基于超像素的神經(jīng)元電鏡圖像分割算法及校驗(yàn)工具.pdf

1、腦神經(jīng)組織微觀(guān)結(jié)構(gòu)重建是探索大腦工作原理的基礎(chǔ)。為了重建腦神經(jīng)組織的微觀(guān)結(jié)構(gòu)，首先需要獲取動(dòng)物腦神經(jīng)組織樣品，然后通過(guò)電子顯微鏡(Electron Microscopy，EM)采集神經(jīng)組織的序列顯微圖像，最后結(jié)合圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)相關(guān)算法與專(zhuān)業(yè)的大規(guī)模微觀(guān)重建軟件工具對(duì)神經(jīng)組織電鏡圖像進(jìn)行處理與分析，獲得腦神經(jīng)組織的信息化表示。
　　神經(jīng)元分割是神經(jīng)組織電鏡圖像處理的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，也是神經(jīng)組織微觀(guān)重建工作中的一大難點(diǎn)。在目前已有的大

2、規(guī)模神經(jīng)組織重建工作中，通常使用結(jié)合了算法自動(dòng)分割和人工標(biāo)注軟件工具的半自動(dòng)方法進(jìn)行神經(jīng)元的分割。因此研究高精度的自動(dòng)化神經(jīng)元電鏡圖像分割算法以及開(kāi)發(fā)高效的軟件工具以降低重建過(guò)程中的人工干預(yù)程度對(duì)于快速獲得神經(jīng)組織微觀(guān)重建結(jié)構(gòu)具有十分重要的意義。
　　本文的研究基于中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所微觀(guān)重建與分析研究組搭建的神經(jīng)大數(shù)據(jù)重建與分析平臺(tái)。針對(duì)該平臺(tái)采集的神經(jīng)組織電鏡圖像特性，提出了一種基于超像素的神經(jīng)元自動(dòng)分割算法，并開(kāi)發(fā)了一套對(duì)

3、應(yīng)的人工校驗(yàn)軟件工具。其中，自動(dòng)分割算法包含了超像素生成與合并兩步。算法首先使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像中的細(xì)胞膜進(jìn)行檢測(cè)獲得細(xì)胞膜檢測(cè)概率圖;然后在細(xì)胞膜檢測(cè)概率圖的基礎(chǔ)上生成神經(jīng)元超像素，該過(guò)程主要包括概率圖的中值濾波、閾值化處理以及基于分水嶺算法的超像素生成;之后采用二叉樹(shù)結(jié)構(gòu)對(duì)神經(jīng)元超像素建立層級(jí)關(guān)系，在建立層級(jí)關(guān)系中，使用了隨機(jī)森林的監(jiān)督學(xué)習(xí)方法計(jì)算超像素之間的合并概率，作為建立層級(jí)關(guān)系的依據(jù);最后通過(guò)解析層級(jí)結(jié)構(gòu)獲得最終分割結(jié)