M. Heethoff, V. Heuveline, H. Hartenstein, W. Mexner, T. van de Kamp, A. Kopmann

Final report, BMBF Programme: “Erforschung kondensierter Materie”, 2016.

Executive summary

Die Synchrotron-Röntgentomographie ist eine einzigartige Abbildungsmethode zur Untersuchung innerer Strukturen – insbesondere in undurchsichtigen Proben. In den letzten Jahren konnte die räumliche und zeitliche Auflösung der Methode stark verbessert werden. Die Auswertung der Datensätze ist allerdings bedingt durch ihre Größe und die Komplexität der abgebildeten Strukturen herausfordernd. Der Verbund für Funktionsmorphologie und Systematik hat sich mit dem Projekt ASTOR das Ziel gesetzt, den Zugang zur Röntgentomographie durch eine integrierte Analyseumgebung für biologische Nutzer zu erleichtern.
Durch den interdisziplinären Zusammenschluss von Biologen, Informatikern, Mathematikern und Ingenieuren war es möglich, die gesamte Datenverarbeitungskette zu betrachten. Es sind weitgehend automatisierte Datenverarbeitungs- und -transfermethoden entstanden. Die tomographischen Aufnahmen werden online rekonstruiert und in die ASTOR Analyseumgebung transferiert. Die Daten stehen anschließend über virtuelle Rechner den Nutzern sowohl bei ANKA als auch außerhalb zur Verfügung. Ein Autorisierungsschema für den Zugriff wurde erarbeitet. Die Analyseinfrastruktur besteht aus einem temporären Datenspeicher, dem Virtualisierungsserver, sowie der Anbindung an Beamlines und Langzeitarchiv. Die Analyseumgebung bietet neben kostenintensiven kommerziellen Programmen neu entwickelte Werkzeuge an. Hervorzuheben sind hier die ASTOR- Segmentierungsfunktionen, die den bislang sehr zeit- und arbeitsintensiven Arbeitsschritt um ein Vielfaches beschleunigen. Die automatische Segmentierung lässt sich transparent über in nur wenigen Schichten markierte Bereiche steuern und erzielt ein bislang unerreichtes automatisches Segmentierungsergebnis.
Die Analyseumgebung hat sich als sehr effizient für die Datenauswertung und Methodenentwicklung erwiesen. Neben den Antragstellern wird das System inzwischen von weiteren Nutzern erfolgreich eingesetzt. Im Verlauf des Projektes wurde in mehreren Strahlzeiten ein umfangreicher Satz an Beispielaufnahmen über einen breiten Bereich von Organismen aufgenommen. Ausgewählte Proben wurden als Vorlage für die Methodenentwicklung segmentiert und klassifiziert. Im Verlauf des Projektes konnte die Zahl der Aufnahmen innerhalb einer Messwoche auf zunächst 400 und zum Schluss sogar auf bis zu 1000 drastisch erhöht werden.
Mit ASTOR ist es gelungen, eine durchgehende Analyseumgebung aufzubauen, und damit den nächsten Schritt im Ausbau solcher Experimentiereinrichtungen aufzuzeigen. Für die gewählte Anwendung, die Funktionsmorphologie, ist es erstmals möglich, auch quantitative Reihenuntersuchungen an kleinen Organismen durchzuführen. Die Auswertesystematik ist nicht auf diese Anwendung beschränkt, sondern vielmehr ein generelles Beispiel für datenintensive Experimente. Das ebenfalls von der BMBF-Verbundforschung geförderte Projekt NOVA setzt die begonnenen Aktivitäten in diesem Sinne fort und beabsichtigt durch synergistische Zusammenarbeit einen offenen Datenkatalog für eine gesamte Community zu erstellen.

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