Analizador visual para el procesado extensivo de muestras

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Analizador visual para
el procesado extensivo
de muestras de plancton
El análisis de las muestras de plancton con fines científicos consume gran
cantidad de tiempo y dinero, por lo que un alto porcentaje de las muestras
obtenidas se queda sin procesar. Para tratar de resolver éste y otros problemas,
AZTI ha desarrollado el Analizador Visual de Plancton, un programa de ordenador
dedicado al procesado extensivo de grandes muestras.
TEXTO: GUILLERMO BOYRA
EIZAGUIRRE (AZTI
INVESTIGACIÓN MARINA-PASAIA)
E
l plancton es el conjunto de organismos animales y vegetales,
generalmente diminutos, que
flotan y son desplazados
pasivamente en el medio
acuático. El estudio del
plancton es imprescindible
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para la comprensión del ecosistema marino.
La base de la cadena trófica marina la constituye el
fitoplancton, esto es, el
plancton vegetal. Un paso
más arriba en dicha cadena
se encuentra el zooplancton,
que ocupa una posición clave
al transferir la energía orgánica producida por el fitoplancton a niveles tróficos
más altos, como pueden ser
los stocs de peces pelágicos
explotables por el hombre.
En este contexto, por ejemplo, la disponibilidad o
ausencia de zooplancton del
tamaño adecuado (para
poder ser ingerido) condiciona completamente la supervivencia de los primeros estadios de desarrollo de los
peces y, a la postre, su reclu-
tamiento, es decir, el porcentaje de la puesta que llegará
a adulto.
De hecho, en estos primeros estadios de desarrollo,
desde el momento de la puesta en forma de huevos y
hasta el momento de la eclosión de las larvas, los propios
peces constituyen un tipo de
plancton particular, el llamado ictioplancton. El estudio
de la concentración de ictioplancton durante la época de
puesta es la base de uno de
los principales métodos de
estimación de abundancia de
especies pelágicas que soportan pesquerías tan importantes como la anchoa en el
Golfo de Bizkaia.
El análisis de las muestras de plancton con fines
científicos consume gran cantidad de tiempo de laboratorio. Por lo tanto, un alto porcentaje de las muestras
obtenidas año tras año se
quedan sin procesar por falta
de tiempo y dinero y se van
almacenando y apilando a la
espera de una solución. Otro
problema relacionado lo
constituye la imposibilidad
de realizar el análisis de un
número de muestras suficiente para realizar estimas
válidas de reclutamiento de
especies pelágicas por los
métodos manuales empleados tradicionalmente.
MATERIAL Y MÉTODOS
ANALIZADOR
VISUAL
DE PLANCTON (AVP)
Para tratar de resolver
estos problemas se está llevando a cabo un proceso de
automatización del tratamiento de las muestras. Con
este objetivo se ha desarrollado en la Unidad de
Investigación Marina de
AZTI el Analizador Visual de
Plancton, o AVP, un programa de ordenador dedicado al
procesado (es decir, conteo,
medición y clasificación)
extensivo de grandes muestras de plancton. El AVP se
aplica sobre las imágenes de
las muestras, previamente
fotografiadas mediante
cámara digital o simplemente mediante un escáner, y
realiza sobre éstas el análisis
de los organismos planctónicos que contienen.
El AVP trabaja combinando técnicas de visión artificial y redes neuronales artificiales. En su diseño se ha
tratado de priorizar la facilidad de uso, pero se ha tratado también de crear una
herramienta modular y flexible: la incorporación de un
sistema de aprendizaje a partir de los datos basado en la
tecnología de redes neuronales permite que cada usuario
pueda configurarla y entrenarla para la identificación y
clasificación de las especies
objetivo que le interesen.
El AVP realiza tres tareas
distintas con las muestras de
plancton: conteo, medición
de características y clasificación.
Conteo
En el conteo, el AVP aplica unos umbrales de nivel de
gris o de color para realizar
la "binarización" de la imagen original, es decir, la conversión de cada punto de la
imagen original a unos o
ceros, dependiendo de si el
punto forma parte de algún
organismo o no. De esta
forma distingue los individuos contenidos en cada imagen, los separa del fondo y
los cuenta. El correcto funcionamiento del programa en
esta fase depende fuertemente de la calidad y contraste
de las imágenes obtenidas, de
ahí la importancia de contar
con una buena metodología
de captación de imágenes (en
la que es altamente recomendable incluir la tinción de las
muestras para mejorar el
contraste).
Medición de características
Una vez numerados los
organismos de la muestra, el
AVP realiza una medición de
una serie fija de características de cada uno de ellos. Las
CONFIGURACIÓN TÍPICA DE TRABAJO CON EL AVP.
La muestra de plancton se tiñe (a) para obtener un mejor contraste; se vierte en una bandeja o placa Petri (b) sobre la cual se realiza el registro de la imagen, en este caso mediante un escáner (c);
la imagen se guarda en el disco duro del ordenador (d) y se abrirá
posteriormente desde el AVP (e) para realizar el procesado de la
muestra.
características se han limitado por el momento a atributos morfológicos asociados al
contorno de las imágenes
binarias, y se ha dejado para
futuras versiones el uso de
características de color o de
otro tipo. Algunas de las
características son primarias,
es decir, directamente medidas sobre la imagen: área,
perímetro, diámetro mayor,
diámetro menor, etc... A partir de éstas se generan otras
secundarias, que se obtienen
mediante operaciones con las
primarias (circularidad, elongación, dimensión fractal,
etc...).
Clasificación
Por último, el AVP realiza la clasificación de los organismos. La clasificación se
realiza mediante una red
neuronal y consta de dos
fases bien diferenciadas: el
aprendizaje y la clasificación
en sí. En estas fases, el AVP
ya no trabaja con las imágenes sino que lee directamente las características.
El aprendizaje consiste en
el entrenamiento de la red
neuronal para la identificación de las clases con supervisión humana a partir de
una clasificación previa.
Mediante el sistema de
aprendizaje por redes neuronales, el AVP va aprendiendo
las pautas comunes de las
características de cada clase.
Una vez entrenada la red,
el AVP clasifica las imágenes
que se le muestran en función de las clases disponibles,
consiguiendo un porcentaje
de aciertos variable, en función de la selección de las
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El AVP se ha presentado con notable éxito de acogida en
distintos foros científicos internacionales y algunos organismos
internacionales han adquirido copias del programa.
de muestras de plancton,
ofreciendo un método sencillo
y rápido para procesar un
gran volumen de muestras
que, de otra manera, no
podrían ser analizadas. El
AVP se aplica sobre imágenes
en formato digital obtenidas
en cada laboratorio, bien con
cámara digital o con un escáner. El AVP además, al distribuirse gratuitamente, hace
de la conversión a formato
digital un proceso económicamente accesible a numerosos
laboratorios y empresas dedicadas a este trabajo.
El desarrollo del AVP ha
sido financiado por el
Departamento de Industria
Comercio y Turismo Dirección de Tecnología e
Innovación del Gobierno
Vasco (en las convocatorias
SAIOTEK 2002 y 2003)
y el Ministerio de Ciencia
y Tecnología - Dirección
General de Política
Tecnológica (convocatoria
PROFIT AHORACT 2003).
El programa puede
descargarse desde la
página web de AZTI
(www.azti.es).
ASPECTO QUE OFRECE LA INTERFAZ GRÁFICA DEL ANALIZADOR,
mostrando los módulos de análisis y clasificación (a la izquierda),
las características de los candidatos (abajo-derecha) y la imagen
de una muestra de zooplancton.
características empleadas
para la clasificación. Este
parámetro constituye la
capacidad clasificadora del
AVP.
Aplicaciones y primeros
resultados
En una primera prueba
realizada sobre un número
de alrededor de 500 ejemplares de plancton de distintas
especies (huevos de anchoa y
sardina mezclados con varios
otros tipos de zooplancton
del mismo rango de tamaños) el analizador mostró
una capacidad clasificadora
de alrededor de un 94%. En
este momento se está estudiando la adición de nuevas
características al clasificador
para mejorar aún más su
efectividad y ampliar el
rango de especies clasificables.
El AVP se ha presentado
con notable éxito de acogida
en distintos foros científicos
internacionales (como los
grupos de trabajo de
"Procesos de Reclutamiento"
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y "Ecología de Zooplancton"
del ICES en el 2004). Como
resultado, científicos de distintos organismos internacionales han adquirido copias
del programa (entre ellos
científicos del Laboratorio
Marino de Aberdeen, y del
Museo Británico de Historia
Natural ) y algunos institutos punteros en estudios
medioambientales marinos
(como el Laboratorio Marino
de Plymouth) están empezando a emplearlo en sus
protocolos de procesado de
plancton.
El éxito de los primeros
chequeos realizados ha llevado a AZTI a emplear el AVP
en diferentes tareas. En concreto, se está utilizando para
el análisis de muestras históricas de plancton que, en
algunos casos, llevaban años
almacenadas debido la imposibilidad de dedicar el esfuerzo necesario para su procesado por métodos tradicionales.
En suma, el AVP es un
programa que permite la
automatización del análisis
Aquí se pueden ver las SUCESIVAS TRANSFORMACIONES que
va sufriendo la imagen de una pequeña muestra de huevos de
anchoa, tal como se observa en el monitor del AVP, mientras va
siendo sometida a las sucesivas rutinas de análisis de imagen.
a. Imagen original.
b. Imagen binaria, los unos en granate y los ceros en azul.
c. Imagen después del conteo, donde tan sólo aparecen los mejores candidatos y cada uno aparece ya de un color distinto.
d. Éste es el aspecto del visor del AVP en el momento en el que el
área de características de la interfaz el AVP muestra los valores
medidos sobre uno de los organismos. El individuo aparece resaltado para que el usuario sepa a cuál de ellos corresponden las características mostradas.