Content-aware approach for improving biomedical image analysis: an interdisciplinary study series

Biomedicine is a highly interdisciplinary research area at the interface of sciences, anatomy, physiology, and medicine. In the last decade, biomedical studies have been greatly enhanced by the introduction of new technologies and techniques for automated quantitative imaging, thus considerably advancing the possibility to investigate biological phenomena through image analysis. However, the effectiveness of this interdisciplinary approach is bounded by the limited knowledge that a biologist and a computer scientist, by professional training, have of each other’s fields. The possible solution to make up for both these lacks lies in training biologists to make them interdisciplinary researchers able to develop dedicated image processing and analysis tools by exploiting a content-aware approach. The aim of this Thesis is to show the effectiveness of a content-aware approach to automated quantitative imaging, by its application to different biomedical studies, with the secondary desirable purpose of motivating researchers to invest in interdisciplinarity. Such content-aware approach has been applied firstly to the phenomization of tumour cell response to stress by confocal fluorescent imaging, and secondly, to the texture analysis of trabecular bone microarchitecture in micro-CT scans. Third, this approach served the characterization of new 3-D multicellular spheroids of human stem cells, and the investigation of the role of the Nogo-A protein in tooth innervation. Finally, the content-aware approach also prompted to the development of two novel methods for local image analysis and colocalization quantification. In conclusion, the content-aware approach has proved its benefit through building new approaches that have improved the quality of image analysis, strengthening the statistical significance to allow unveiling biological phenomena. Hopefully, this Thesis will contribute to inspire researchers to striving hard for pursuing interdisciplinarity.

Image analysis in the morphological and morphometric study of teeth

The subject of this doctoral dissertation concerns the definition of a new methodology for the morphological and morphometric study of fossilized human teeth, and therefore strives to provide a contribution to the reconstruction of human evolutionary history that proposes to extend to the different species of hominid fossils. Standardized investigative methodologies are lacking both regarding the orientation of teeth subject to study and in the analysis that can be carried out on these teeth once they are oriented. The opportunity to standardize a primary analysis methodology is furnished by the study of certain early Neanderthal and preneanderthal molars recovered in two caves in southern Italy [Grotta Taddeo (Taddeo Cave) and Grotta del Poggio (Poggio Cave), near Marina di Camerata, Campania]. To these we can add other molars of Neanderthal and modern man of the upper Paleolithic era, specifically scanned in the paleoanthropology laboratory of the University of Arkansas (Fayetteville, Arkansas, USA), in order to increase the paleoanthropological sample data and thereby make the final results of the analyses more significant. The new analysis methodology is rendered as follows: 1. Standardization of an orientation system for primary molars (superior and inferior), starting from a scan of a sample of 30 molars belonging to modern man (15 M1 inferior and 15 M1 superior), the definition of landmarks, the comparison of various systems and the choice of a system of orientation for each of the two dental typologies. 2. The definition of an analysis procedure that considers only the first 4 millimeters of the dental crown starting from the collar: 5 sections parallel to the plane according to which the tooth has been oriented are carried out, spaced 1 millimeter between them. The intention is to determine a method that allows for the differentiation of fossilized species even in the presence of worn teeth. 3. Results and Conclusions. The new approach to the study of teeth provides a considerable quantity of information that can better be evaluated by increasing the fossil sample data. It has been demonstrated to be a valid tool in evolutionary classification that has allowed (us) to differentiate the Neanderthal sample from that of modern man. In a particular sense the molars of Grotta Taddeo, which up until this point it has not been possible to determine with exactness their species of origin, through the present research they are classified as Neanderthal.

3-D reconstruction of the human skeleton during motion

L’analisi del movimento umano ha come obiettivo la descrizione del movimento assoluto e relativo dei segmenti ossei del soggetto e, ove richiesto, dei relativi tessuti molli durante l’esecuzione di esercizi fisici. La bioingegneria mette a disposizione dell’analisi del movimento gli strumenti ed i metodi necessari per una valutazione quantitativa di efficacia, funzione e/o qualità del movimento umano, consentendo al clinico l’analisi di aspetti non individuabili con gli esami tradizionali. Tali valutazioni possono essere di ausilio all’analisi clinica di pazienti e, specialmente con riferimento a problemi ortopedici, richiedono una elevata accuratezza e precisione perché il loro uso sia valido. Il miglioramento della affidabilità dell’analisi del movimento ha quindi un impatto positivo sia sulla metodologia utilizzata, sia sulle ricadute cliniche della stessa. Per perseguire gli obiettivi scientifici descritti, è necessario effettuare una stima precisa ed accurata della posizione e orientamento nello spazio dei segmenti ossei in esame durante l’esecuzione di un qualsiasi atto motorio. Tale descrizione può essere ottenuta mediante la definizione di un modello della porzione del corpo sotto analisi e la misura di due tipi di informazione: una relativa al movimento ed una alla morfologia. L’obiettivo è quindi stimare il vettore posizione e la matrice di orientamento necessari a descrivere la collocazione nello spazio virtuale 3D di un osso utilizzando le posizioni di punti, definiti sulla superficie cutanea ottenute attraverso la stereofotogrammetria. Le traiettorie dei marker, così ottenute, vengono utilizzate per la ricostruzione della posizione e dell’orientamento istantaneo di un sistema di assi solidale con il segmento sotto esame (sistema tecnico) (Cappozzo et al. 2005). Tali traiettorie e conseguentemente i sistemi tecnici, sono affetti da due tipi di errore, uno associato allo strumento di misura e l’altro associato alla presenza di tessuti molli interposti tra osso e cute. La propagazione di quest’ultimo ai risultati finali è molto più distruttiva rispetto a quella dell’errore strumentale che è facilmente minimizzabile attraverso semplici tecniche di filtraggio (Chiari et al. 2005). In letteratura è stato evidenziato che l’errore dovuto alla deformabilità dei tessuti molli durante l’analisi del movimento umano provoca inaccuratezze tali da mettere a rischio l’utilizzabilità dei risultati. A tal proposito Andriacchi scrive: “attualmente, uno dei fattori critici che rallentano il progresso negli studi del movimento umano è la misura del movimento scheletrico partendo dai marcatori posti sulla cute” (Andriacchi et al. 2000). Relativamente alla morfologia, essa può essere acquisita, ad esempio, attraverso l’utilizzazione di tecniche per bioimmagini. Queste vengono fornite con riferimento a sistemi di assi locali in generale diversi dai sistemi tecnici. Per integrare i dati relativi al movimento con i dati morfologici occorre determinare l’operatore che consente la trasformazione tra questi due sistemi di assi (matrice di registrazione) e di conseguenza è fondamentale l’individuazione di particolari terne di riferimento, dette terne anatomiche. L’identificazione di queste terne richiede la localizzazione sul segmento osseo di particolari punti notevoli, detti repere anatomici, rispetto ad un sistema di riferimento solidale con l’osso sotto esame. Tale operazione prende il nome di calibrazione anatomica. Nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento viene implementata una calibrazione anatomica a “bassa risoluzione” che prevede la descrizione della morfologia dell’osso a partire dall’informazione relativa alla posizione di alcuni repere corrispondenti a prominenze ossee individuabili tramite palpazione. Attraverso la stereofotogrammetria è quindi possibile registrare la posizione di questi repere rispetto ad un sistema tecnico. Un diverso approccio di calibrazione anatomica può essere realizzato avvalendosi delle tecniche ad “alta risoluzione”, ovvero attraverso l’uso di bioimmagini. In questo caso è necessario disporre di una rappresentazione digitale dell’osso in un sistema di riferimento morfologico e localizzare i repere d’interesse attraverso palpazione in ambiente virtuale (Benedetti et al. 1994 ; Van Sint Jan et al. 2002; Van Sint Jan et al. 2003). Un simile approccio è difficilmente applicabile nella maggior parte dei laboratori di analisi del movimento, in quanto normalmente non si dispone della strumentazione necessaria per ottenere le bioimmagini; inoltre è noto che tale strumentazione in alcuni casi può essere invasiva. Per entrambe le calibrazioni anatomiche rimane da tenere in considerazione che, generalmente, i repere anatomici sono dei punti definiti arbitrariamente all’interno di un’area più vasta e irregolare che i manuali di anatomia definiscono essere il repere anatomico. L’identificazione dei repere attraverso una loro descrizione verbale è quindi povera in precisione e la difficoltà nella loro identificazione tramite palpazione manuale, a causa della presenza dei tessuti molli interposti, genera errori sia in precisione che in accuratezza. Tali errori si propagano alla stima della cinematica e della dinamica articolare (Ramakrishnan et al. 1991; Della Croce et al. 1999). Della Croce (Della Croce et al. 1999) ha inoltre evidenziato che gli errori che influenzano la collocazione nello spazio delle terne anatomiche non dipendono soltanto dalla precisione con cui vengono identificati i repere anatomici, ma anche dalle regole che si utilizzano per definire le terne. E’ infine necessario evidenziare che la palpazione manuale richiede tempo e può essere effettuata esclusivamente da personale altamente specializzato, risultando quindi molto onerosa (Simon 2004). La presente tesi prende lo spunto dai problemi sopra elencati e ha come obiettivo quello di migliorare la qualità delle informazioni necessarie alla ricostruzione della cinematica 3D dei segmenti ossei in esame affrontando i problemi posti dall’artefatto di tessuto molle e le limitazioni intrinseche nelle attuali procedure di calibrazione anatomica. I problemi sono stati affrontati sia mediante procedure di elaborazione dei dati, sia apportando modifiche ai protocolli sperimentali che consentano di conseguire tale obiettivo. Per quanto riguarda l’artefatto da tessuto molle, si è affrontato l’obiettivo di sviluppare un metodo di stima che fosse specifico per il soggetto e per l’atto motorio in esame e, conseguentemente, di elaborare un metodo che ne consentisse la minimizzazione. Il metodo di stima è non invasivo, non impone restrizione al movimento dei tessuti molli, utilizza la sola misura stereofotogrammetrica ed è basato sul principio della media correlata. Le prestazioni del metodo sono state valutate su dati ottenuti mediante una misura 3D stereofotogrammetrica e fluoroscopica sincrona (Stagni et al. 2005), (Stagni et al. 2005). La coerenza dei risultati raggiunti attraverso i due differenti metodi permette di considerare ragionevoli le stime dell’artefatto ottenute con il nuovo metodo. Tale metodo fornisce informazioni sull’artefatto di pelle in differenti porzioni della coscia del soggetto e durante diversi compiti motori, può quindi essere utilizzato come base per un piazzamento ottimo dei marcatori. Lo si è quindi utilizzato come punto di partenza per elaborare un metodo di compensazione dell’errore dovuto all’artefatto di pelle che lo modella come combinazione lineare degli angoli articolari di anca e ginocchio. Il metodo di compensazione è stato validato attraverso una procedura di simulazione sviluppata ad-hoc. Relativamente alla calibrazione anatomica si è ritenuto prioritario affrontare il problema associato all’identificazione dei repere anatomici perseguendo i seguenti obiettivi: 1. migliorare la precisione nell’identificazione dei repere e, di conseguenza, la ripetibilità dell’identificazione delle terne anatomiche e della cinematica articolare, 2. diminuire il tempo richiesto, 3. permettere che la procedura di identificazione possa essere eseguita anche da personale non specializzato. Il perseguimento di tali obiettivi ha portato alla implementazione dei seguenti metodi: • Inizialmente è stata sviluppata una procedura di palpazione virtuale automatica. Dato un osso digitale, la procedura identifica automaticamente i punti di repere più significativi, nella maniera più precisa possibile e senza l'ausilio di un operatore esperto, sulla base delle informazioni ricavabili da un osso digitale di riferimento (template), preliminarmente palpato manualmente. • E’ stato poi condotto uno studio volto ad indagare i fattori metodologici che influenzano le prestazioni del metodo funzionale nell’individuazione del centro articolare d’anca, come prerequisito fondamentale per migliorare la procedura di calibrazione anatomica. A tale scopo sono stati confrontati diversi algoritmi, diversi cluster di marcatori ed è stata valutata la prestazione del metodo in presenza di compensazione dell’artefatto di pelle. • E’stato infine proposto un metodo alternativo di calibrazione anatomica basato sull’individuazione di un insieme di punti non etichettati, giacenti sulla superficie dell’osso e ricostruiti rispetto ad un TF (UP-CAST). A partire dalla posizione di questi punti, misurati su pelvi coscia e gamba, la morfologia del relativo segmento osseo è stata stimata senza identificare i repere, bensì effettuando un’operazione di matching dei punti misurati con un modello digitale dell’osso in esame. La procedura di individuazione dei punti è stata eseguita da personale non specializzato nell’individuazione dei repere anatomici. Ai soggetti in esame è stato richiesto di effettuare dei cicli di cammino in modo tale da poter indagare gli effetti della nuova procedura di calibrazione anatomica sulla determinazione della cinematica articolare. I risultati ottenuti hanno mostrato, per quel che riguarda la identificazione dei repere, che il metodo proposto migliora sia la precisione inter- che intraoperatore, rispetto alla palpazione convenzionale (Della Croce et al. 1999). E’ stato inoltre riscontrato un notevole miglioramento, rispetto ad altri protocolli (Charlton et al. 2004; Schwartz et al. 2004), nella ripetibilità della cinematica 3D di anca e ginocchio. Bisogna inoltre evidenziare che il protocollo è stato applicato da operatori non specializzati nell’identificazione dei repere anatomici. Grazie a questo miglioramento, la presenza di diversi operatori nel laboratorio non genera una riduzione di ripetibilità. Infine, il tempo richiesto per la procedura è drasticamente diminuito. Per una analisi che include la pelvi e i due arti inferiori, ad esempio, l’identificazione dei 16 repere caratteristici usando la calibrazione convenzionale richiede circa 15 minuti, mentre col nuovo metodo tra i 5 e i 10 minuti.

A skin surface characterization system based on capacitive image analysis

During the last few years, several methods have been proposed in order to study and to evaluate characteristic properties of the human skin by using non-invasive approaches. Mostly, these methods cover aspects related to either dermatology, to analyze skin physiology and to evaluate the effectiveness of medical treatments in skin diseases, or dermocosmetics and cosmetic science to evaluate, for example, the effectiveness of anti-aging treatments. To these purposes a routine approach must be followed. Although very accurate and high resolution measurements can be achieved by using conventional methods, such as optical or mechanical profilometry for example, their use is quite limited primarily to the high cost of the instrumentation required, which in turn is usually cumbersome, highlighting some of the limitations for a routine based analysis. This thesis aims to investigate the feasibility of a noninvasive skin characterization system based on the analysis of capacitive images of the skin surface. The system relies on a CMOS portable capacitive device which gives 50 micron/pixel resolution capacitance map of the skin micro-relief. In order to extract characteristic features of the skin topography, image analysis techniques, such as watershed segmentation and wavelet analysis, have been used to detect the main structures of interest: wrinkles and plateau of the typical micro-relief pattern. In order to validate the method, the features extracted from a dataset of skin capacitive images acquired during dermatological examinations of a healthy group of volunteers have been compared with the age of the subjects involved, showing good correlation with the skin ageing effect. Detailed analysis of the output of the capacitive sensor compared with optical profilometry of silicone replica of the same skin area has revealed potentiality and some limitations of this technology. Also, applications to follow-up studies, as needed to objectively evaluate the effectiveness of treatments in a routine manner, are discussed.

Reaching to a target in the 3-D space

Reaching and grasping an object is an action that can be performed in light, under visual guidance, as well as in darkness, under proprioceptive control only. Area V6A is a visuomotor area involved in the control of reaching movements. V6A, besides neurons activated by the execution of reaching movements, shows passive somatosensory and visual responses. This suggests fro V6A a multimodal capability of integrating sensory and motor-related information, We wanted to know whether this integration occurrs in reaching movements and in the present study we tested whether the visual feedback influenced the reaching activity of V6A neurons. In order to better address this question, we wanted to interpret the neural data in the light of the kinematic of reaching performance. We used an experimental paradigm that could examine V6A responses in two different visual backgrounds, light and dark. In these conditions, the monkey performed an istructed-delay reaching task moving the hand towards different target positions located in the peripersonal space. During the execution of reaching task, the visual feedback is processed in a variety of patterns of modulation, sometimes not expected. In fact, having already demonstrated in V6A reach-related discharges in absence of visual feedback, we expected two types of neural modulation: 1) the addition of light in the environment enhanced reach-related discharges recorded in the dark; 2) the light left the neural response unmodified. Unexpectedly, the results show a complex pattern of modulation that argues against a simple additive interaction between visual and motor-related signals.

Coding of reaching in 3-D space

Many psychophysical studies suggest that target depth and direction during reaches are processed independently, but the neurophysiological support to this view is so far limited. Here, we investigated the representation of reach depth and direction by single neurons in an area of the medial posterior parietal cortex (V6A). Single-unit activity was recorded from V6A in two Macaca fascicularis monkeys performing a fixation-to-reach task to targets at different depths and directions. We found that in a substantial percentage of V6A neurons depth and direction signals jointly influenced fixation, planning and arm movement-related activity in 3D space. While target depth and direction were equally encoded during fixation, depth tuning became stronger during arm movement planning, execution and target holding. The spatial tuning of fixation activity was often maintained across epochs, and this occurred more frequently in depth. These findings support for the first time the existence of a common neural substrate for the encoding of target depth and direction during reaching movements in the posterior parietal cortex. Present results also highlight the presence in V6A of several types of cells that process independently or jointly eye position and arm movement planning and execution signals in order to control reaches in 3D space. It is possible that depth and direction influence also the metrics of the reach action and that this effect on the reach kinematic variables can account for the spatial tuning we found in V6A neural activity. For this reason, we recorded and analyzed behavioral data when one monkey performed reaching movements in 3-D space. We evaluated how the target spatial position, in particular target depth and target direction, affected the kinematic parameters and trajectories describing the motor action properties.

Le variazioni anatomiche: La vera immagine dell'anatomia dell'uomo

La studio dell’Anatomia umana presenta una varietà di sfaccettature, che sono alla base della reale comprensione del corpo umano; ovvero la vera anatomia non è quella rappresentata nei testi ma quella che appare durante la dissezione o nelle più sofisticate analisi di immagine. Lo scopo di questa tesi è stato quello di rivisitare alcune situazioni vascolari che possono andare incontro a variazioni e cercare di comprendere, anche con l’aiuto della bibliografia, se tali variazioni possono essere causa o epifenomeni di patologie a carico delle arterie affette dalle variazioni stesse o di territori da esse dipendenti per l’afflusso sanguigno. E’ stata condotta una analisi su preparati cadaverici in particolare in tre distretti: a) addome e tripode celiaco/mesenterica superiore; b) circolo cerebrale; d) orco aortico.

Analisi d'immagine, patologia quantitativa e dimensione frattale in patologia veterinaria: Densita' e forme

Fino dagli albori della metodica scientifica, l’osservazione e la vista hanno giocato un ruolo fondamentale. La patologia è una scienza visiva, dove le forme, i colori, le interfacce e le architetture di organi, tessuti, cellule e componenti cellulari guidano l’occhio del patologo e ne indirizzano la scelta diagnostico-classificativa. L’osservazione del preparato istologico in microscopia ottica si attua mediante l’esame e la caratterizzazione di anomalie ad ingrandimenti progressivamente crescenti, a diverse scale spaziali, che partono dalla valutazione dell’assetto architettonico sovracellulare, per poi spostarsi ad investigare e descrivere le cellule e le peculiarità citomorfologiche delle stesse. A differenza di altri esami di laboratorio che sono pienamente quantificabili, l’analisi istologica è intrinsecamente soggettiva, e quindi incline ad un alto grado di variabilità nei risultati prodotti da differenti patologi. L’analisi d’immagine, l’estrazione da un’immagine digitale di contenuti utili, rappresenta una metodica oggettiva, valida e robusta ormai largamente impiegata a completamento del lavoro del patologo. Si sottolinea come l’analisi d’immagine possa essere vista come fase descrittiva quantitativa di preparati macroscopici e microscopici che poi viene seguita da una interpretazione. Nuovamente si sottolinea come questi descrittori siano oggettivi, ripetibili e riproducibili, e non soggetti a bassa concordanza inter operatore. La presente tesi si snoda attraverso un percorso concettuale orientato ad applicazioni di analisi d’immagine e patologia quantitativa che parte dalle applicazioni più elementari (densità, misure lineari), per arrivare a nozioni più avanzate, quali lo studio di complessità delle forme mediante l’analisi frattale e la quantificazione del pattern spaziale di strutture sovracellulari.