Non-rigid image alignment baed on a local deformation of kernel density functions

• Project/Area Number: 15K16087
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Life / Health / Medical informatics
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: Terumasa Tokunaga 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 准教授 (50614806)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000); Fiscal Year 2016: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2015: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: 統計学 / ベイズ推論 / 機械学習 / 画像処理 / データ科学 / 計算統計 / バイオイメージインフォマティクス / 非剛体イメージアライメント / 非剛体イメージレジストレーション / EMアルゴリズム / マルコフ確率場 / 医療画像処理 / 最適化 / データサイエンス / 非剛体イメージレジアライメント / データ欠損 / 位置合わせ

Outline of Final Research Achievements

Recent rapid advance of imaging techniques has produced a massive amount of imaging data in many fields, including biology and medical imaging. Image alignment ( or image registration ) is a process of transforming different set of imaging data measured at different environment into a common coordinate system. It is a core tool for analyzing fMRI, CT, MR images and other medical images. However, the existing alignment techniques often fail to aligning tubular objects ( e.g., blood vessels and neurites). In this work, we developed a new non-rigid image alignment technique based on the idea of a local deformation of kernel density functions. The proposed method begins by performing kernel density estimation to convert digital images into a continuous function. Then, the alignment problem is solved by minimizing the distance between two probability density functions based on EM algorithm. In some experiments, our method achieved a robust optimization for aligning tubular objects.

Research Products

• [Presentation] Whole neural network analysis of C. elegans using an automated image processing pipeline (2017)
  • Author(s): Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino, Ryo Yoshida
  • Organizer: International Workshop on Quantitative Biology 2017
  • Place of Presentation: 慶応義塾大学（神奈川県横浜市港北区日吉4-1-1 ）
  • Year and Date: 2017-04-14
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 線虫の中枢神経系全体の カルシウムイメージングによる神経回路メカニズムの解析 (2017)
  • Author(s): 石原健, 寺本孝行, 豊島有, 徳永旭将, ステファン・ウー, 広瀬修, 大江紗, ジャン・ム ンソン, 佐藤博文, 滝沢拓 己, 久下小百合, 岩崎唯史, 吉田亮, 飯野雄一, 石健
  • Organizer: 生命動態四拠点・CREST・ PRESTO・QBiC合同シンポジウム
  • Place of Presentation: 理化学研究所生命システム研究センター（大阪府吹田市古江台6丁目2-4）
  • Year and Date: 2017-03-17
  • Invited
• [Presentation] 生物学や環境科学周辺におけるベイズ統計の応用 (2017)
  • Author(s): 徳永旭将
  • Organizer: JSBi九州地域部会セミナー
  • Place of Presentation: 海峡メッセ下関（山口県下関市豊前田町3丁目3-1）
  • Year and Date: 2017-03-10
• [Presentation] 線虫C.elegansの頭部神経 系全体のGCaMP6fを用いた活動解析 (2016)
  • Author(s): Suzu Oe, Takumi Katsume, Takayuki Teramoto, Yu Toyoshima, Terumasa Tokunaga, Stephan Wu, Osamu Hirose, Jang Moon- Sun, Hirofumi Sato, Hiroki Takizawa, Sayuri Kuge, Yuishi Iwasaki, Ryo Yoshida, Yuichi Iino, Takeshi Ishihara
  • Organizer: 第39回日本分子生物学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜（神奈川県横浜市西区みなとみらい１丁目１－１）
  • Year and Date: 2016-11-30
• [Presentation] Whole Brain Imaging of Caenorhabditis Elegans × Machine Learning (2016)
  • Author(s): Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino, Ryo Yoshida
  • Organizer: 第5回生命医療情報学連合大会
  • Place of Presentation: 東京国際交流館プラザ平成（東京お台場）
  • Year and Date: 2016-09-26
• [Presentation] 機械学習に基づく線虫Cエレガンスの全脳イメージング解析 (2016)
  • Author(s): Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino, Ryo Yoshida
  • Organizer: 統計関連連合大会2016
  • Place of Presentation: 金沢大学（石川県金沢市角間町）
  • Year and Date: 2016-09-04
• [Presentation] Whole-brain imaging reveals the roles of gap junctions for the synchronized oscillatory (2016)
  • Author(s): Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuishi Iwasaki, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara
  • Organizer: C. elegans Topic Meeting: neurlnal development, synaptic function & behavior
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県名古屋市千種区不老町）
  • Year and Date: 2016-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Correlation clustering reveals intrinsic graph structure of whole-brain imaging data (2016)
  • Author(s): Hiromu Sakuma,Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuishi Iwasaki, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara
  • Organizer: C. elegans Topic Meeting: neurlnal development, synaptic function & behavior
  • Place of Presentation: 名古屋大学（愛知県名古屋市千種区不老町）
  • Year and Date: 2016-07-27
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A machine learning pipeline for whole brain imaging of Caenorhabditis elegans: cell tracking, quantification, annotation and visualization (2016)
  • Author(s): Stephen Wu, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Takayuki Teramoto, Yuishi Iwasaki, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino, Ryo Yoshida
  • Organizer: バイオイメージインフォマティクスワークショップ2016
  • Place of Presentation: 大阪大学（大阪府吹田市山田丘2-2）
  • Year and Date: 2016-06-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 輪郭マッチングと手続き型モデリングに基づく3Dモデルの自動生成 (2016)
  • Author(s): 本城伸隆、徳永旭将
  • Organizer: Visual Computing/グラフィックスとCAD合同シンポジウム2016
  • Place of Presentation: 早稲田大学（東京都新宿区 西早稲田1-20-14）
  • Year and Date: 2016-06-18
• [Presentation] 生物学や環境科学周辺におけるベイズ統計の応用 (2016)
  • Author(s): 徳永旭将
  • Organizer: 九州大学数理科学研究院統計数理セミナー
  • Place of Presentation: 九州大学（福岡県福岡市西区元岡744）
  • Invited
• [Presentation] A machine learning pipeline for whole brain imaging of Caenorhabditis elegans: cell tracking, quantification, annotation and visualization (2016)
  • Author(s): Stephen Wu, 徳永旭将, 広 瀬修, 豊島有, 寺本孝行, 岩 崎唯史, 石原健, 飯野雄一, 吉田亮
  • Organizer: BioImage Informatics conference 2016
  • Place of Presentation: Breakthrough & Discovery Theatrette, Level 4 Matrix, Biopolis, 30 Biopolis Street (Singapore)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 単一細胞トラッキングを用いた血管内皮細胞動態解析 (2015)
  • Author(s): 田久保 直子, 苗村 和明, 吉田 亮, 徳永 旭将, 広瀬 修, 内島 泰信, 栗原 由紀子, 栗原 祐基
  • Organizer: 第12回血管生物医学会学術集会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場
  • Year and Date: 2015-12-08
• [Presentation] Intrinsic graph structure estimation from whole-brain imaging data of C. elegans (2015)
  • Author(s): Hiromu Sakuma, Takayuki Teramoto, Sayuri Kuge, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara, Yuishi Iwasaki
  • Organizer: International Conference on Systems Biology 2015
  • Place of Presentation: Biopolis, Singapore
  • Year and Date: 2015-11-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] SPF-CellTracker: Tracking multiple cells with strongly-correlated moves using a spatial particle filter (2015)
  • Author(s): Osamu Hirose, Syotaro Kawaguchi, Terumasa Tokunaga, Yu Toyoshima, Takayuki Teramoto, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino, Ryo Yoshida
  • Organizer: BioImage Informatics 2015
  • Place of Presentation: National Institute of Standards and Technology , USA
  • Year and Date: 2015-10-14
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 血管新生における内皮細胞動態ライブイメージング (2015)
  • Author(s): 田久保 直子, 苗村 和明, 吉田 亮, 徳永 旭将, 広瀬 修, 内島 泰信, 栗原 由紀子, 栗原 裕基
  • Organizer: 第53回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 金沢大学角間キャンパス
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] SPF-CellTracker: Tracking multiple cells with strongly-correlated moves using a spatial particle filter (2015)
  • Author(s): Osamu Hirose, Syotaro Kawaguchi, Terumasa Tokunaga, Yu Toyoshima, Takayuki Teramoto, Sayuri Kuge, Takeshi Ishihara, Yuichi Iino, Ryo Yoshida
  • Organizer: GIW/InCoB 2015
  • Place of Presentation: お台場未来館
  • Year and Date: 2015-09-09
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Whole-brain imaging of C. elegans reveals multi-neuronal dynamics under non-stimulus condition (2015)
  • Author(s): 寺本 孝行, 徳永 旭将, 広瀬 修, 豊島 有, 飯野 雄一, 吉田 亮, 石原 健
  • Organizer: 第38回日本神経科学大会
  • Place of Presentation: 神戸国際会議場•神戸国際展示場
  • Year and Date: 2015-07-28
• [Presentation] Whole-brain imaging at cellular resolution reveals multi-neuronal dynamics under non-stimulus condition (2015)
  • Author(s): Takayuki Teramoto, Terumasa Tokunaga, Osamu Hirose, Yu Toyoshima, Yuichi Iino, Ryo Yoshida, Takeshi Ishihara
  • Organizer: International Worm Meeting 2015
  • Place of Presentation: UCLA, USA
  • Year and Date: 2015-06-24
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 空間粒子フィルタによる多数の細胞の同時追跡 (2015)
  • Author(s): 広瀬 修, 川口 翔太郎, 徳永 旭将, 豊島 有, 寺本 孝之, 久下 小百合, 石原 健, 飯野 雄一, 吉田 亮
  • Organizer: 第21回IBISML研究会
  • Place of Presentation: 沖縄科学技術大学院大学
  • Year and Date: 2015-06-23
• [Presentation] 空間粒子フィルタによる多細胞追跡 (2015)
  • Author(s): 広瀬 修, 徳永 旭将, 豊島 有, 寺本 孝行, 久下 小百合, 石原 健, 飯野 雄一, 吉田 亮
  • Organizer: バイオイメージインフォマティクスワークショップ2015
  • Place of Presentation: 九州大学病院キャンパス
  • Year and Date: 2015-06-18
• [Presentation] 3次元的に密集した細胞核の高精度な自動認識手法 (2015)
  • Author(s): 豊島 有, 徳永 旭将, 広瀬 修, 寺本 孝行, 張 文瑄, 久下 小百合, 石原 健, 吉田 亮, 飯野 雄一
  • Organizer: バイオイメージインフォマティクスワークショップ2015
  • Place of Presentation: 九州大学病院キャンパス
  • Year and Date: 2015-06-18