Data curation for multimodal imaging studies

Yamoah, Grace Gyamfuah; Röhrig, Rainer; Kiessling, Fabian

doi:42959

Data curation for multimodal imaging studies = Datenverwahrung für multimodale Bildgebungsstudien

Yamoah, Grace Gyamfuah^RWTH*

2023 & 2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Grace Gyamfuah Yamoah, geb. Osei

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Kiessling, Fabian (Thesis advisor)^RWTH* ; Röhrig, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-10-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-10816
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/973468/files/973468.pdf

Einrichtungen

Institut und Lehrstuhl für Experimentelle Molekulare Bildgebung (811003-3 ; 924210)

Projekte

Ghana Ministry of Education (MoE) and Scholarship Secretariat, DAAD Germany (91617443) (91617443)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
compression (frei) ; data curation (frei) ; file format (frei) ; micro-CT (frei) ; multimodal imaging (frei) ; reproducibility (frei) ; timestamp (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
In der biomedizinischen Forschung helfen bildgebende Verfahren bei der Entdeckung pathologischer Mechanismen für die Entwicklung und Bewertung neuartiger diagnostischer und theranostischer Ansätze. Während es im Bereich der klinischen medizinischen Bildgebung bereits Systeme und Standards für die Datenspeicherung gibt, müssen für die biomedizinische Forschung noch Standards für die Datenverwahrung festgelegt werden. Die μCT erzeugt riesige Mengen an Rohdaten, die in erster Linie Serien von Projektionsbildern und rekonstruierten Bildern umfassen. Derzeit gibt es keine Standards für die Kuratierung solcher Daten, um den enormen Nutzen der Datenkuratierung zu nutzen. In dieser Arbeit wird daher in zwei Richtungen gearbeitet. Erstens wurde ein freies, gesichertes Bilddateiformat für multimodale Bildgebungsstudien entwickelt, das gängige In-vivo-Bildgebungsmodalitäten mit bis zu fünf Dimensionen, Mehrkanal- und Mehrzeitseriendaten unterstützt und einen Schritt in Richtung der Etablierung von Datenkuratierungsstandards für die biomedizinische Forschung darstellt. Zweitens schlagen wir eine Standard-Inhaltsdefinition und Kuratierungsmaßnahmen für µCT-Rohdaten vor. Bei der Entwicklung des Bilddateiformats werden die Bilder mit einem verlustfreien Kompressionsalgorithmus komprimiert. Für die komprimierten Bildabschnitte werden kryptografische Hashes berechnet. Die Hashes und Komprimierungen werden parallel berechnet, wodurch die Berechnungen je nach Anzahl der verfügbaren Recheneinheiten beschleunigt werden. Die gehashten Bilder mit digital signierten Zeitstempeln werden kryptografisch in eine Datei geschrieben. Felder in der Struktur, komprimierte Slices, Hashes und Zeitstempel werden zum Schreiben und Lesen aus Dateien serialisiert. Die auf Vorlagen basierende Implementierung ist in C++ und wurde an multimodalen Daten von sechs Bildgebungseinrichtungen getestet, gut dokumentiert und in eine präklinische Bildanalysesoftware integriert. Das Format wurde mit verschiedenen Bildgebungsmodalitäten getestet, darunter CT-FMT, CT-PET, CT-SPECT und PET-MRI. Für die µCT-Rohdatenstudie untersuchten wir die unterschiedlichen Eigenschaften der µCT-Scanner von vier verschiedenen Herstellern. Anschließend definierten wir eine Struktur für die Inhaltsdefinition der µCT-Rohdaten und schlugen ideale Eigenschaften vor, die in das Standard-µCT-Rohdatenformat aufgenommen werden sollten, um eine ordnungsgemäße Kuration der Daten zu ermöglichen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Bilddateiformat entwickelt wurde, um gemeinsame Prozesse in präklinischen und klinischen multimodalen Bildgebungsstudien auf standardisierte Weise zu abstrahieren und zu kuratieren. Diese Arbeit definiert auch eine bessere Schnittstelle zwischen multimodalen Bildgebungsmodalitäten und Analysesoftware und schlägt außerdem eine Struktur für die Definition von µCT-Rohdaten vor, um eine Schnittstelle für Rekonstruktionssoftware zu unterstützen.

In biomedical research, imaging modalities aid in discovering pathological mechanisms for developing and assessing novel diagnostic and theranostic methodologies. There are systems and standards for data storage in the clinical medical imaging field but data curation standards and guidelines for biomedical research are yet to be put in place. The μCT generates a huge amount of raw data comprising primarily a series of projection images and reconstructed images. There are currently no standards for the curation of such data to take advantage of the enormous benefit of data curation. Hence in this thesis, firstly, a free secured image file format for multimodal imaging studies that support common in vivo imaging modalities up to five dimensions, multichannel and multi-time series data as a step in the direction of instituting data curation standards for biomedical research has been developed. Secondly, a standard content definition and curation measures for µCT raw data is proposed. In the development of the image file format, lossless image compression algorithms were employed. We computed cryptographic hashes on the compressed image slices. The hashes and compression computations were done in parallel to speed up computations, though dependent on the number of available cores. Hashed images with digitally signed timestamps are written to the file cryptographically. Fields in the structure, compressed slices, hashes, and timestamps are serialized for writing and reading from files. The template-based implementation is in C++, has been tested on multimodal data from six imaging sites, is well-documented, and integrated into a preclinical image analysis software. The format has been tested with several imaging modalities including CT-FMT, CT- PET, CT-SPECT, and PET-MRI. The different properties of µCT scanners from four different vendors were studied for the µCT raw data study. A structure for the content definition of the µCT raw data has been defined. Also, ideal properties to be included in the standard µCT raw data format for proper curation of the data have been proposed. In conclusion, an image file format has been created as a way to conceptualize and curate the common processes in preclinical and clinical multimodal imaging studies in a standardized way. This work provides a better interface between multimodal imaging modalities and analysis software, and also suggests a structure for the definition of µCT raw data to support an interface for reconstruction software.

OpenAccess:
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