Piecewise adjacent active contours for multicellular structures in fluorescence microscopy images

Abstract

La microscopía de fluorescencia permite observar fenómenos in vivo a nivel sub-celular, celular y supra-celular, con numerosas aplicaciones en ciencias biomédicas. Al usar marcadores fluorescentes para moléculas, organelos o células específicas, es posible observar el desarrollo de tejidos, órganos o embriones animales completos. En este contexto, la segmentación de membranas adyacentes en agregados celulares es un desafío pendiente: la bicapa lipídica de las membranas es muy fina en comparación con la longitud de onda de los fotones del espectro visible, los marcadores fluorescentes de membrana entregan una señal limitada, y la dispersión de la luz combinada con la dinámica en muestras vivas resulta en señales débiles o ambiguas que impiden su localización precisa. En células vecinas las membranas se acercan y distancian; protrusiones como blebs, filopodios y lamelipodios; microvilli; y el tráfico de vesículas, producen señales dinámicas variadas que dificultan a\'un m\'as la localización. Existen muchos métodos de segmentación de membranas, pero no se enfocan en precisar la localización para membranas adyacentes. Esta tesis presenta un método basado en contornos activos paramétricos seccionados 2D que (i) detecta proximidad de contornos adyacentes, (ii) detecta secciones de contorno adyacentes, no adyacentes e intersectadas, (iii) define una polilínea como sección de contorno compartido optimizado entre dos secciones adyacentes, y (iv) conecta secciones adyacentes y no adyacentes bajo la restricción de conservar la morfología celular inicial. El método fue evaluado en imágenes de células de órgano parapineal de un embrión de pez cebra y sintéticas: detecta y corrige secciones de contorno adyacentes, no adyacentes e intersectadas, en función de una Distancia de Adyacencia d; calcula secciones compartidas para células vecinas con alteraciones mínimas de sus características, y entrega soluciones de contornos activos seccionados que preservan su morfología general. El método presentado puede usarse para mejorar algoritmos de mallas de superficie 3D, estimaciones de fuerzas, y/o seguimiento temporal. Se presentan fortalezas, limitaciones y casos extremos, y recomendaciones para aplicaciones en diferentes condiciones experimentales.