BITBLADE GROUP

FiNTA · Filament Network Tracing Algorithm

测量纤维网络。

FiNTA 逐根追踪网络中的每一条纤维,把图像变成数字:纤维长度、取向、网孔尺寸、持续长度。 图像从何而来,算法并不在意——电子显微镜、荧光、共聚焦、明场、原子力显微镜:只要纤维可见就够了。 Bitblade Group 与 FiNTA 团队 一起,把 已发表的算法 做成了可以直接使用的网页界面——上传图像、测量纤维粗细、 以报告或原始数据下载结果。

上传图像 工作原理

真实运行 · 每次追踪迭代一帧 · 扫描电子显微镜,80,000×

之前 / 之后

同一处,之前与之后

左边是电子显微镜拍出的原图。拖动分界线。

纤维网络的扫描电子显微图像,未经处理,灰度。 图像
同一幅图像,覆盖着 FiNTA 找到的红色中心线。 536 次迭代之后

图中是细胞核上方肌动蛋白皮层的肌动蛋白纤维。本次运行的纤维直径设为 4 像素,阈值 1.3 · 536 次迭代。图像下缘的标注不参与追踪。

流程

从图像到分析

01

上传图像

任何能分辨出单根纤维的图像。灰度或彩色皆可——彩色图像会在内部转成灰度, 或者您也可以有针对性地追踪某一个颜色通道

02

测量纤维粗细

在图像上横跨一根纤维拖动一次即可。好的追踪参数可以从这个数字推出来;把它取准,对结果的好坏至关重要。

沿着比例尺拖动一次还会顺带设定图像比例——此后所有结果都以真实单位而非像素给出。

03

开始追踪

运行以后台任务的形式交给 原始编译的 FiNTA 可执行程序, 而不是某个重新实现的版本。如有需要,它会同时把 每一次追踪迭代记录为一帧

04

分析与导出

图表和关键数值直接在浏览器中呈现,另有一份 PDF 报告和一个 ZIP 压缩包, 内含全部产物、日志、所用的设置文件以及 CSV 格式的数字—— 两者都可在此下载

通道选择

一幅图像,两个答案

三组,每组都出自同一幅图像:左右两边是同一张照片,只是所分析的颜色通道不同。最终测量的是什么,在这里就决定了。顺带一提,线条的颜色是可以自由选择的,与通道无关。

通道 1 · 蓝

细胞核位于蓝色通道。算法立刻找出了它们的边缘——干净、完整。这说明 FiNTA 虽然是为纤维分析而造,也可以用于别的用途。

Airyscan · 98 次迭代 · 纤维直径 7 px · 阈值 1.5
通道 3 · 红

同一幅图像,红色通道:现在追踪贯穿整个细胞的纤维结构。

Airyscan · 411 次迭代 · 纤维直径 6 px · 阈值 2.5
通道 2 · 绿

绿色通道:肌动蛋白纤维。

基底面,局部 · 346 次迭代 · 纤维直径 4 px · 阈值 4
通道 3 · 红

红色:波形蛋白纤维。

基底面,局部 · 599 次迭代 · 纤维直径 4 px · 阈值 4
通道 1 · 蓝
RPE1 · 73 次迭代 · 纤维直径 9 px · 平滑 0.7
通道 2 · 绿
RPE1 · 129 次迭代 · 纤维直径 6 px · 阈值 3.5

追踪

看着纤维被一根根找出来

七次对扫描电子显微图像的运行,追踪的每一次迭代对应一帧。红色始终是同一件事:算法截至该帧所找到的中线。只要开启动画,你自己的每一次运行都会生成同样的记录。

80.000×
Franzi_CPD_Nukleus · 25.0 kV · 图像宽度 3.38 µm · 纤维直径 4 px · 536 次迭代
80.000×
hmds_wt_RPE1 · 5.0 kV · 图像宽度 3.38 µm · 纤维直径 5 px · 325 次迭代
40.000×
Franzi_SmifH2 · 10.0 kV · 图像宽度 6.76 µm · 纤维直径 5 px · 297 次迭代
80.000×
Franzi_SmifH2 · 10.0 kV · 图像宽度 3.38 µm · 纤维直径 5 px · 325 次迭代
40.000×
RPE1wt_Ewa_GA_TA_UA · 10.0 kV · 图像宽度 6.76 µm · 纤维直径 4 px · 383 次迭代
80.000×
Franzi_wt · 10.0 kV · 图像宽度 3.38 µm · 纤维直径 4.5 px · 364 次迭代
80.000×
Franzi_wt · 10.0 kV · 图像宽度 3.38 µm · 纤维直径 5 px · 377 次迭代

六幅图像全部来自 FiNTA 团队的工作。图中嵌入的参数值是仪器写进图像的; 而各项参数取值则来自各次运行所用的设置文件。所有片段均为静音,且根本不含音轨。

无需专门仪器

不一定非得是显微镜。

无需制样,无需仪器——用相机拍一张夜景,同一个算法便画出同样的中心线, 这里用的是蓝色而不是红色。FiNTA 要求的不是某种特定的成像技术, 而是能从背景中分辨出来的纤维。

对照实验

三幅并非测量序列的图像

它们展示的不是结果,而是方法:当您把一个答案早已知晓的东西摆在它面前时会发生什么—— 以及当纤维是浅底上的黑色、而不是深底上的亮色时又会怎样。

网格

最简单的试金石

一张规则网格,斜着拍摄。这里事先就知道结果该是什么样:直线、等距、直角—— 因而一眼就能看出所选的设置是否合用。

照片 · 纤维直径 15 px · 阈值 1.3 · 184 次迭代
反相

深色纤维,浅色背景

算法寻找的是明亮的脊。天空前的树枝正好相反——因此图像在运行前被反相。 这是一项设置,而不是特殊处理。

照片 · 反相 · 纤维直径 13 px · 阈值 1.3 · 171 次迭代
1152 次迭代

完整的一次运行,未作删减

在一棵垂枝桦上跑了一千多次迭代,起点由手工设定的两个点给出,而非自动选取。 时间足够长,能看清追踪如何先抓住树干,再是粗枝,最后才是树冠边缘那片细密的枝条。

照片 · 反相 · 手工设定两个起点 · 纤维直径 3 px · 1152 帧,48 秒
以蓝色绘制

线条颜色是一项设置

这里同一个算法用蓝色作图——因为在暖色的火星上蓝色更容易看清。 红色在本页只是最常见的选择,并不是这套方法的属性。

照片,长时间曝光 · 纤维直径 4 px · 平滑 0.48 · 324 次迭代

测量量

可以读取的数据

每一项分布都以图表、表格和原始文件三种形式给出。

纤维长度

覆盖整个网络的分布,也可只统计构成闭合网孔的那些纤维。 在分支点处从多大的交角起算作一条新纤维,这个角度可以调整。 查看示例

以玫瑰图表示的取向

纤维没有头也没有尾,因此 FiNTA 把每一段连接折叠到 [0°, 180°) 之内。在线性坐标轴上,179° 与 1° 会落在两端,尽管二者几乎平行。出于同样的理由,玫瑰图上不给出平均值、中位数或主方向。查看示例

持续长度

针对整个网络,与论文中的做法一致——另外还逐根纤维给出,并对纤维长度作图。在示例运行中,整个网络的持续长度为 524 nm。

网孔与分支点

闭合网孔的面积、周长和直径,以及分支点之间的距离。查看示例

密度图

那个没有任何平均值能回答的问题:网络究竟位于图像的什么位置。平滑程度可调,色标随平滑一同变化。

追踪过程动画

每次追踪迭代一帧,转码为 H.264,可直接在任务视图中播放。 要看清追踪在哪里中断、或是在哪里抄了近路,这很有用—— 上面那些示例正是这样的记录。

论文

算法已发表——并且可以引用

算法不是我们的,而是下列作者的成果。论文完成之后,Bitblade Group 与 FiNTA 团队一起 搭建了这个网页界面——好让研究者以及其他有兴趣的人能以简便的方式使用这个软件, 不必自己编译,不必用命令行,也不必自备计算环境。计算所用的,正是该项工作中的方法,未作改动。

Flormann DAD, Schu M, Terriac E, Thalla D, Kainka L, Koch M, Gad AKB, Lautenschläger F. A novel universal algorithm for filament network tracing and cytoskeleton analysis. FASEB J. 2021 May;35(5):e21582. doi: 10.1096/fj.202100048R. PMID: 33835502.

前往论文(DOI) 在 PubMed 上 GitHub 上的源代码

导出中的引用信息

生成的每一份 PDF 报告都在每一页上带有完整的文献引用。

算法背后的团队

作者

萨尔兰大学INM — 莱布尼茨新材料研究所 (萨尔布吕肯)开发,并有来自 谢菲尔德丰沙尔的参与。 算法本身由 Moritz Schu 编写和开发;其他人的贡献列在各自姓名旁, 依照论文中的贡献声明。

Daniel A. D. Flormann
研究设计 · 指导 · 测试 · 样品与成像 · 论文撰写
Moritz Schu
算法的设计、实现与测试
Emmanuel Terriac
研究设计
Divyendu Thalla
样品与波形蛋白的 STED 成像
Lucina Kainka
样品与微管的共聚焦成像
Marcus Koch
样品与电子显微镜成像
Franziska Lautenschläger
指导 · 论文撰写

所属单位按论文中所载。 FiNTA 依GNU 通用公共许可证 v3.0发布;本网页界面对此没有任何改变。

使用入口

现在开始

您创建账户,上传您的图像,启动第一次运行——无需安装,无需命令行。本应用按租户隔离:一个工作区中的图像、运行和结果,从其他任何工作区既看不到也无法访问。

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纤维网络的扫描电子显微图像,未经处理。 图像
只有红色中心线,从图像中单独取出。 中心线
蓝色调的密度图:中心线密集之处更亮。 密度