Компьютерное зрение в микроскопии

Компьютерное зрение помогает автоматизировать обработку изображений, полученных с помощью микроскопии. С его появлением стало возможным эффективно и с хорошей точностью классифицировать клетки, сегментировать полученные изображения, улучшать их качество и решать другие задачи без участия человека.

Задачи компьютерного зрения в микроскопии

На данный момент компьютерное зрение нашло применение в большинстве направлений, где есть необходимость обрабатывать и анализировать изображения. Микроскопия не стала исключением. Теперь задачи, направленные непосредственно на работу с изображениями, можно решить, например, построив соответствующую сверточную нейронную сеть.

Классификация клеток

Классификация клеток является базовой задачей микроскопии. Существует множество признаков, по которым можно поделить клетки, но для части из них уже существуют готовые архитектуры сверточных сетей.

Определение фазы клеточного цикла

Одним из признаков, по которым можно разделить клетки, является определение фазы клеточного цикла, в которой находится клетка. Эта задача имеет практическое применение для обнаружения поврежденных клеток, которые при визуализации будут кластеризоваться отдельно от остальных. Так как клетки проходят стадии клеточного цикла непрерывно, то удобно их классифицировать, используя флуоресцентные метки. Для этого клетку окрашивают флуоресцентным красителем и используют флуоресцентный микроскоп, который фиксирует расположение и степень свечения. Сверточная сеть обучается на изображениях с этими метками и дает на выходе не только классификацию каждой клетки, а также визуализирует процесс клеточного цикла. Классификация и визуализация являются всего лишь различными способами интерпретации результатов, поэтому строятся на основе одних и тех же выведенных закономерностях.

Архитектура сверточной нейронной сети для определения фазы клетки из статьи.

Особенностью работы данной сверточной сети является необходимость разметить только небольшую часть данных, на основании чего она далее учится размечать самостоятельно.

Идентификация раковых клеток

Другой задачей классификации клеток является обнаружение раковых клеток. Для решения этой задачи используется сверточная нейронная сеть с архитектурой VGG-16, а также трансферное обучение, то есть модель предварительно обучается на другом огромном объеме данных.

Архитектура сверточной нейронной сети для классификации раковых клеток из статьи.

Такая сверточная сеть лучше справляется с задачей классификации клеток по сравнению с экспертом-человеком, особенно на изображениях с недостаточно хорошим качеством.

Сегментация изображений

Задача сегментации изображений, полученных с микроскопа, состоит в том, чтобы аннотировать их, то есть отмечать границы объектов (клеток, ядер). Для решения этой задачи обычно используется модифицированная полносвязная сверточная сеть U-Net.

Архитектура сверточной нейронной сети U-Net из статьи.

Сеть U-Net получила широкое распространение благодаря способности последовательно распознавать как большие, так и мелкие частицы, а также устойчивости к различным условиям визуализации и наборам данных.

Улучшение качества изображений

Не всегда изображения, полученные с помощью микроскопии, имеют достаточно хорошее для дальнейшей работы качество. Сверточные сети, которые улучшают качество уже имеющихся снимков, не имеют специфичных отличий.

А вот другая интересная задача направлена сразу на получение более четких изображений. Она заключается в предсказывании положения фокуса микроскопа при покадровой съемке. Для ее решения используется сверточная сеть, состоящая из двух блоков свертки и двух полносвязных блоков.

(a) Архитектура сверточной нейронной сети для предсказывания положения фокуса микроскопа из статьи. (b) Примеры изображений с разным фокусным расстоянием.

Такая сверточная сеть показывает большую точность, чем группа людей-экспертов.

См. также

1. Компьютерное зрение
2. Сверточные нейронные сети
3. Сегментация изображений