uma técnica de imagem de alta resolução que permite visualizar e quantificar estruturas no interior das amostras. No campo da herpetologia, a micro-CT vem trazendo inovações às pesquisas devido à facilidade que essa técnica permite para o estudo da morfologia de répteis e anfíbios. No presente trabalho, amostras do girino da espécie Thoropa miliaris nos estágios de desenvolvimento TM28, TM32, TM36, TM40 e TM46 foram utilizadas como modelo biológico para o estudo de imagens microtomográficas obtidas por contraste de fase baseada na propagação (PBI). As amostras foram medidas em meio líquido (álcool) e posicionadas em diferentes distâncias amostra-detector (SDD = 5 cm, 15 cm, 25 cm. O setup experimental foi montado na linha de luz SYRMEP do laboratório síncrotron ELETTRA/Itália. Três regiões de interesse (ROI) foram escolhidas para serem analisadas por meio dos parâmetros de qualidade de imagem de contraste (C), razão contraste-ruído (CNR), razão sinal-ruído (SNR) e razão destaque de borda-ruído (EEN). As ROIs em questão foram o cristalino, tecido muscular e notocorda. Análise de variância ANOVA (nível de significância α = 0,1) foi realizada para investigar como as SDDs escolhidas afetaram os parâmetros de qualidade. Para todas as amostras, o cálculo dos parâmetros de qualidade C, CNR, SNR e EEN nas ROIs foi significativamente diferentes (p << 0, 1) em função do aumento das SDDs, como era de se esperar, mas não foi observado grande efeito do aumento da SDD de 15 cm para 25 cm, em média. Para analisar os efeitos de marcadores químicos em tecidos moles, as amostras TM28, TM32 e TM36 passaram pelo processo de marcação química onde que ficaram imersas em solução de iodo metálico 1% por 2 horas e 12 horas e novas imagens de micro-CT foram processadas. Foi feita a análise quantitativa através dos parâmetros de qualidade nesses novos dados focando nas três ROIs. Para o cristalino e o tecido muscular da amostra TM28, as diferenças entre o contraste, SNR e CNR das imagens sem e com marcação foram estatisticamente significativas (p << 0, 1). Quanto ao tempo de imersão da amostra TM28 na solução de iodo, para o cristalino, somente a SNR foi estatisticamente diferente (p << 0, 1), para C e CNR não se observou diferenças estatisticamente significativas (p > 0, 5 e p > 0, 4, respectivamente). Para o tecido muscular, C, SNR e CNR foram estatisticamente diferentes (p << 0, 1). Foi observado que o interior da notocorda não foi marcado pelo iodo quanto o esperado e, como consequência, prejudicou a visualização das estruturas internas que compões a notocorda. Pode-se concluir que a marcação de iodo foi eficiente para aumentar o contraste das estruturas cristalino e tecido muscular. Porém, ter aumentado o tempo de imersão da amostra na solução de iodo não parece ter sido um parâmetro importante neste caso. Para o estudo do pós-processamento dos dados de micro-CT, que inclui a identificação das estruturas do girino T. miliaris através da segmentação de imagens, foi conduzido um experimento na linha de luz IMX do laboratório de luz síncrotron LNLS/Brasil. A partir das imagens obtidas, foram aplicados os métodos 1 e 2 de segmentação semiautomática (Interpolação e Watershed, respectivamente) e método 3 de segmentação automática (algoritmo de arquitetura U-Net) na seguinte ROI: o cristalino. A avaliação de cada método foi feita a partir da análise volumétrica e estatística do volume renderizado. Os resultados obtidos mostraram que a maior diferença na quantificação volumétrica foi entre os métodos 1 e 3 com redução de 4,24% no volume renderizado. Na análise estatística feita pelo coeficiente de similaridade de Dice (DSC), os métodos 1, 2 e 3 apresentaram a média de 97,02%, 95,41% e 89,29%. Embora o método 3 tenha obtido o menor DSC, essa média é compatível com outros resultados na literatura. Outro fator importante foi o tempo consumido para a segmentação do cristalino: métodos semiautomáticos foram em torno de 1h 30min e o método automático foi entre 8 a 26 segundos. Além disso, foi possível estabelecer uma linha de base para avaliações futuras de DNNs (Deep Neural Networks) aplicadas a volumes PBI.
Abstract: Synchrotron radiation X-ray microtomography is a high-resolution imaging technique that allows visualizing and quantifying structures inside samples. In the field of herpetology, micro-CT has been bringing innovations to research due to the facility that this technique allows for the study of reptile and amphibian morphology. In the present work, samples of the tadpole of the species Thoropa miliaris at developmental stages TM28, TM32, TM36, TM40 and TM46 were used as a biological model for the study of microtomographic images obtained by propagation-based phase-contrast imaging (PBI). The samples were measured in liquid medium (alcohol) and positioned at different sampledetector distances (SDD = 5 cm, 15 cm, 25 cm). The experimental setup was set up on the SYRMEP beamline of the synchrotron laboratory ELETTRA/Italy. Three regions of interest (ROIs) were chosen to be analyzed using the image quality parameters of contrast (C), contrast-to-noise ratio (CNR), signal-to-noise ratio (SNR), and edge enhancement to noise ratio (EEN). The ROIs in focus were the lens, muscle tissue, and notochord. ANOVA analysis of variance (significance level α = 0.1) was performed to investigate how the chosen SDDs affected the quality parameters. For all samples, the calculation of quality parameters C, CNR, SNR, and EEN in ROIs was significantly different (p << 0.1) as a function of increasing SDDs, as expected, but no great effect was observed from increasing SDD from 15 cm to 25 cm on average. To analyze the effects of chemical staining on soft tissue, the TM28, TM32 and TM36 specimens underwent the chemical staining process where they were immersed in 1% metal iodine solution for 2 hours and 12 hours and new micro-CT images were processed. Quantitative analysis was performed using the quality parameters on this new data focusing on the three ROIs. For the lens and muscle tissue of the TM28 sample, the differences between the contrast, SNR and CNR of the unlabeled and labeled images were statistically significant (p << 0.1). Regarding the immersion time of the TM28 sample in the iodine solution, for the lens, only SNR was statistically different (p << 0.1), for C and CNR no statistically significant differences were observed (p > 0.5 and p > 0.4, respectively). For muscle tissue, C, SNR and CNR were statistically different (p << 0.1). It was observed that the interior of the notochord was not iodine stained as expected and, as a consequence, impaired the visualization of the internal structures that make up the notochord. It can be concluded that iodine staining was efficient in increasing the contrast of the lens and muscle tissue structures. However, increasing the immersion time of the sample in the iodine solution does not seem to have been an important parameter in this case. To study the post-processing of the micro-CT data, which includes the identification of the tadpole structures T. miliaris using image segmentation, an experiment was carried out on the IMX beamline of the synchrotron light laboratory LNLS/Brazil. From the obtained images, methods 1 and 2 of semiautomatic segmentation (Interpolation and Watershed, respectively) and method 3 of automatic segmentation (U-Net architecture algorithm) were applied to the following ROI: the lens. The evaluation of each method was performed by volumetric and statistical analysis of the rendered volume. The results obtained showed that the greatest difference in the volumetric quantification was between methods 1 and 3 with a reduction of 4.24% in the rendered volume. In the statistical analysis performed by the Dice Similarity Coefficient (DSC), methods 1, 2, and 3 had averages of 97.02%, 95.41%, and 89.29%. Although method 3 obtained the lowest DSC, this average is compatible with other results in the literature. Another important factor was the time consumed for segmentation of the lens: semiautomatic methods were around 1h 30min and the automatic method was between 8 and 26 seconds. In addition, it was possible to establish a baseline for future evaluations of DNNs (Deep Neural Networks) applied to PBI volumes.
Palavras-chave: Microtomografia por raio X – Radiação sincrotrônica
Herpetologia – Microtomografia por raio X
Girino – Processamento de imagens – Técnicas digitais
Radiação síncrotron
Micro-CT
Amostra biológica
Segmentação
X-Ray microtomography - Synchrotron radiation
Herpetology - X-Ray microtomography
Tadpoles - Image processing - Digital techniques
Synchrotron radiation
Micro-CT
Biological sample
Segmentation
Área(s) do CNPq: CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA DA MATERIA CONDENSADA
Idioma: por
País: Brasil
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Física Armando Dias Tavares
Programa: Programa de Pós-Graduação em Física
Citação: SOARES, Geicilene Katrine de Paiva. Otimização experimental e avaliação de métodos de segmentação de micro imagens usando luz síncrotron: uma aplicação na herpetologia. 2023. 124 f. Tese ( Doutorado em Física) - Instituto de Física Armando Dias Tavares, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2023.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/20301
Data de defesa: 13-Fev-2023
Aparece nas coleções:Doutorado em Física

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