Data-driven cell tracking and segmentation methods in biomedical imaging require diverse and information-rich training data. In cases where the number of training samples is limited, synthetic computer-generated data sets can be used to improve these methods. This requires the synthesis of cell shapes as well as corresponding microscopy images using generative models. To synthesize realistic living cell shapes, the shape representation used by the generative model should be able to accurately represent fine details and changes in topology, which are common in cells. These requirements are not met by 3D voxel masks, which are restricted in resolution, and polygon meshes, which do not easily model processes like cell growth and mitosis. In this work, we propose to represent living cell shapes as level sets of signed distance functions (SDFs) which are estimated by neural networks. We optimize a fully-connected neural network to provide an implicit representation of the SDF value at any point in a 3D+time domain, conditioned on a learned latent code that is disentangled from the rotation of the cell shape. We demonstrate the effectiveness of this approach on cells that exhibit rapid deformations (Platynereis dumerilii), cells that grow and divide (C. elegans), and cells that have growing and branching filopodial protrusions (A549 human lung carcinoma cells). A quantitative evaluation using shape features, Hausdorff distance, and Dice similarity coefficients of real and synthetic cell shapes shows that our model can generate topologically plausible complex cell shapes in 3D+time with high similarity to real living cell shapes. Finally, we show how microscopy images of living cells that correspond to our generated cell shapes can be synthesized using an image-to-image model.


翻译:生物医学成像中数据驱动的细胞跟踪和分割方法需要多样化和信息丰富的训练数据。在训练样本有限的情况下,可以使用计算机生成的合成数据集来改善这些方法。这需要使用生成模型合成细胞形状以及对应的显微镜图像。为了合成逼真的生命细胞形状,生成模型使用的形状表示应能够准确地表示细节和拓扑变化,这在细胞中很常见。这些要求不能由三维体素掩膜(3D voxel masks)满足,后者受到分辨率的限制;也不便于模拟细胞生长和有丝分裂这样的过程。在这项工作中,我们提出将活细胞形状表示为距离函数(SDF)的级集,这些函数由神经网络估计。我们优化了一个完全连接的神经网络,以提供3D+时间域中任意点的SDF值的隐式表示,该表示有条件于一个已学习的潜在代码,与细胞形状的旋转是解开的。我们证明了这种方法在展示快速变形(Platynereis dumerilii)的细胞、生长和分裂(C. elegans)的细胞以及具有生长和分支的细胞凸出(A549人类肺癌细胞)的细胞上的有效性。通过真实和合成细胞形状的形状特征、Hausdorff距离和Dice相似系数的定量评估表明,我们的模型可以生成3D+时间中具有拓扑合理的复杂细胞形状,与真实生物细胞形状相似度高。最后,我们展示了如何使用图像到图像的模型合成与我们生成的细胞形状相对应的生物显微镜图像。

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