Light microscopy is routinely used to look at living cells and biological tissues at sub-cellular resolution. Components of the imaged cells can be highlighted using fluorescent labels, allowing biologists to investigate individual structures of interest. Given the complexity of biological processes, it is typically necessary to look at multiple structures simultaneously, typically via a temporal multiplexing scheme. Still, imaging more than 3 or 4 structures in this way is difficult for technical reasons and limits the rate of scientific progress in the life sciences. Hence, a computational method to split apart (decompose) superimposed biological structures acquired in a single image channel, i.e. without temporal multiplexing, would have tremendous impact. Here we present {\mu}Split, a dedicated approach for trained image decomposition. We find that best results using regular deep architectures is achieved when large image patches are used during training, making memory consumption the limiting factor to further improving performance. We therefore introduce lateral contextualization (LC), a memory efficient way to train deep networks that operate well on small input patches. In later layers, additional image context is fed at adequately lowered resolution. We integrate LC with Hierarchical Autoencoders and Hierarchical VAEs.For the latter, we also present a modified ELBO loss and show that it enables sound VAE training. We apply {\mu}Split to five decomposition tasks, one on a synthetic dataset, four others derived from two real microscopy datasets. LC consistently achieves SOTA results, while simultaneously requiring considerably less GPU memory than competing architectures not using LC. When introducing LC, results obtained with the above-mentioned vanilla architectures do on average improve by 2.36 dB (PSNR decibel), with individual improvements ranging from 0.9 to 3.4 dB.


翻译:浅显显微镜通常用于在子细胞分辨率下查看活细胞和生物组织。 图像细胞的部件可以用荧光标签突出显示, 让生物学家能够调查感兴趣的个别结构。 鉴于生物过程的复杂性, 通常有必要同时查看多个结构, 通常通过时间多路图方案。 然而, 由于技术原因, 以这种方式拍摄超过3或4个结构是困难的, 从而限制了生命科学的科学进步速度 。 因此, 一种将单个图像频道( 即没有时间多路转换) 获得的超强生物结构拆分的计算方法, 不会产生巨大的影响 。 在此, 我们展示了一个专门用于经过训练的图像分解的系统。 我们发现, 当在培训中使用大型图像补印时, 使记忆消耗成为限制因素, 进一步提高性能。 因此, 我们引入后地背景化( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

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