Bio Medical Image Processing

8/2/2019 Bio Medical Image Processing

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T h e b u r d e n o n i m a g e a n a l y s t s i nm e d i c a l f i e l d s h a s l e d t o t h e a u t o m a t e dp r o c e s s i n g o f p i c t o r i a l d a t a . H e r e , ad e v i c e c a l l e d t h e c y t o c o m p u t e r s e a r c h e sf o r g e n e t i c m u t a t i o n s .

B i o m e d i c a lI m a g eP r o c e s s i n gS t a n l e y R . S t e r n b e r g , C y t o S y s t e m s C o r p o r a t i o n

A c o m p u t e r r e v o l u t i o n h a s o c c u r r e d n o t o n l y i nt e c h n i c a l f i e l d s b u t a l s o i n m e d i c i n e , w h e r e v a s t a m o u n t s

o f i n f o r m a t i o n m u s t b e p r o c e s s e d q u i c k l y a n d a c c u r a t e -

l y . N o w h e r e i s t h e n e e d f o r i m a g e p r o c e s s i n g t e c h n i q u e sm o r e a p p a r e n t t h a n i n c l i n i c a l d i a g n o s i s o r m a s s s c r e e n -i n g a p p l i c a t i o n s w h e r e d a t a t a k e t h e f o r m o f d i g i t a l i m -

a g e s . New h i g h - r e s o l u t i o n s c a n n i n g t e c h n i q u e s s u c h a sc o m p u t e d t o m o g r a p h y , n u c l e a r m a g n e t i c r e s o n a n c e , p o -

s i t r o n e m i s s i o n t o m o g r a p h y , a n d d i g i t a l r a d i o g r a p h yp r o d u c e i m a g e s c o n t a i n i n g i m m e n s e a m o u n t s o f r e l e v a n ti n f o r m a t i o n f o r m e d i c a l a n a l y s i s . B u t a s t h e s e s c a n n i n gt e c h n i q u e s b e c o m e more v i t a l t o c l i n i c a l d i a g n o s i s , t h ew o r k f o r s p e c i a l i s t s who m u s t v i s u a l l y e x a m i n e t h e r e s u l -t a n t i m a g e s i n c r e a s e s . I n many c a s e s , q u a n t i t a t i v e d a t a i nt h e f o r m o f m e a s u r e m e n t s a n d c o u n t s a r e n e e d e d t o s u p -

p l e m e n t n o n i m a g e p a t i e n t d a t a , a n d t h e m a n u a l e x t r a c -t i o n o f t h e s e d a t a i s a t i m e - c o n s u m i n g a n d c o s t l y s t e p i na n o t h e r w i s e a u t o m a t e d p r o c e s s . F u r t h e r m o r e , s u b t l ev a r i a n t s o f s h a d e a n d s h a p e c a n b e t h e e a r l i e s t c l u e s t o a

d i a g n o s i s , p l a c i n g t h e a d d i t i o n a l b u r d e n o f c o m p l e t e

t h o r o u g h n e s s o n t h e e x a m i n i n g s p e c i a l i s t .F o r t h e l a s t f i v e y e a r s , t h e U n i v e r s i t y o f M i c h i g a n a n dt h e E n v i r o n m e n t a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f M i c h i g a n h a v e

c o n d u c t e d a u n i q u e s e r i e s o f s t u d i e s t h a t i n v o l v e t h e p r o -

c e s s i n g o f b i o m e d i c a l i m a g e r y o n a h i g h l y p a r a l l e l c o m -

p u t e r s p e c i f i c a l l y d e s i g n e d f o r i m a g e p r o c e s s i n g . S y s t e m

d e s i g n e r s h a v e i n c o r p o r a t e d t h e r e q u i r e m e n t s o f e x t r a c -t i n g a v e r i f i a b l e a n s w e r f r o m a n i m a g e i n a r e a s o n a b l et i m e i n t o a n i n t e g r a t e d a p p r o a c h t o h a r d w a r e a n d s o f t -w a r e d e s i g n . T h e s y s t e m i n c l u d e s a p a r a l l e l p i p e l i n e d i m -

a g e p r o c e s s o r , c a l l e d a c y t o c o m p u t e r , a n d a h i g h - l e v e ll a n g u a g e s p e c i f i c a l l y c r e a t e d f o r i m a g e p r o c e s s i n g ,

C - 3 P L , t h e c y t o c o m p u t e r p a r a l l e l p i c t u r e p r o c e s s i n gl a n g u a g e .

T h e s e s t u d i e s h a v e i n v ol v e d a g r e a t many p e o p l e f r o m

b o t h t h e m e d i c a l a n d e n g i n e e r i n g c o m m u n i t i e s a n d h a v e

h i g h l i g h t e d t h e i n t e r d i s c i p l i n a r y a s p e c t s o f b i om e d i ca l

i m a g e p r o c e s s i n g . T h e m e t h o d s h a v e b e e n t e s t e d i n

a n a t o m y , d e v e l o p m e n t a l b i o l o g y , n u c l e a r m e d i c i n e , c a r -d i o l o g y , a n d t r a n s p l a n t r e j e c t i o n . T h e g e n e r a l c o n s e n s u s

i s t h a t q u a n t i f i c a t i o n b y a u t o m a t e d i m a ge a n a l y s i s n o t

o n l y i n c r e a s e s d i a g n o s t i c a c c u r a c y b u t a l s o p r o v i d e s

s i g n i f i c a n t d a t a n o t o b t a i n a b l e f r o m q u a l i t a t i v e a n a l y s i sa l o n e .One s t u d y i n p a r t i c u l a r , o n w h i c h d e s c r i p t i o n s i n t h i s

a r t i c l e a r e b a s e d , i n v o l v e s a j o i n t e f f o r t b y t h e U n i v e r s i t yo f M i c h i g a n ' s human g e n e t i c s a n d e l e c t r i c a l a n d c o m -p u t e r e n g i n e e r i n g d e p a r t m e n t s a n d i s s u p p o r t e d b y a

g r a n t f r o m t h e N a t i o n a l C a n c e r I n s t i t u t e . B a s i c a l l y ,a u t o m a t e d i m a g e a n a l y s i s i s b e i n g a p p l i e d v i a s o p h i s -t i c a t e d b i o c h e m i c a l a n d c o m p u t e r t e c h n i q u e s t o d e r i v ea n a c c u r a t e e s t i m a t e o f t h e m u t a t i o n r a t e f o r t h e human

s p e c i e s .

S t u d y o v e r v i e w

We a r e b e c o m i n g i n c r e a s i n g l y c o n c e r n e d a b o u t humane x p o s u r e t o e n v i r o n m e n t a l e l e m e n t s , p a r t i c u l a r l y t h o s e

a g e n t s t h a t m ay b e c a r c i n o g e n s o r m u t a g e n s . T h e l o n g -t e r m e f f e c t s o f e x p o s u r e t o c h e m i c a l p o i s o n s a n d l o w -

l e v e l r a d i a t i o n m u s t f i r s t b e q u a n t i t a t i v e l y u n d e r s t o o d

b e f o r e t h e i r u l t i m a t e c o s t s c a n b e t a ke n i n t o a c c o u n t i n

0 0 1 8 - 9 1 6 2 / 8 3 / 0 1 0 0 - 0 0 2 2 $ 0 1 . 0 0 4 1 9 8 3 I E E E2 COMPUTER



t h e p o l i t i c a l p r o c e s s o f t h e i r c o n t r o l . As a s t e p i n q u a n t i -f y i n g t h e i m p a c t o f m u t a g e n i c a g e n t s o n human p o p u l a -t i o n s , t e c h n i q u e s a r e b e i n g d e v e l o p e d t o d e t e c t m u t a t i o na n d t o e s t i m a t e t h e m u t a t i o n r a t e i n s a m p l e p o p u l a t i o n s .

I n t h e s t u d y o f hu m a n m u t a t i o n r a t e a t t h e U n i v e r s i t yo f M i c h i g a n , p l a c e n t a l c o r d b l o o d s a m p l e s a r e c o l l e c t e df r o m n e w b o r n s a s a r e v e n o u s s a mp l e s f r o m t h e i r m o t h e r sa n d f a t h e r s . S a m p l e s o f l y m p h o c y t e s , r e d b l o o d c e l lm e m b r a n e s , r e d b l o o d c e l l c o n t e n t s , a n d b l o o d p l a s m aa r e b e i n g s u b j e c t e d t o 2 - D g e l e l e c t r o p h o r e s i s . A m u t a -t i o n i s i n d i c a t e d w h e n a v a r i a n t o f a n i d e n t i f i e d p r o t e i na p p e a r s i n a c h i l d t h a t i s n o t p r e s e n t i n e i t h e r p a r e n t . T h ec h a l l e n g e i s t o d e v e l o p t h a t c o m b i n a t i o n o f s p e c i m e n sa n d t e c h n i q u e s t h a t w i l l y i e l d t h e g r e a t e s t a m o u n t o f i n -f o r m a t i o n a b ou t m u t a t i o n p e r u n i t o f e f f o r t .

F o r t h e l a s t 3 6 y e a r s , g e n e t i c i s t J . V . N e e l o f t h eU n i v e r s i t y o f M i c h i g a n S c h o o l o f M e d i c i n e h a s s t u d i e dg e r m c e l l m u t a t i o n s i n r a d i a t i o n - e x p o s e d J a p a n e s e p o p u -l a t i o n s . " 1 2 U s i n g b i o c h e m i c a l m e t h o d s t o d e t e c t p r o t e i nv a r i a n t s a t a c e l l u l a r l e v e l , t h e a p p r o a c h w a s a i m e d a td e t e c t i n g s i n g l e a m i n o a c i d s u b s t i t u t i o n s i n a c h i l d ' s p r o -

t e i n s t h a t h a v e b e e n c a u s e d b y m u t at i o ns o f p a r e n t ' s o v ao r s p e r m g e r m c e l l s . R e c e n t l y , 2 - D e l e c t r o p h o r e s i s s y s -t e m s i n w h i c h c e l l u l a r p r o t e i n s a r e a u t o m a t i c a l l y m a p p e da c c o r d i n g t o b o t h t h e i r m o l e c u l a r w e i g h t a n d m o l e c u l a rc ha rg e h a v e b e en d e v e l o p e d . T h e 2 - D g e l e l e c t r o p h o r e s i ss y s t e m i s s u f f i c i e n t l y s e n s i t i v e t o d e t e c t p r o t e i n c h a r g ec h a n g e s c a u s e d b y s i n g l e a m i n o a c i d s u b s t i t u t i o n s . T h es i g n i f i c a n t a d v a n t a g e o f t h e 2 - D g e l s y s t e m o v e r o t h e rb i o c h e m i c a l m e t h o d s i s t h a t many p r o t e i n s a r e t r e a t e d i np a r a l l e l o n a s i n g l e g e l , e a c h p r o t e i n a p o t e n t i a l c a n d i d a t ef o r m u t a t i o n . B y c o n t r a s t , t r a d i t i o n a l m e t h o d s o f e s t i -m a t i n g m u t a t i o n r a t e h a v e r e l i e d o n t h e a p p e ar a n c e o fc o n g e n i t a l d e f e c t s , s t i l l b i r t h s , a n d i n f a n t s u r v i v a l r a t e s ,a l l o f w h i c h s e v e r e l y l i m i t t h e s i z e o f s a m p l e p o p u l a t i o n s .

T h e m e t h o d o f s e p a r a t i n g p r o t e i n s i n t w o d i m e n s i o n so n a p o l y a c r i l i m i d e g e l m e d i u m i s d u e m a i n l y t o O ' F a r -r e l l , 3 w i t h s u b s t a n t i a l i m p r o v e m e n t s t o t h e m e t h o d b yA n d e r s o n a n d A n d e r s o n . 4 F i r s t , t h e c e l l u l a r m a t e r i a l ,u s u a l l y b l o o d , i s f r a c t i o n a t e d i n t o d i f f e r e n t c e l l t y p e s b yc e n t r i f u g i n g . S e p a r a t i o n i n t h e f i r s t g e l d i m e n s i o n i s b yi s o e l e c t r i c f o c u s i n g i n w h i c h t h e p r o t e i n s a r e s e p a r a t e do n t h e b a s i s o f t h e i r m o l e c u l a r c h a r g e , o r t h e i r i s o e l e c t r i cp o i n t . S e p a r a t i o n i n t h e s e c o n d d i m e n s i o n i s d o n e b ye l e c t r o p h o r e s i s a f t e r t h e p r o t e i n s h a v e b e e n t r e a t e d b y ad e t e r g e n t t h a t m a s k s t h e p r o t e i n s ' m o l e c u l a r c h a r g e a n dp e r m i t s e l e c t r o p h o r e s i s t o r e s o l v e p r o t e i n s o n t h e b a s i s o ft h e i r m o l e c u l a r w e i g h t s . A t t h e e n d o f t h e s e c o n d s t e p ,

e a c h p r o t e i n h a s m i g r a t e d t o a p o s i t i o n ( x , y ) o n t h e 2 - Dg e l , w h e r e x r e f l e c t s t h e m o l e c u l a r c h a r g e ( p H ) o f t h ep r o t e i n a n d y r e f l e c t s i t s m o l e c u l a r w e i g h t . To s e e t h ep r o t e i n s i n t h e g e l a n d p e r f o r m q u a l i t a t i v e a n d q u a n -t i t a t i v e a n a l y s i s , t h e p r o t e i n s a r e e i t h e r r a d i o a c t i v e l yl a b e l e d d u r i n g t h e i r s y n t h e s i s a n d d e t e c t e d b y a u t o r a d i -o g r a p h y o r s t a i n e d a t t h e e n d o f e l e c t r o p h o r e s i s . T h e i n -d i v i d u a l p r o t e i n s a p p e a r o n t h e s t a i n e d g e l o r a u t o r a d i o -g r a m a s s p o t s o f d i f f e r e n t s i z e a n d i n t e n s i t y . T h e i n -t e g r a t e d d e n s i t y o f e a c h s p o t i s p r o p o r t i o n a l t o t h ea m o u n t o f a g i v e n p r o t e i n i n t h e s a m p l e . F i g u r e I i l -l u s t r a t e s a s i l v e r - s t a i n e d 2 - D e l e c t r o p h o r e t i c g e l .

T h e c y t o c o m p u t e r : a b i o m e d i c a l i m a g ep r o c e s s i n g t o o l

D e v e l o p m e n t a n d u s e . I n t h e U n i v e r s i t y o f M i c h i g a nm u t a t i o n r a t e s t u d y , my c o l l e a g u e s a n d I ar e s e e k i n g rare

e v e n t s - o n l y o n e m u t a t i o n w i l l occur i n 1 0 0 , 0 0 0s a m p l e s - a n d t h o u s a n d s o f m o t h e r , f a t h e r , a n d c h i l dg e l t r i o s m u s t b e e x a m i n e d s p o t b y s p o t f o r v a r i a t i o n s i n

p r o t e i n p a t t e r n s . T h i s t e d i o u s t a s k i s c l e a r l y b e s t s u i t e d t oc o m p u t e r i z e d v i s u a l c o m p a r i s o n r a t h e r t h a n hu m a n v i -s i o n a l o n e . ( F o r more on computer a n a l y s i s o f 2 - D e l e c -t r o p h o r e t i c g e l s i n g e n e r a l , s e e S k o l n i c k e t a l . 5 )

S e a r c h i n g f o r a r a r e p r o t e i n m u t a t i o n i n a l a r g e num-b e r o f g e l s r e q u i r e s t h a t p r o c e s s i n g b e very f a s t a n d t h a to p e r a t o r i n t e r a c t i o n b e r e q u i r e d o n l y i f a m u t a t i o n i ss u s p e c t e d . F o r t h i s reason, we h a v e d i r e c t e d e f f o r t s t o t h ei m p l e m e n t a t i o n o f h i g h l y a u t o m a t e d g e l p r o c e s s i n g on a

s p e c i a l - p u r p o s e computer c h a r a c t e r i z e d b y a l a r g ec a p a c i t y f o r p a r a l l e l p r o c e s s i n g . T h e c y t o c o m p u t e r ,w h i c h wa s d e v e l o p e d a t t h e E n v i r o n m e n t a l R e s e a r c h I n -s t i t u t e o f M i c h i g a n , r u n s p r o g r a m s t h a t a p p l y sequences

o f n e i g h b o r h o o d t r a n s f o r m a t i o n s t o d i g i t i z e d g e l i m a g e s .

C y t o c o m p u t e r i m a g e p r o ce s s in g o p e r at i o n s are b a s e d ont h e c o n c e p t s o f c e l l u l a r auto m ata. E v e r y c e l l o r p i c t u r ee l e m e n t ( p i x e l ) o f a n i m a g e i s s u b j e c t e d t o a n i d e n t i c a l s e -

q u e nc e o f t i m e - d i s c r e t e t r a n s f o r m a t i o n s , t h e t r a n s -

f o r m e d v a l u e o f a p i x e l b e i n g d e t e r m i n e d b y t h e v a l u e s o fa f i n i t e g r o u p o f c e l l s t h a t make up i t s " n e i g h b o r h o o d . "E a c h n e i g h b o r h o o d t r a n s f o r m a t i o n i s p e r f o r m e d i n a n

i n d i v i d u a l cytocomputer p r o c e s s i n g e l e m e n t r e f e r r e d t o

a s a p r o c e s s i n g s t a g e .

A c y t o c o m p u t e r i s a s e r i a l p i p e l i n e o f p r o g r a m m a b l ep r o c e s s i n g s t a g e s , i n w h i c h e a c h s t a g e p e r f o r m s a s i n g l e

F i g u r e 1 . T w o - d i m e n s i o n a l s i l v e r - s t a i n e d e l e c t r o p h o r e t i cg e l o f r e d b l o o d c e l l c o n t e n t s . T h e s p o t s a r e i n d i v i d u a lp r o t e i n s , s p a t i a l l y s e p a r a t e d a c c o r d i n g t o t h e i r m o l e c u l a rw e i g h t v e r t i c a l l y a n d m o l e c u l a r c h a r g e h o r i z o n t a l l y .P r e p a r e d b y B a r n e t t R o s e n b l u m o f t h e U n i v e r s i t y o fM i c h i g a n .

J a n u a r y 1 9 8 3 2 3



t r a n s f o r m a t i o n o f t h e p r oc e s s in g s e q u e n c e o n a n e n t i r ei m a g e . I m a g e s a r e e n t e r e d i n t o a c y t o c o m p u t e r i n a l i n e -s c a n n e d f o rm a t a n d p r o g r e s s t h r o u g h t h e p i p e l i n e o f p r o -

c e s s i n g s t a g e s a t a r e a l - t i m e r a t e . F o l l o w i n g a n i n i t i a ld e l a y t o f i l l t h e p i p e l i n e , i m a g e s c a n b e p r o c e s s e d a t t h e

s a m e r a t e t h e y a r e s c a n n e d .D i g i t a l i m a g e s a n d c e l l u l a r a u t o m a t a h a v e a co m m o n

c o n c e p t u a l f r a m e w o r k . E a c h p i x e l o f a d i g i t a l i m a g e c a n

b e t h o u g h t o f a s a c e l l i n a g i v e n s t a t e . I f we d e f i n e an e i g h b o r h o o d a n d a c e l l t r a n s i t i o n f u n c t i o n o n a d i g i t a li m a g e , t h e n we c a n a p p l y t h e t r a n s i t i o n f u n c t i o n t om o d i f y o r t r a n s f o r m t h e c o n f i g u r a t i o n o f c e l l s t a t e s i n t onew c o n f i g u r a t i o n s . Of c r i t i c a l i m p o r t a n c e t h e n i sw h e t h e r n e i g hb o r h o o d s a n d t r a n s i t i o n f u n c t i o n s e x i s tt h a t w i l l c a u s e i m a g e s t o b e t r a n s f o r m e d i n a p r e d i c t a b l ea n d u s e f u l m a n n e r when s u b j e c t e d t o l o n g s e q u e n c e s o f

n e i g h b o r h o o d o p e r a t i o n s .T h e i m a g e p r o c e s s i n g l a n g u a g e we a r e i n v e s t i g a t i n g

d i f f e r s f r o m c o n v e n t i o n a l a p p r o a c h e s i n t h a t t h e b a s i cm a n i p u l a t i v e u n i t i s p i c t o r i a l a n d o p e r a t i o n s d e a l w i t h

i m a g e s a s w h o l e s . I m a g e p r o c e s s i n g i s t r e a t e d a s a c o m -p u t a t i o n i n v o l v i n g i m a g e s a s v a r i a b l e s i n a l g e b r a i c e x -

p r e s s i o n s . T h e s e e x p r e s s i o n s m ay c o m b i n e s e v e r a l i m a g e st h r o u g h b o t h l o g i c a l a n d g e o m e t r i c a l r e l a t i o n s h i p s .

A r c h i t e c t u r e . C y t o c o m p u t e r o p e r a t i o n s a r e i m p l e -

m e n t e d i n h i g h l y e f f i c i e n t c e l l u l a r c o m p u t e r a r c h i t e c -t u r e s , a n d t h e c o m p u t a t i o n s a r e v e r y f a s t . The C y t o I

c y t o c o m p u t e r e x e c u t e s 1 4 0 m i l l i o n n e i g h b o r h o o d o p e r a -

t i o n s p e r s e c o n d i n a n 8 8 - s t a g e p i p e l i n e . I m a g e p r o c e s s -i n g a l g o r i t h m s a r e c o n s t r u c t e d a s w e l l - f o r m e d s t r i n g s o f

p r i m i t i v e s t h a t a r e e i t h e r v a r i a b l e s r e p r e s e n t i n g i m a g e s o r

i m a g e o p e r a t i o n s . T h e i m a g e b e i n g p r o c e ss e d i s r e f e r r e dt o a s t h e a c t i v e i m a g e . O t h e r i m a g e s r e f e r r e d t o i n a n

i m a g e - a l g e b r a i c e x p r e s s i o n a r e c a l l e d s t r u c t u r i n g e l e -m e n t s . I n a n i m a g e p r o c e s s in g a l g o r i t h m, we c a n m o d i f y

t h e a c t i v e i m a g e b y p r o b in g i t w i t h s t r u c t u r i n g e l e m e n t so r c o m b i n i n g i t w i t h o t h e r a c t i v e i m a g e s .

T h e n e i g h b o r h o o d i n a c e l l u l a r s p a c e d e t e r m i n e s t h es e t o f s t r u c t u r i n g e l e m e n t s t h a t c a n b e e m p l o y e d i n as i n g l e n e i g h b o r h o o d t r a n s f o r m a t i o n . E a c h p i x e l o f ad i g i t a l i m a g e b e l o n g s t o a window o f p i x e l s c o m p o s e d o f

t h e g i v e n p i x e l a n d i t s n e i g h b o r s . A l l s t r u c t u r i n g e l e m e n t s

u s e d i n a n e i g h b o r h o o d t r a n s f o r m a t i o n m u s t b e s u b -

i m a g e s o f t h e w i n d o w .C o n s i d e r a t w o - d i m e n s i o n a l c e l l u l a r a r r a y , w h e r e e a c h

c e l l o f t h e l a t t i c e h a s c o n n e c t i o n s w i t h a f i n i t e c o l l e c t i o no f o t h e r c e l l s t h a t ma ke u p i t s i n p u t . T h e g e o m e t r i c p a t -t e r n o f t h e c e l l s i n p u t t o a g i v e n c e l l i s t h e s a m e a s t h e p a t -t e r n o f t h e p o i n t s i n t h e n e i g h b o r h o o d . F i g u r e 2 i l l u s -t r a t e s a c e l l u l a r a r r a y w i t h t h e c o n n e c t i o n p a t t e r n f o r a3 x 3 window c o n f i g u r a t i o n . I n F i g u r e 3 , e a c h c e l l o f t h e

a r r a y c o n s i s t s o f a r e g i s t e r f o r s t o r i n g t h e s t a t e o f t h e c e l la n d a t r a n s i t i o n m o d u l e t h a t c o m p u t e s t h e n e w v a l u e o f

t h e c e l l s t a t e a s a f u n c t i o n o f t h e s t a t e s o f t h e c e l l s i n t h e

w i n d o w . When a co m m o n c l oc k p u ls e i s a p p l i e d t o e a c h

c e l l i n t h e a r r a y , a l l c e l l s t a t e r e g i s t e r s p a s s f r o m t h e i rp r e v i o u s s t a t e t o a n e w s t a t e a s d e t e rm i n e d b y t h e p r o -

g r a m m i n g o f t h e t r a n s i t i o n l o g i c m o d u l e .A l t h o u g h d i g i t i z e d b i o m e d i c a l i m a g e d i me n s i o n s c a n

o f t e n e x c e e d 1 0 0 0 x 1 0 0 0 p i x e l s , t h e l a r g e s t a r r a y s y e tp r o d u c e d a r e o n l y o n t h e o r d e r o f l O O x 1 0 0 . ( S e eP o t t e r ' s a r t i c l e o n t h e MPP i n t h i s i s s u e . ) L a r g e i m a g e s

m u s t b e p a r t i t i o n e d i n t o i m a g e s e g m e n t s , a n d e a c h s e g -m e n t p r o c e s s e d i n t u r n . H o w e v e r , s e g m e n t b o r d e r e f f e c t sp r o p a g a t e i n t o t h e s e g m e n t w h e n m u l t i p l e n e i g h b o r h o o d

t r a n s f o r m a t i o n s a r e a p p l i e d , n e c e s s i t a t i n g e x t r e m e l y

c o s t l y a n d t i m e - c o n s u m i n g I / 0 h a r d w a r e a n d s o f t w a r e

s u b s y s t e m s f o r r a p i d s e g m e n t s w a p p in g . T h e p r o b l e m i sr e m e d i e d i n t h e p i p e l i n e a r c h i t e c t u r e w h e r e p a r a l l e l i s m o f

i m a g e o p e r a t i o n s i s u s e d i n s t e a d o f p i x e l p a r a l l e l i s m .( D a n i e l s s o n a n d L e v i a l d i g i v e a g o o d r e v i e w o f i m a g ep r o c e s s o r a r c h i t e c t u r e s . 6 )A c y t o c o m p u t e r c o n s i s t s o f a s e r i a l p i p e l i n e o f c o m -

m o n l y c l o c k e d n e i g h b o r h o o d p r o c e s s i n g s t a g e s ( F i g u r e4 ) . 7 S h i f t r e g i s t e r s w i t h i n e a c h s t a g e s t o r e t w o c o n t i g u o u s

F i g u r e 2 . A r r a y s i m i l a r t o c e l l u l a r automata o f i d e n t i c al c e l l s c o n- F i g u r e 3 . C e l l u l a r a r r a y block d i a g r a m . I n p u t s f r o m

n e c t e d t o t h e i r n e a r e s t n e i g h b o r f o r i t e r a t i v e n e i g h b o r h o o d process- n e i g h b o r h o o d c e l l s fo r m t h e ad d re s s t o a RAM l o o k u pi n g o f d i g i t a l i m a g e s . t a b u l a t i o n o f t h e n e i g h b o r h o o d t r a n s i t i o n f u n c t i o n .

I N P U T S

C L O C K

?#"\NI\pl " ~ A ' *

2 4 COM PUTER



D I S C A R D 7

F i g u r e 4 . Cytocomputer b l o c k d i a g r a m . 7 S e r p e n t i n e s h i f t r e g i s t e r d e l a y s i n e a c h s t a g e s e r i a l l y c o n f i g u r en e i g h b o r h o o d i n p u t s t o t h e n e i g h b o r h o o d l o g i c m o d u l e . A p i p e l i n e o f K s t a g e s e x e c u t e s a K s t e p n e i g h b o r h o o d p r o -c e s s i n g a l g o r i t h m i n r e a l t i m e . ( C op y r ig h t I E E E , 1 9 8 1 . )

n p i x e l s c a n l i n e s , a n d w i n d o w r e g i s t e r s h o l d t h e n i n e

n e i g h b o r h o o d p i x e l s t h a t c o n s t i t u t e t h e 3 x 3 i n p u t t o t h en e i g h b o r h o o d t r a n s i t i o n l o g i c m o d u l e . A l l n e i g h b o r -

h o o d t r a n s f o r m a t i o n s a n d d a t a t r a n s f e r s a r e c o m p u t e dwi t h i n a s i n g l e c l o c k p e r i o d . I n e a c h d i s c r e t e c l o c k

p e r i o d , a new p i x e l i s c l o c k e d i n t o t h e s t a g e , a n d s i m u l -t a n e o u s l y t h e c o n t e n t s o f a l l s h i f t r e g i s t e r d e l a y s a r e

s h i f t e d b y o n e e l e m e n t . I n a d d i t i o n , o p e r a t i o n s t h a t d on o t i n v o l v e t he s t a t e s o f t h e p i x e l ' s n e i g h b o r s , s u c h a sg r a y - v a l u e s c a l i n g a n d b i t s e t t i n g , a r e p e r f o r m e d i n a

s e p a r a t e p o i n t t r a n s i t i o n l o g i c m o d u l e t o s i m p l i f y t h e

n e i g h b o r h o o d t r a n s i t i o n l o g i c c i r c u i t . B e c a u s e s t a g e i n -p u t a n d o ut p u t o c c u r a t t h e s a m e r a t e , s t a g e s c a n b e

c a s c a d e d , w i t h a l l s t a g e s o p e r a t i n g i n p a r a l l e l . We c a n

v i s u a l i z e a s e r i e s o f 3 x 3 w i n d o w s f o l l o w i n g e a c h o t h e r

a c r o s s t h e i m a g e , e a c h p r o c e s s i n g t h e p r e v i o u s s t a g e ' so u t p u t a s s h o w n i n F i g u r e 5 .

T r a n s f o r m a t i o n s i m p l e m e n t e d i n a c y t o c o m p u t e rs t a g e f a l l i n t o t w o m a i n c a t e g o r i e s . I n t h e f i r s t , c a l l e d t h e

s i l h o u e t t e , o r 2 - D , t r a n s f or m at i o n, i m a g e a l g e b r a o p e r a -

t i o n s a r e a p p l i e d t o p l a n a r b i n a r y i m a g e s . I n t h e s e c o n d ,

c a l l e d t h e u m b r a , o r 3 - D , t r a n s f o r m a t i o n t h e s a m e s e t o fo p e r a t i o n s a r e p e r f o r m e d o n g r a y - s c a l e i m a g e s , w h e r et h e g r a y v a l u e r e p r e s e n t s t h e b r i g h t n e s s o f a p i c t u r e p o i n to r i t s h e i g h t a b o v e a n a r b i t r a r y r e f e r e n c e p l a n e . I n umbrat r a n s f o r m a t i o n s t h e s t r u c t u r i n g e l e m e n t s a r e u m b r a s o f

s u b i m a g e s i n a 3 x 3 x 3 w i n d o w .

F i g u r e 5 . C y t o c o m p u t e r s t a g e wi n d ows s e q u e n t i a l l y s c a n n i n g a c r o s s

a d i g i t a l i m a g e . T h a t p o r t i o n o f t h e image p r o c e s s e d b y t h e i t h s t a g e i si m m e d i a t e l y a v a i l a b l e f o r p r o c e s s i n g b y t h e ( i + 1 ) t h s t a g e .

J a n u a r y 1 9 8 3

STAIE PSTAGE / S T A G EI N P U T K-/J OOUTPUT

2 5



00

O O O O O 0 0 1 1 1 0 0 0

OO00 10 0 0 0 0

0,1111111 00000100000 0 0 0 0 0 0 1 0000 0 0 0 0 0

o 0l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 110 0

O0 01 1 1 1,111 1 1 1 11,0

0 0 0 0 1 100 0001 1 111 0 0 0 0 0

0 0 1ii0 0 1110 0 00

00000 0 0 0 0 0 0 0

000J00 0 0 00000

rJLi 000

( a ) S i l h o u e t t e o f g e l s p o t s ( b i n a r y i m a g e A )

o o

0000o

O O O O O O O O 0 r 0 00 0 00 O O 0000j0 0

0 0 000 0 0 00I00

O O 0 0 U O O j 1 1 1 -°-0O ° °°°°

0 o i0r 0 0 0lS O O 0 1 1 1, 0 00 00 - j

r' r -

0 0 0 O O 0 O 1OOO

0 0000 -

000

o0L oo J 0o o o o o

o o 1 o o o o

( b ) R e s u l t a f t e s e c o n dr o s i o n[Abinryimg

C =(A 1)QB2. 0J°

( b ) R e s u l t o f f t e r s t c nr o s i o nA G ) r i m a g e

C=(A1)@B21

o o o o o o o

o o 1 1 1 o o

o 0 o 1 11 0 0

o o 1 11 o o

B l

0

o 1 1

0

000

B2

( d ) N e i g h b o r h o o d e l e m e n t s .

0

0

0 0 0

o 0 1 o 10 0 o 1 I 0 0

oTJOo0 0 0

0

01$00

L0

0 0 0 0 0

0

( e ) D i l a t i o n o f b i n a r y i m a g e C b y f i r s tn e i g h b o r h o o d e l e m e n t C ( B 2 .

0 0

0000 01 0

0 0 O 1 i l l l 1 1 1 1 :1 1 J 111 1 0l L1J 0

~ 1 1

00 1 1~ 0

r 0 0 i L 1 r 1 L - I

L i roO

0

0 01 1 1 j 1 1 0 0 000000 00 0

000 000000

0

0

0

( f ) D i l a t i o n b y s e c o n d n e i g h b o r h o o d e l e m e n t

( C ( 3 B 2 ) ( j ® B 1

00

000000 0 0110 0 00001 0 111 11110 0

ooo 0 0 0 01100 0 0 0

0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0

o o o _ o 1 1 1 1 1 o o 1 1 1 1 1 1 1 1 ° 1 o o o oO O000 0 0

11

1110

0 0 0 0

O § J O O O0 1 1 10 O O O

0 0 0 0000

00 0

; ) T h e o p e n i n g , A ( B I + ) B 2 ) ' o f t h e o r i g i n a l .

F i g u r e 6 . T h e m o r p h o l o g i c a l o p e r a t i o n s , e r o s i o n , d i l a t i o n , a n d o p e n i n g , i l l u s t r a t e d on a b i n a r y e x a m p l e o f e l e c -t r o p h o r e t i c g e l s p o t s . T h e p r o c e s s o f o p e n i n g s e p a r a t e s t h e two c o n n e c t e d s p o t s a n d c l e a n s t h e m .

COMPUTER2 6



Image p r o c e s s i n g l a n g u a g e :t h e p r o c e s s i n g l i n k

The common t h r e a d i n a l l b i o l o g i c a l image p r o c e s s i ng

w i t h cytocomputers i s t h e b e l i e f t h a t f o r m s e n c o u i n t e r e d

a n d r e c o r d e d i n b i o l o g y a n d m e d i c i n e ca n b e d e s c r i b e d i n

s t a n d a r d terms, o r s t r u c t u r i n g e l e m e n t s . Th e s t r u c t u r i n g

e l e m e n t p r o b e s t h e i mage, a n d i n t h e pr oces s , t r a n s f o r m s

i t . Th e t r a n s f o r m e d x a l u e o f a p i x e l i n d i c a t e s t h e f i t o ft h e p r o b e as a p p l i e d t o t h e i m a g e a t t h a t p o i n t .

N M a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g y i s t h a t p a r t o f i m a g e p r o -

cessing c o n c e r n e d w v i t h i m a g e a n a l y N s i s b y s t r u c t u r i n g

e l e m e n t s . Th e C e n t e r f o r G e o s t a t i s t i c s a n d M a t h em a t i c a l

M o r p h o l o g y o f t h e E c o l e d e s M i n e s i n F o n t a i n e b l e a u ,

F r a n c e , h a s b e e n a t r a d i t i o n a l s o u rce o f E u r o p e a n i m a g e

a n a l y s i s e x p e r t i s e f o r more t h a n 1 5 y e a r s . M a t h e m a t i c a l

m o r p h o l o g y g rew out o f t h e e a r l y w o r k o f H . M l i n k o w -

s k i , 8 who u s e d d i l a t i o n t o o b t a i n a ppr o pr i a te m e a s u r e s

on t h e parameters o f c e r t a i n i l l - b e h a v e d s e t s . I a t e r , t h e

e q u i v a l e n c e o f s e t s a n d b i n a r y i m a g e s l e d t o t h e d i r e c t a p -

p l i c a t i o n o f i n t e g r a l geometry t o p r o b l e m s o f estimating

u n d e r l y i n g p h y s i c a l pa r a me te r s f r o m s a m p l e s i n t h e i m -

a ge f o r m .M a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g v e n t e r e d t h e modern er a

t h r o u g h t h e w o r k o f G . M a t h e r o n 9 a n d J . S e r r a t o o f t h e

E c o l e d e s M i n e s . M o t i x a t e d b y p r o b l e m s i n mining e s t i -

m a t i o n , M a t h e r o n a n d S e r r a no t o n l y f o r m u l a t e d t h emodern concepts o f m o r p h o l o g i c a l image t r a n s f o r m a -

t i o n s b u t a l s o d e s i g n e d a n d b u i l t a s o p h i s t i c a t e d image

a n a l y z e r , t h e T e x t u r e A n a l y z e r S y s t e m , 1 t f o r s t u d y i n g

m i n e r a l o g i c a l s a m p l e s .

Th e p r o c e s s i n g o f a n i m a g e b y n m a t h e m a t i c a l mor-

p h o l o g y i s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 6 a , w h i c h i s a b i n a r y

s i l h o u e t t e x i s u a l i z e d as a t o p o g r a p h i c s l i c e at constant

gray l e v e l w i t h i n a g e l s e c t i o n containing t w ' o c l o s e l y a d -

j a c e n t s p o t s . Th e seq uence o f n e i p h b o r h o o d t r a n s f o r m a -

t i o n s i n v o l x e d i s d i v i d e d i n t o a s u b s e q u e n c e o f e r o s i o n s

f o l l o w e d by a s u b s e q u e n c e o f d i l a t i o n s . H e n c e ,m a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g y i s u s e f u l i n i s o l a t i n g a n d f i l -

t e r i n g i n d i v i d u a l s p o t s .

A two-step e r o s i o n s e q u e n c e i s s h o w n i n F i g u r e s 6 b

a n d 6 c . The n e i g h b o r h o o d t r a n s f o r m a t i o n r u l e a p p l i e d

i n g o i ng f r o m 6 a t o 6 b i s s i m p l y t o s e t any p i x e l t o 0 i f a n y

c e l l i n i t s n i n e - c e l l w i n d o w i s 0-the "ANDing" o f a l l t h e

c e l l s in t h e ' w i n d o w . The t r a n s i t i o n r u l e u s e d i n t h e

t r a n s f o r m a t i o n f r o m F i v u r e 6 b t o 6 c i s s i m i l a r e x c e p t t h a t

o nl y t h e f o u r e d g e - c o n n e c t e d p i x e l s a n d t h e i r c e n t e r ar e

t e s t e d . T h e s e two t r a n s f o r m a t i o n c o n d i t i o n s a r e i l l u s -t r a t e d i n F i g u r e 6 d as s t r u c t u r i n g e l e m e n t s B l a n d B 2 ,

r e s p e c t i v e l y . We ca n s a y t h a t t h e b i n a r y i m a g e o f F i g u r e

6 a , w h i c h we d e n o t e A , h a s b e e n s u c c e s s i v e l y e r o d e d b ys t r u c t u r i n g e l e m e n t s B l a n d B2 t o p r o d u c e r e s u l t C

( F i g u r e 6 c ) . T h i s event ca n b e e x p r e s s e d a l g e b r a i c l y as

C = ( A B l ) B 2 , w v h e r e s t a n d s f o r t h e operation o f

ero s i o n. Th e e r o s i o n o f A b y Bk ca n b e c d e f i n e d as d e t e r -

m i n i n g p i x e l s p o f A t o w h i c h t h e o r i g i n o f s t r u c t u r i n g

e l e m e n t Bk ca n b e t r a n s l a t e d , d e n o t e d B k , , , s u c h t h a t i t i s

e n t i r e l y c o n t a i n e d w i t h i n A; A S Bk p: B k , )C

Two s u c c e s s i x e d i l a t i o n s t e p s i n x o l x i n g t h e same s t r u c -

t u r i n g e l e m e n t s B 1 a n d B2 y i e l d t h e i m a g e i n F i g u r e 6 f .T h e d i l a t i o n r u l e s t a t e s t h a t any p i x e l h a x i n g a I in a w i n -

d o w p o s i t i o n i n d i c a t e d b y t h e s t r u c t u r i n g e l e m e n t i s

t r a n s f o r m e d t o 1 t h e " O R i n g " o f t h e d e s i g n a t e d c e l l si n t h e w i n d o w . T h e r e s u l t s o f s u c c e s s i v e d i l a t i o n s b y

s t r u c t u r i n g e l e m e n t s B 2 a n d B l a r e i l l u s t r a t e d i n F i g u r e s6 e a n d 6 f , r e s p e c t i v e l y . T h e d i l a t i o n s e q u e n c e o f o p e r a -

t i o n s c a n b e s y m b o l i z e d a s D= ( C ( H + B 2 ) ( H ± B 1 , w h e r e ±

s t a n d s f o r t h e o p e r a t i o n o f d i l a t i o n . The r e s u l t i n g p r o -

c e s s e d i m a g e ( F i g u r e 6 g ) c o n s i s t s o f two s p o t s , w h i c h a r e

c l e a r l y d e f i n a b l e b e c a u s e e x t r a n e o u s p i x e l s h a v e b e e n

r e m o v e d .T h e d i l a t i o n o f C b y Bk c an b e d e f i n e d a s t h e u n i o n o f

t r a n s l a t i o n s o f t h e s t r u c t u r i n g e l e m e n t Bk t o t h e p o i n t s o f

C , o r

C± Bk U B k 1 ,

p ( C

S i n c e d i l a t i o n i s c o m m u t a t i v e ( C ± Bk=Bk + C ) , t h e

o r d e r o f t h e s t r u c t u r i n g e l e m e n t d i l a t i o n s i s i m m a t e r i a l .

I n n m a t h e m a t i c a l m o r p h o l o g y , t h e p r o c e s s o f e r o d i n g

a n d d i l a t i n g b y t h e s a m e s e q u e n c e o f e l e m e n t a l s t r u c t u r -i n g e l e m e n t s i s c a l l e d a n o p en i n g . The r e s u l t o f a n o p e n -

i n g b y a s e q u e n c e B , Bk o f s t r u c t u r i n g e l e m e n t s ,

a s i l l u s t r a t e d i n t h e p r e c e d i n g e x a m p l e f o r k=2, c a n b ee x p r e s s e d i n a n e q u i x a l e n t wa y i n w h i c h t h e s e r i e s o f

s t r u c t u r i n g e l e m e n t s c a n b e c o m b i n e d i n t o a s i n g l e f o r mB . S t a r t i n g w i t h B i we s u c c e s s i v e l y d i l a t e t h e s t r u c t u r i n g

e l e m e n t s B 2 ,.k t o c r e a t e a n e w N s t r u c t u r i n g e l e -m e n t B , orB = [ ( B 1 ± B 2 ) S B 3 ] +

T h e r e s u l t o f t h e o p e n i n g p r o c e s s c a n b e c o n v e n i e n t l y

v i s u a l i z e d i n t e r m s o f t h e s t r u c t u r i n g e l e m e n t B a l o n e . I nt h i s e x a m p l e , d i l a t i o n o f t h e s t r u c t u r i n g e l e m e n t s B l a n dB 2 g i x e s t h e s t r u c t u r i n g e l e m e n t B s h o w n i n F i g u r e 7 a .

Th e o p e n i n g o f t h e a c t i v e i m a g e i s a n e w \ b i n a r y i m a g e

c o n s i s t i n g o f o n l y t h o s e p i x e l s t h a t w v e r e 1 i n i m a g e A a n dt h a t c a n b e c o v e r e d b y a t l e a s t o n e p l a c e m e n t o f B e n t i r e -l x i n s i d e A . T h a t i s , t h e p r o g r a m s e a r c h e s ( i n p a r a l l e l ) f o r

a l l p o s i t i o n s i n A X v h e r e we c a n p l a c e B a n d h a v e a l l o f t h e1 p i x e l s o f B c o v e r a 1 p i x e l o f A . F i g u r e 7 b s h o w s a p o s s i -b l e p o s i t i o n . A ny p i x e l o f A t h a t c a n b e c o v e r e d b y a n y

-- -1 - -

( a ) S t r u c t u r i n gelement B

(b ) One position of the included

structuring element.

F i g u r e 7 . T h e o p e n i n g o f t h e b i n a r y s p o t i m a g e v i s u a l i z e d a s p i x e l st h a t c a n b e c o v e r e d b y t h e s t r uc t u ri n g e l e m e n t B a s i t s l i d e s a r o u n d i n -s i d e t h e s p o t s . T h i s r e s u l t i s i m p l e m e n t e d a s a s e r i e s o f n e i g h b o r h o o dt r a n s f o r m a t i o n s .

J a n u a r y 1 9 8 3 2 7



s u c h i n c l u d e d p o s i t i o n o f B b e l o n g s t o t h e o p e n i n g o f Ab y B . A ny I p i x e l o f A t h a t c a n n o t b e s o o v e r l a p p e d

b e c o m e s 0 a f t e r o p e n i n g . T h e o p e n i n g o f A b y B i s t h e

u n i o n o f a l l t r a n s l a t i o n s o f B t h a t c a n b e i n c l u d e d i n A ,o r AB= ( A OB)@B.

T h u s , t h e t r a n s f o r m a t i o n o f o p e n i n g a n i m a g e a l l o w s

u s t o d e t e r m i n e w h e r e t h e g i v e n s t r u c t u r i n g e l e m e n t B

c a n f i t a s i t " s l i d e s a r o u n d " w i t h i n A , t h e i m a g e b e i n go p e n e d . I w i l l n o w g e n e r a l i z e o p e n i n g t o t h r e e d i m e n -s i o n s a n d s h o w ho w o p e n i n g w i t h a n a p p r o x i m a t e l ys p h e r i c a l s t r u c t u r i n g e l e m e n t i s u s e f u l i n t h e p r o c e s s o fc o r r e c t i n g f o r v a r i a t i o n s i n t h e b a c k g r o u n d l e v e l i n 2 - Dg e l s , t h e t e c h n i q u e u s e d i n t h e h uman m u t a t i o n r a t es t u d y d i s c u s s e d e a r l i e r .

_L:_ - I-

F i g u r e 8 . S e c t i o n o f a l y m p h o c y t e g e l a u t o r a d i o g r a m ( a ) a n d i t s s h a d e d a n d shadowed r e p r e s e n t a t i o n ( b ) i l l u s t r a t i n gt h e 3 - D umbra i n t e r p r e t a t i o n o f t h e s a m e d a t a .

F i g u r e 9 . P r o c e s s o f b a c k g r o u n d - n o r m a l i z a t i o n . O r i g i n a l g e l s e c t i o n ( a ) i s o p e n e d b y t h e s p h e r i c a l s t r u c t u r i n g e l e m e n t( b ) p r o d u c i n g t h e g e l b a c k g r o u n d i m a g e ( c ) , w h i c h i s s u b t r a c t e d f r o m t h e o r i g i n a l , p r o d u c i n g t h e r e s u l t i n ( d ) .

2 8 COMPUTER



C y t o c o m p u t e r a p p l i c a t i o n s

G r a y - s c a l e m o r p h o l o g i c a l p r o c e s s i n g . Two c l o s e l ys p a c e d s p o t s c a n o f t e n a p p e a r i n t h e c h i l d ' s g e l w h e ne a c h p a r e n t ' s g e l d i s p l a y s o n l y o n e . H e r e , t h e i n t e g r a t e dd e n s i t y o f e a c h s p o t i n t h e p a i r i s h a l f t h a t o f t h e p a r e n t s .T h u s , w e p l a c e a g e n e t i c c o n s t r a i n t o n t h e p r o c e s s i n g o ft h e g e l s b y u s i n g a l o w e r t h r e s h o l d o n g e n e t i c a l l y

s c r e e n e d p r o t e i n s s o t h a t p r o t e i n c o n c e n t r a t i o n s r e d u c e db y h a l f a r e c l e a r l y d i s c e r n i b l e a b o v e b a c k g r o u n d n o i s e .T h e p r o b l e m i n i m p l e m e n t i n g t h i s s t e p d i r e c t l y o n t h e g e li m a g e s i s t h a t t h e b a c k g r o u n d i n t e n s i t y l e v e l , o n w hi c ht h e s p o t s a p p e a r , i s n o t u n i f o r m o v e r a g e l a n d v a r i e s b e -t w e e n g e l s . T h u s , w e m u s t r e m o v e t h e b a c k g r o u n d f r o mt h e g e l i m a g e b e f o r e t a k i n g t h e t h r e s h o l d .

P r o g r a m s h a v e b e e n d e v e l o p e d t h a t e f f i c i e n t l y e s t i -m a t e t h e b a c k g r o u n d l e v e l a c r o s s a g e l i m a g e . S u b t r a c t -

i n g t h e e s t i m a t e d b a c k g r o u n d i m a g e f r o m t h e o r i g i n a l g e li m a g e g i v e s t h e b a c k g r o u n d - n o r m a l i z e d g e l i m a g e . T h ep r o c e s s o f b a c k g r o u n d e s t i m a t i o n i s a n e x t e n s i o n o f t h eb i n a r y i m a g e o p e n i n g p r o c e s s p r e v i o u s l y d e s c r i b e d . T h eo n l y d i f f e r e n c e i s t h a t t h e d i g i t a l s p o t i m a g e s i n t h e f i r s t

e x a m p l e a r e a r r a n g e m e n t s o f p i x e l s w h o s e v a l u e s a r ee i t h e r I o r 0 , a n d a g r a y - s c a l e d i g i t a l i m a g e h a s p i x e l i n -t e n s i t y v a l u e s o f a n y w h e r e b e t w e e n 0 a n d 2 5 5 . I n d e f i n -i n g g r a y - s c a l e n e i g h b o r h o o d t r a n s f o r m a t i o n s , we n e e d t ov i e w t h e i m a g e a s a s e t o f " b o x e l s , " o r c u b i c a l p i x e l s i n a3 - D v o l u m e . T h i s r e p r e s e n t a t i o n , c a l l e d t h e u m b r a o f a

g r a y - s c a l e i m a g e , c o n s i s t s o f r o w s a n d c o l u m n s o f v e r -t i c a l p i l e s o f b o x e l s ; t h e h e i g h t o f t h e p i l e ( n u m b e r o fb o x e l s ) a t p o s i t i o n x , y i n t h e u m b r a i s e q u a l t o t h e g r a yl e v e l o f t h e p i x e l a t p o s i t i o n x , y i n t h e g r a y - s c a l e i m a g e .

T h e u m b r a r e p r e s e n t a t i o n o f a 2 - D e l e c t r o p h o r e t i c g e lc a n b e v i s u a l i z e d a s a n e x t r a t e r r e s t r i a l l a n d s c a p e o f t a l lp e a k s a n d n a r r o w r i d g e s . T h e c o m p os i t e d i ma ge s i nF i g u r e 8 i l l u s t r a t e t h e u m b r a r e p r e s e n t a t i o n t h r o u g h a p -

p r o p r i a t e s h a d i n g a n d s h a d o w i n g p r o c e s s i n g t h a t m a k e st h e h e i g h t i n t e r p r e t a t i o n o f g e l g r a y l e v e l s m o r e v i s u a l l ya p p a r e n t . S h a d i n g a n d s h a d o w i n g , w h i c h a r e a l s o i m p l e -m e n t e d m o r p h o l o g i c a l l y b y n e i g h b o r h o o d t r a n s f o r m s ,a r e d e t a i l e d e l s e w h e r e . 1 2

T h e g r a y - s c a l e o p e n i n g i s a g r a y - s c a l e e r o s i o n f o l l o w e db y a g r a y - s c a l e d i l a t i o n , e x p r e s s e d i n t e r m s o f a g r a y -s c a l e s t r u c t u r i n g e l e m e n t . T h i s o p e n i n g p r o c e s s i s i l -l u s t r a t e d i n F i g u r e 9 f o r t h e p r e v i o u s l y s h o w n g e l s e c t i o n .T h e g r a y - s c a l e g e l i m a g e i n F i g u r e 9 a i s o p e n e d b y t h es t r u c t u r i n g e l e m e n t s h o w n i n F i g u r e 9 b t o p r o d u c e t h e

i m a g e i n F i g u r e 9 c , r e f e r r e d t o a s t h e b a c k g r o u n d i m a g e .F i g u r e 9 d i s t h e b a c k g r o u n d - n o r m a l i z e d i m a g e t h a tr e s u l t s f r o m s u bt r a c t in g t h e b a c k g r o u n d i m a g e f r o m t h e

o r i g i n a l .T h e p r o c e s s o f o p e n i n g a g r a y - s c a l e i m a g e b y a g r a y -

s c a l e s t r u c t u r i n g e l e m e n t t o p r o d u c e t h e b a c k g r o u n di m a g e i s u n d e r s t o o d i n t er m s o f t h e g r a y - s c a l e i m a g e

u m b r a . T h e o p en i n g o f a n u m b r a o f a g r a y - s c a l e g e l i m -a g e b y a g r a y - s c a l e s t r u c t u r i n g e l e m e n t i s t h e u n i o n o f a l lt r a n s l a t i o n s o f t h e 3 - D s t r u c t u r i n g e l e m e n t t h a t c a n b ee n t i r e l y c o n t a i n e d w i t h i n t h e g e l i m a g e u m b r a . We c a nv i s u a l i z e a s o l i d s p h e r e t h a t m o v e s f r e e l y w i t hi n t h e s o l i dv o l u m e o f t h e g e l i m a g e u m b r a b u t i s c o n s t r a i n e d b y t h eu p p e r s u r f a c e o f t h e u m b r a , a s s h o w n i n F i g u r e 1 0 . T h eu m b r a o f t h e g e l o p e n i n g c o n s i s t s o f o n l y t h os e b ox e l s

t h a t c a n b e c o v e r e d b y a t l e a s t o n e p o s i t i o n o f t h e t r a n s -l a t i n g s p h e r e . T h e s p h er e d i a m et e r i s s e l e c t e d s o t h a t i t i sc o n s i d e r a b l y w i d e r t h a n a n y o f t h e p e a k s f o r m e d b y t h eg e l s p o t s a n d t h u s c a n n o t e n t e r t h e i n t e r i o r o f t h e p e a k s .

H o w e v e r , t h e d i a m e t e r o f t h e s p h e r i c a l s t r u c t u r i n g e l e -m e n t i s s m a l l e n o u g h t o f o l l o w t h e s m o o t h c o n t o u r s o ft h e c h an g in g b a c k g r o u n d i n t e n s i t y . T h e b a c k g r o u n d i ss m o o t h w i t h r e s p e c t t o t h e s p h e r e , b u t t h e p e a k s a r e n o t .

A l a r g e d i g i t a l s p h e r e a p p r o p r i a t e l y s h a d e d i s s h o w n i nF i g u r e 1 1 . T h e s p h e r e i s p r o d u c e d a s t h e d i l a t i o n o f t h eu m b r a s o f 2 6 3 - D s t r u c t u r i n g e l e m e n t s , e a c h s t r u c t u r i n ge l e m e n t b e i n g a s u b s e t o f a 3 x 3 x 3 w i n d o w . T h e s p h e r ee r o d e s o r d i l a t e s a g r a y - s c a l e i m a g e b y a s e q u e n c e o fe r o d i n g o r d i l a t i n g n e i g h b o r h o o d t r a n s f o r m a t i o n s , e a c hn e i g h b o r h o o d t r a n s f o r m a t i o n b e i n g d e t e r m i n e d b y t h e3 - D s t r u c t u r i n g e l e m e n t s c o m p o s i n g t h e s p h e r e .

F i g u r e 1 0 . S c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f t h e r o l l i n g b a l l a l g o r i t h m u s e df o r b a c k g r o u n d n o r m a l i z a t i o n . T h e b a l l f ol l o ws t h e smooth b a c k -g r o u n d c o n t o u r s b u t d o e s n o t p e n e t r a t e t h e s p ot p e a ks . R o l l i n g a b a l l

i s e q u i v a l e n t t o e r o d i n g a n d d i l a t i n g b y a s p h e r i c a l s t r u c t u r i n g e l e -m e n t .

F i g u r e 1 1 . D i g i t a l b a l l . T h i s s h a d e d s t r u c t u r i n g e l e m e n t i so b t a i n e d b y d i l a t i n g a s i n g l e p o in t b y a s e q u e n c e o f 2 6g r a y - s c a l e n e i g h b o r h o o d o p e r a t i o n s .

J a n u a r y 1 9 8 3 2 9



To i m p l e m e n t t h e o p e n i n g i n a p a r a l l e l p r o c e s s o r b ys e q u e n t i a l g r a y - s c a l e n e i g h b o r h o o d o p e r a t i o n s , l e tB l , B 2 , . . . Bk b e a s e q u e n c e o f g r a y - s c a l e n e i g h b o r -h o o d e l e m e n t s a n d l e t t h e g r a y l e v e l o f t h e p i x e l a t c o o r -

d i n a t e l o c a t i o n ( i , j ) i n t h e k t h n e i g h b o r h o o d e l e m e n t b eB k ( i , j ) , w h e r e i a n d j= - 1 , 0 , o r I a n d i v a r i e s o v e r a

3 x 3 w i n d o w . D en o t i ng t h e g r a y l e v e l s o f t h e a c t i v e g r a y -

F i g u r e 1 2 . S t r e a k r e m o v a l . The s t r e a k s i n t h e b a c k g r o u n d -n o r m a l i z e d g e l s e c t i o n ( a ) a r e e x t r a c t e d b y t h e o p e n i n go p e r a t i o n ( b ) u s i n g r o l l i n g - p i n - l i k e s t r u c t u r i n g e l e m e n t s .T h e s t r e a k l e s s r e s u l t ( c ) i s no w r e a d y f o r s p o t d e t e c t i o na n d t r i o m a t c h i n g .

s c a l e i m a g e a s A ( x , y ) , t h e g r a y l e v e l s o f t h e r e s u l tC=A)Bk a r e g i v e n b y

C ( x , y ) = m i n [A(x-i,y-j)-Bk(-i,-j)].1 , ]

As i n t h e b i n a r y c a s e , t h e o p e n i n g o f A b y B i s a c -c om p l i s he d b y f i r s t e r o d i n g A s u c c e s s i v e l y b y t h e

n e i g h b o r h o o d e l e m e n t s c o m p o s i n g B a n d t h e n d i l a t i n g

t h e r e s u l t b y t h e s a m e s e q u e n c e . A g a i n , t h e o r d e r o f t h en e i g h b o r h o o d e l e m e n t s d o e s n o t i n f l u e n c e t h e f i n a lr e s u l t . D i l a t i o n o f a g r a y - s c a l e i m a g e C b y a g r a y - s c a l en e i g h b o r h o o d e l e m e n t Bk i s d e s c r i b e d b y t h e r e l a t i o n

D ( x , y ) = m a x [ C ( x - i , y - j ) + B k ( i , j ) .i , J

w h e r e D= ( A E G B ) E ® B = A B

S t r ea k r e m ov a l . T h e b a c k g r o u n d - n o r m a l i z e d g e l i m -

a g e e x h i b i t s a v a r i e t y o f h o r i z o n t a l a n d v e r t i c a l s t r e a kp a t t e r n s ( F i g u r e 1 2 a ) . F o r g e n e t i c c o m p a r i s o n , t h e s es t r e a k s m u s t b e t r e a t e d a s n o i s e , s i n c e l o w - i n t e n s i t y s p o t sf a l l i n g o n a s t r e a k i n c r e a s e i n i n t e n s i t y a n d m ay b ed e t e c t e d a s s p o t s m e e t i n g t h e p r e v i o u s l y d e sc r ib e d c o n -

c e n t r a t i o n c o n s t r a i n t . T h u s , p r o g r a m s h a v e b e e n d e v e l -o p e d t h a t r e m o v e t h e s t r e a k s w h i l e r e t a i n i n g t h e t r u e i n -t e n s i t i e s o f t h e s p o t s t h a t l i e on t h e m . T h e s e p r o g r a m s r e -l y o n t h e s a m e p r i n c i p l e u s e d i n t h e b a c k g r o u n d -n o r m a l i z a t i o n p r o c e s s ; t h a t i s , 3 - D s t r u c t u r i n g e l e m e n t s

a r e u s e d t o o p e n t h e i m a g e s u r f a c e t o d e f i n e a new s u r -f a c e c o n s i s t i n g o n l y o f t h e s t r e a k s . T h i s new s u r f a c e c a n

t h e n b e s u b t r a c t e d f r o m t h e o r i g i n a l , e f f e c t i v e l y r e m o v -i n g a l l t h e s t r e a k s .

S t r e a k n o r m a l i z a t i o n i s i m p l e m e n t a t i o n b y a p a i r o fg r a y - s c a l e o p e ni ng s o f t h e b a c k g r o u n d - n o r m a l i z e d i m -

a g e . T h e s t r u c t u r i n g e l e m e n t o f t h e f i r s t o p e n i n g i s a

h o r i z o n t a l b a r o n e p i x e l h i g h w h o s e l e n g t h s l i g h t l y e x -c e e d s t h a t o f t h e w i d e s t s p o t . T h e s e c on d o p e ni n g i s b y a

v e r t i c a l b a r o n e p i x e l w i d e w h o s e l e n g t h i s s i m i l a r l yg r e a t e r t h a n t h e v e r t i c a l e x t e n t o f t h e l a r g e s t s p o t s . T h et w o o p e n i n g s c a n b e v i s u a l i z e d a s v e r t i c a l l y a n d h o r i z o n -t a l l y p o s i t i o n e d r o l l i n g p i n s t h a t s l i d e u n d e r t h e i m a g es u r f a c e t o d e f i n e t h e v e r t i c a l a n d h o r i z o n t a l s t r e a k s ,r e s p e c t i v e l y . T h e u n i o n o f t h e h o r i z o n t a l l y a n d v e r t i c a l l yo p e n e d i m a g e s i s t h e n f o r m e d , a s s h o w n i n F i g u r e 1 2 b .S u b t r a c t i n g t h e g e l s t r e a k i m a g e f r o m t h e b a c k g r o u n d -n o r m a l i z e d g e l t h e n g i v e s t h e b a c k g r o u n d - s t r e a k - n o r -m a l i z e d r e s u l t s h o w n i n F i g u r e 1 2 c .

D e t e c t i n g s p o t p ea k s . T h r e s h o l d i n g r e m o v e s s p o t sw i t h i n t e n s i t i e s t h a t a r e t o o l o w t o b e c l e a r l y d i s t i n g u i s h -a b l e f r o m b a c k g r o u n d n o i s e . S u f f i c i e n t l y i n t e n s e s p o t s

a r e t h e n l o c a t e d b y a l o c a l m a x i m a p r o g r a m . ( A l o c a lm a x i m a p r o g r a m i s a d e q u a t e f o r s p o t d e t e c t i o n i n s i l v e r -s t a i n e d g e l s b u t n o t i n g e l a u t o r a d i o g r a p h s , w h i c h a r emuch n o i s i e r . )

T h e p a r a l l e l m o r p h o l o g i c a l l o c a l m a x i m a p r o g r a mf i r s t l a b e l s p i x e l s f o r w h i c h t h e g r a y l e v e l e q u a l s o r e x -c e e d s t h a t o f a l l t h e i r n e i g h b o r s . T h e s e l a b e l e d p i x e l s a r ee i t h e r l o c a l m a x i m a o r r e g i o n s o f l o c a l f l a t n e s s l o c a t e d o na d o w n s l o p e o f a s p o t o r i n a v a l l e y b e t w e e n s p o t s .( F i g u r e 8 i s u s e f u l f o r v i s u a l i z i n g t h e s e r e g i o n s . ) N e x t , as e c o n d l a b e l m a r k s u n l a b e l e d p i x e l s t h a t a d j o i n t h e l o c a lm a x i m a a n d r e g i o n s o f l o c a l f l a t n e s s w h o s e g r a y l e v e l s

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a r e c l e a r l y l e s s t h a n t h o s e o f t h e i r n e i g h b o r i n g p i x e l s .F i n a l l y , t h e s e c o n d l a b e l i t e r a t i v e l y p r o p a g a t e s i t s e l f o v e r

a n y p i x e l , u n l a b e l e d o r l a b e l e d , t h a t i s n o t u p h i l l f r o m t h el a b e l . T h i s l a s t s t e p c h a n g e s a l l p i x e l s m a r k e d b y t h e f i r s tl a b e l t h a t a r e n o t l o c a l m a x i m a t o t h e s e c o n d l a b e l , l e a v -i n g o n l y t h e p i x e l s m a r k e d b y t h e f i r s t l a b e l a s t h e t r u e

l o c a l m a x i m a .

S p o t d o m a i n s . O c c a s i o n a l l y , a p a i r o f s p o t s o v e r l a p i nt h e g e l i m a g e s u c h t h a t o n e o f t h e s p o t s d o e s n o t p o s s e s s a

d i s t i n c t l o c a l m a x i m u m . T h e e l o n g a t e d r e g i o n s a t t h ec e n t e r o f t h e p s e u d o c o l o r e d , b a c k g r o u n d - n o r m a l i z e d g e li ma ge s o f F i g u r e 1 3 a r e e x a m p l e s o f s u c h s p o t s . T h ep s e u d oc o l o r ed , m u l t i t hr e s ho l d ed i m ag e s o f F i g u r e 1 4

f u r t h e r i l l u s t r a t e s p o t s ( m a r k e d b y a r r o w s ) t h a t d o n o th a v e l o c a l m a x i m a y e t m u s t b e u l t i m a t e l y m a t c h e d t os p o t s w i t h l o c a l m a x i m a . To r e s o l v e t h i s p o t e n t i a l d i f -f i c u l t y , p r o g r a m s h a v e b e e n d e v e l o p e d t o l o c a t e s p o td o m a i n s o n t h e b a s i s o f t h e i r s h a p e s . T h e s e p r o g r a m ss e g m e n t o v e r l a p p i n g s p o t s a t r e g i o n s o f e l o n g a t i o n o rn a r r o w i n g u s i n g a m o r p h o l o g i c a l i t e r a t i v e t e c h n i q u ek n o w n a s t h e w a t e r s h e d a l g o r i t h m ( L a n t u e j o u l ' 3 ) . T h e

r e s u l t o f w a t e r s h ed s e g m e n t a t i o n i s s h o w n i n F i g u r e 1 5 .

G e l m a t c h i n g . T h e f i n a l s t e p i n t h e a u t o m a t e d p r o c e s s -i n g o f t h e f a t h e r , m o t h e r , a n d c h i l d , o r FMC, t r i o i s g e lm a t c h i n g . R e c a l l t h a t a c a n d i d a t e m u t a n t p r o t e i n w i l l b er e p r e s e n t e d b y a s p o t a p p e a r i n g i n a c h i l d ' s g e l t h a t d o e sn o t h a v e a c o r r e s p o n d i n g s p o t i n t h e s a m e l o c a t i o n i ne i t h e r o f t h e p a r e n t ' s g e l s . C a n d i d a t e m u t a n t p r o t e i n sw i l l b e v a r i a n t s o f n o r m a l p r o t e i n s , i n w h i c h a r a n d o mi n s e r t i o n o r d e l e t i o n o f a n a m i n o a c i d o r a m i n o a c i d

c h a i n y i e l d s a p r o t e i n w i t h a m o d i f i e d m o l e c u l a r w e i g h t ,o r m o r e l i k e l y , a m o d i f i e d m o l e c u l a r c h a r g e . We e x p e c tt o s e e m u t a n t p r o t e i n s a s s p o t s s h i f t e d f r o m t h e i r n o r m a lp o s i t i o n s b y s e v e r a l m i l l i m e t e r s , d e p e n d i n g o n w h e r et h e y o c c u r i n t h e g e l .

G el s c a n n o t b e c o m p a r e d b y d i r e c t s u p e r p o s i t i o n .F u r t h e r m o r e , g l o b a l s t r e t c h i n g c a n n o t b e a p p l i e d t o t h eg e l i m a g e s t o a l i g n a l l s i m i l a r p r o t e i n s p o t s b e c a u s e t h eg e l s e x h i b i t s t r o n g l o c a l n o n l i n e a r i t i e s t h a t a r e d u e t oi n h o m o g e n e i t i e s i n t h e i r m a n u f a c t u r e . Humans c a n c o m -p a r e g e l s b y l o c a t i n g a g iv e n s p o t w i t h i n a l o c a l c o n s t e l l a -t i o n o f s p o t s a n d s e a r c h i n g a c c o m p a n y i n g g e l s f i r s t f o rt h e c o n s t e l l a t i o n a n d t h e n f o r t h e g i v e n s p o t w i t h i n t h ec o n s t e l l a t i o n . A c o m p u t e r c o m p a r e s g e l s b y a s i m i l a r

p r o c e d u r e i m p l e m e n t e d a s a g r a p h m a t c h i n g p r o g r a m .

F i g u r e 1 3 . P s e u d o c o l o r c o m p o s i t e o f b a c k g r o u n d - n o r m a l i z e d g e l a u t o r a d i o g r a m s . A u t o r a d i o g r a m s a r e n o i s i e r t h a ns i l v e r - s t a i n e d g e l s a n d r e q u i r e g r e a t e r c a r e i n p r o c e s s i n g .

J a n u a r y 1 9 8 3 3 1



F i g u r e 1 4 . P s e u d o c o l o r e d , m u l t i t h r e s h o l d e d c o m p o s i t e f r o m F i g u r e 1 3 . A r r o w s m a r k c o m p a r a b l e s p o t s i n b o t h g e l s ,b u t n o t a l l s p o t s a r e d i s t i n c t . S h a p e r e c o g n i t i o n p r o c e s s i n g s e p a r a t e s s p o t s i n t o d i s t i n c t r e g i o n s ( F i g u r e 1 5 ) .

F i g u r e 1 5 . E x t r a c t e d s p o t d o m a i n s o f t h e g e l a u t o r a d i o g r a p h c o m p o s i t e o f F i g u r e 1 3 .

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T h e g r a p h m a t c h i n g p r o g r a m , w h i c h w a s d e v e l o p e d b yS k o l n i c k , ' 4 d o e s n o t d e p e n d o n a n y a p r i o r i k n o w l e d g e

o f t h e s p o t s p a t i a l d i s t r i b u t i o n . T h e p r o g r a m c o n s t r u c t s a

g r a p h , t h e G a b r i e l g r a p h , d e s c r i b e d b y T o u s s a i n t , 1 5 b yu s i n g a s n o d e s a n y s p o t c u e s t h a t e x c e e d a g i v e n i n t e n s i t yt h r e s h o l d . T h e g r a p h s a r e t h e n c o m p a r e d t o d e t e r m i n e

a n i n i t i a l s u b s e t o f s p o t s c o m m o n t o a l l t h r e e . F r o m t h i ss u b s e t o f c o m m o n s p o t s t h e p r o g r a m t h e n d e t e r m i n e s

w h e t h e r t h e r e m a i n i n g g r a p h d i f f e r e n c e s a r e r e a l o r t h er e s u l t o f q u a n t i t a t i v e v a r i a t i o n s c a u s e d b y s p o t s f a l l i n gb e l o w t h e t h r e s h o l d . T h r o u g h c o n t i n u e d i t e r a t i o n t h ep r o g r a m r e s o l v e s u n m a t c h e d s p o t s b y s p a t i a l l y r e l a t i n gt h e m v i a t h e i r c o n n e c t i n g g r a p h e d g e s t o p r e v i o u s l ym a t c h e d s p o t s u n t i l a l l g r a p h d i f f e r e n c e s f r o m s p o t i n -t e n s i t y v a r i a t i o n s a r e r e m o v e d . T h e g r a p h m a t c h i n g p r o -

g r a m d o e s n o t r u n o n t h e c y t o c o m p u t e r b u t o n i t s h o s tc o m p u t e r , a VAX 1 1 / 7 8 0 . F i g u r e 1 6 i l l u s t r a t e s t h e

( a ) G a b r i e l g r a p h s o f a n F MC t r i o a f t e r seven i t e r a t i o n s o f

S k o l n i c k ' s a l g o r i t h m . A l l g r a p h d i f f e r e n c e s h a v e b e e n

r e s o l v e d , a n d f a m i l y p r o t e i n m a t c h e s c a n b e l i s t e d .

B i o m e d i c a l a p p l i c a t i o n h a s b e e n t h e v e h i c l e t h r o u g hw h i c h I h a v e e x a m i n e d a l g e b r a i c l a n g u a g e s a n d c o m -

p u t e r a r c h i t e c t u r e s f o r i m a g e p r o c e s s i n g . I s t r e s s t h a t t h e

l a n g u a g e a n d a r c h i t e c t u r e p r e s e n t e d h e r e ar e n o t a b s t r a c tc o n s t r u c t s , b u t w e l l - c o n c e i v e d s o l u t i o n s t o p r a c t i c a l p r o b -l e m s t h a t a r i s e d u r i n g b i o m e d i c a l a p p l i c a t i o n s o f new

c o m p u t e r t e c h n o l o g i e s . L a n g u a g e , a r c h i t e c t u r e , a n d a p -

p l i c a t i o n s h o u l d n o t b e s e g m e n t e d f o r i n d i v i d u a l s t u d y ,h o w e v e r , f o r i t i s t h e p a r a l l e l l e a r n i n g p r o c e s s t h a t u l t i -

\* _ _ _ m a t e l y b r i n g s a b o u t a f u l l u n d e r s t a n d i n g o f c o m p u t e r s

a n d c o m p u t e r l a n g u a g e s - a n d p a r a l l e l i s m i s a f t e r a l l

w h a t i m a g e p r o c e s s i n g i s a l l a b o u t . U

( b ) A c k n o w l e d g m e n t sI t h a n k t h e E n v i r o n m e n t a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f

M i c h i g a n f o r g e n e r o u s l y p r o v i d i n g t h e c y t o c o m p u t e r i m -

a g e p r oc e ss o r t h a t h a s b e e n s o v a l u a b l e f o r b i o m e d i c a l

s t u d i e s , a n d t h e C o m p u t e r a n d I m a g e P r o c e s s i n g R e -

s e a r c h N e t w o r k f o r t h e i r e x t e n s i v e h a r d w a r e a n d s o f t -ware s u p p o r t o f t h e m u t a t i o n s t u d y . A u t o r a d i o g r a md i g i t a l i m a g e d a t a a r e f r o m A r g o n n e N a t i o n a l L a b o r a -

t o r i e s ( c o u r t e s y o f N . a n d L . A n d e r s o n ) . T h i s w o r k wa s

s u p p o r t e d i n p a r t b y t h e N a t i o n a l C a n c e r I n s t i t u t et h r o u g h p r o j e c t 5 - P O 1 - C A - 2 6 8 0 3 - 0 2 .

R e f e r e n c e s

( C ) 1 . J . V . N e e l e t a l . , " S e a r c h f o r M u t a t i o n A f f e c t i n g P r o t e i nS t r u c t u r e i n C h i l d r e n o f A t o m i c Bomb S u r v i v o r s : P r e -l i m i n a r y R e p o r t , " P r o c . N a t l I A c a d e m y S c i e n c e , V o l . 7 7 ,

F i g u r e 1 6 . M a t c h e d f a t h e r ( a ) , m o t h e r ( b ) , a n d c h i l d ( c ) t r i o 1 9 8 0 , p p . 4 2 2 1 - 4 2 2 5 .a f t e r s e v e n i t e r a t i o n s o f t h e S k o l n i c k g r a p h m a t c h i n ga l g o r i t h m . M a t c h i n g s p o t s a r e g i v e n t h e same s p o t 2 . J . V . N e e l , H . W. M o h r e n w e i s e r , a n d M . M. M e i s l e r ,n u m b e r . V i r t u a l s p o t s a r e c r e a t e d w h e r e n o m a t c h i n g " R a t e o f S p o n t a n e o u s M u t a t i o n a t Human L o c i E n c o d i n gs p o t i s f o u n d . S p o t s b e l o n g i n g o n l y t o o n e f a m i l y P r o t e i n S t r u c t u r e , " P r o c . N a t ' l A c a d e m y S c i e n c e , V o l .member a r e m a r k e d w i t h d o t s . 7 7 , 1 9 8 0 , p p . 6 0 3 7 - 6 0 4 1 .

J a n u a r y 1 9 8 3 3 3



3 . O ' F a r r e l l , " H i g h - r e s o l u t i o n T w o - d i m e n s i o n a l E l e c -t r o p h o r e s i s o f P r o t e i n s , " J . B i o l o g y a n d C h e m i s t r y , V o l .2 5 0 , 1 9 8 0 , p p . 4 0 0 7 - 4 0 2 1 .

4 . N . A n d e r s o n a n d L . A n d e r s o n , A n a l y t i c a l B i o c h e m i s t r y ,V o l . 8 5 , 1 9 7 8 , p . 3 3 .

5 . M. S k o l n i c k , S . S t e r n b e r g , a n d J . V . N e e l , "SomeA l g o r i t h m s f o r A d a p t i n g 2 - D G e l s t o t h e S t u d y o f M u t a -t i o n , " C l i n i c a l C h e m i s t r y , V o l . 2 8 , N o . 4 , A p r . 1 9 8 2 , p p .9 6 9 - 9 7 8 .

6 . P . D a n i e l s s o n a n d S . L e v i a l d i , " C o m p u t e r A r c h i t e c t u r e sf o r P i c t o r i a l I n f o r m a t i o n S y s t e m s , " C o m p u t e r , V o l . 1 4 ,N o . 1 1 , N o v . 1 9 8 1 , p p . 5 3 - 6 7 .

7 . S . R . S t e r n b e r g , " P a r a l l e l A r c h i t e c t u r e s f o r I m a g e P rc e s s i n g , " P r o c . C o m p s a c 7 9 .

8 . H . M i n k o w s k i , V o l u m e n a n d O b e r f l a c h e , M a t h e m a t iA n n u a l , V o l . 5 7 , 1 9 0 3 , p p . 4 4 7 - 4 9 5 .

9 . G . M a t h e r o n , Random S e t s a n d I n t e g r a l G e o m e t r y , J o tW i l e y & S o n s , Ne w Y o r k , 1 9 7 5 .

1 0 . J . P . S e r r a , M a t h e m a t i c a l M o r p h o l o g y a n d I m a ,A n a l y s i s , A c a d e m i c P r e s s , L o n d o n , 1 9 8 1 .

1 1 . J . C . K l e i n a n d J . S e r r a , " T h e T e x t u r e A n a l y s e r , "M i c r o s o c o p y , V o l . 9 5 , N o . 2 , 1 9 7 2 , p p . 3 4 9 - 3 5 6 .

1 2 . S . R . S t e r n b e r g , " C e l l u l a r C o m p u t e r s a n d B i o m e d i c a l I r

a g e P r o c e s s i n g , " P r o c . U S - F r a n c e S e m i n a r B i o m e d i cI m a g e P r o c e s s i n g , S p r i n g e r - V e r l a g , New Y o r k , 1 9 8 2 .

1 3 . C . L a n t u e j o u l , " S k e l e t o n i z a t i o n i n Q u a n t i t a t i v e M e t al o g r a p h y , " I s s u e s i n D i g i t a l I m a g e P r o c e s s i n g , R . NH a r a l i c k a n d J . C . S i m o n , e d s . , S i j t h o f f a n d N o o r d h o f1 9 8 0 .

h e Q u a l i t y C h o i ci n E n d i c o f t , N Y !

Heading f o r E n d i c o t t on_'?; ab u s i n e s s ? We have a jQ u a l i t y l o c a t i o n . J u s t o ne o ' W M ,b l o c k from IBM. 3 m i l e sf rom G E . A n d 1 5 m i n u t e sf rom S i n g e r - L i n k . . L

Th e Q u a l i t y In nL o d g e o f f e r s g r e a tf l e x i b i l i t y . R o o m s f o ro v e r n i g h t . Or a p a r t -m e n t s f o r l o n g term.

A n d i f y o u ' r e p l a n n i n g _ N

a meeting o r b a n q u e t , theQ u a l i t y In n Lodge h a s 4r o o m s t h a t ca n accomodate

from 2 5 t o 8 0 0 . P l u s 6 r o o m s t h a t h a n d l e 1 2persons e a c h .

Q u a l i t y I n n L o d g eO n e L o d g t e B l v d .E n d i c o t t , NY 13760

AFore s r v a t i o n s c a l l 6 0 7 - 7 5 4 - 7 5 7 0/\ ~ ~ ~ ~ ~ ~ o ro l i l - f r v e :

8 0 0 - 2 2 8 - 5 1 5 1Qh T h e Q u a l i t y C h o i c e .

M R . A d x S t v r k N x h r r k - !

1 4 . M. S k o l n i c k , "A n A p p r o a c h t o C o m p l e t e l y A u t o m a t i cC o m p a r i s o n o f T w o - D i m e n s i o n a l E l e c t r o p h o r e s i s G e l s , "C l i n i c a l C h e m i s t r y , V o l . 2 8 , N o . 4 , A p r . 1 9 8 2 , p p .9 7 9 - 9 8 6 .

1 5 . G . T . T o u s s a i n t , " P a t t er n R e c og n it i o n a n d G e o m e t r i c a lC o m p l e x i t y , " P r o c . F i f t h I n t ' l C o n f . P a t t e r n R e c o g n i -t i o n , 1 9 8 0 , p p . 1 3 2 4 - 1 3 4 7 .

S t a n l e y R . S t e r n b e r g i s p r e s i d e n t o f C y t o -S y s t e m s C o r p o r a t i o n i n A nn A r b o r , M i c h i -

c s g a n , a n d a d j u n c t a s s o c i a t e p r o f e s s o r o fe l e c t r i c a l a n d c o m p u t e r e n g i n e e r i n g a t t h e

i n E- U n i v e r s i t y o f M i c h i g a n . From 1 9 7 4 t o 1 9 8 1 ,h e w a s s e n i o r r e s e a r c h e n g i n e e r a t t h e E n -v i r o n m e n t a l R e s e a r c h I n s t i t u t e o f M i c h i -

F g e | rF _ X ; g a n , f o r m e r l y t h e W i l l o w Ru n R e s e a r c h, L a b o r a t o r i e s . T h e r e h e c r e a t e d t h e c y t o -

J . I c o m p u t e r a n d d i r e c t e d i t s d e v e l o p m e n t .I n 1 9 7 9 , h e c o f o u n d e d t h e C o m p u t e r a n d I m a g e P r o c e s s i n g

R e s e a r c h N e t w o r k a t t h e U n i v e r s i t y o f M i c h i g a n , a c a m p u s -

a ;w i d e i m a g e

p r o c e s s i n gr e s o u r c e

f o ru s e

i nt h e

l i f e s c i e n c e s a n d- a s a t e s t b e d f o r e n g i n e e r s t o d e s i g n a n d e v a l u a t e n e w c o m p u t e r sa n d d i s t r i b u t e d c o m p u t e r s y s t e m s .

a l - S t e r n b e r g r e c e i v e d h i s Ph D i n i n d u s t r i a l a n d o p e r a t i o n s4 . e n g i n e e r i n g f r o m t h e U n i v e r s i t y o f M i c h i g a n i n 1 9 7 1 . He i s af f , member o f T a u B e t a P h i , E t a K a p p a N u , S i g m a X i , a n d t h e

S o c i e t y o f M a n u f a c t u r i n g E n g i n e e r s .

P L e x i n g t o n B o o k s s

r . I

COMPUTER-SYSTEM REQUIREMENTS

T e c h n i q u e s a n d E x a m p l e sKenneth J . T h u r b e r , A r c h i t e c t u r eT e c h n o l o g y C o r p o r a t i o n , and Peter C .P a t t o n , U n i v e r s i t y o f M i n n e s o t aP r e s e n t s an i n t e g r a t e d a p p r o a c h t o t h e u s e o fb o t h h a r d w a r e a n d s o f t w a r e , i n c l u d i n g p r o b l e ms t a t e m e n t s , s p e c i f i c a t i o n s , l i n e a r t r a d e o f f a n a l y -s i s , a n d g r a p h t h e o r y .1 2 8 p p . I S B N 0 - 6 6 9 - 0 2 9 5 8 - 0 S 1 5 . 9 5

SOFTWARE BLUEPRINT AND EXAMPLESYaohan C h u , U n i v e r s i t y o f M a r y l a n dT h i s new a p p r o a c h t o s o f t w a r e d e s i g n a p p l i e se n g i n e e r i n g m e t h o d o l o g y f o r m o r e e f f i c i e n tp r o g r a m d e v e l o p m e n t an d p r o d u c t i v i t y .5 4 4 p p . I S B N 0 - 6 6 9 - 0 5 3 2 9 - 5 $ 3 9 . 9 5

ELECTRONIC MESSAGE TRANSFERAND I T S IMPLICATIONSA l f r e d M . L e e , C o r n e l l U n i v e r s i t yT o p i c s i n c l u d e t e c h n o l o g i c a l d e v e l o p m e n t s ,p o t e n t i a l m a r k e t s , p o s s i b i l i t i e s f or c o n s e r v a t i o no f r e s o u r c e s , and l i a b i l i t y a n d p r i v a c y i m p l i -c a t i o n s .I S B N 0 - 6 6 9 - 0 5 5 5 5 - 7 J a n u a r y 1 9 8 3

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