Wizard-Based Image Processing for the Life Sciences

Image processing (IP) methods solve different tasks in a variety of domains. To use IP tools or correctly parametrize IP methods, their life scientist users need to acquire IP knowledge and time to become acquainted with a tool and sometimes they are not able to use a tool or method at all. We call this the semantic gap between life scientists and IP methods. It keeps users from utilizing the potential benefit of high-end IP methods. To bridge the semantic gap between life scientists and IP methods, we apply the wizard interaction pattern and guide life scientist step by step through a solution of a specific IP problem. IP wizards support, accelerate, and ease the interaction between user and tool. They mask IP pipeline and parameter adjustment and translate IP terms into domain terminology. This thesis exemplary translates four segmentation tasks from the life-science domain into four IP wizards to develop a design-guide for IP wizards: The Cortex-Wizard guides a physician user through cortex segmentation in magnetic resonance data imaging (MRI) data, the CI-Wizard segments ear structures for cochlear implant planning from computed tomography (CT) data, the NVD-Wizard guides the physician through segmentations for neurovascular decompression planning in MRI data, and the Cell-Shape-Wizard guides the user through active contours based cell segmentation in fluorescence micrographs. We conducted user studies to evaluate functionality and usability of the wizards. Studies included questionnaires, user feedback, time recording, and an assessment of segmentation quality and tested user groups with different levels of domain experience. Our studies show that the proposed IP wizard bridge the semantic gap between life scientists and IP methods. Users were able to perform complex IP tasks with the wizards they could not perform with any other tool. Run time was at least acceptable, usability was rated high, and the segmentation quality was sufficiently high in all the wizards. With each wizard run, the medical IP wizards enabled less experienced users to faster know their way in data and anatomy. Our approach is applicable for many other IP tasks. Following the design guide, specified tools with a high usability can be developed. User studies for IP tools allow for a quick assessment and refinement of usability issues and are applicable for other IP tools as well.

Bildverarbeitung (BV) kommt in diversen Bereichen wie zum Beispiel der Mikroskopie, medizinischen Diagnostik und Maschinenbau zum Einsatz. BV-Software steuert die BV-Methoden und ermöglicht die Auswahl und Parametrisierung der Verfahren durch den Benutzer. Oft haben Benutzer aus den Anwendungsbereichen wenig BVWissen und haben entweder einen hohen Aufwand, sich mit einer BV-Software oder -Methode vertraut zu machen, oder sind in manchen Fällen gar nicht in der Lage ein gegebenes BV-Problem mit einer Software zu lösen. Das liegt zum Teil daran, dass die Benutzer nicht in der Lage sind, die zugrundeliegenden Methoden passend zusammenzustellen und sie zu parametrisieren. Diese Kluft zwischen Benutzern und Methoden wird als semantische Lücke bezeichnet. Sie verhindert, dass Anwender verfügbare BV-Methoden in vollem Umfang nutzen. Wir überbrücken diese semantische Lücke mit dem Wizard Interaktionsmuster. Dieses führt den Anwender Schritt für Schritt durch die Lösung eines Problems, in diesem Fall aus dem Bereich der BV. BV-Wizards unterstützen, beschleunigen und vereinfachen die Interaktion eines Anwenders mit BV-Methoden und übersetzen Begriffe aus der BV in Begriffe aus dem Anwendungsgebiet bzw. dem normalen Sprachgebrauch. Diese Arbeit stellt einen Leitfaden zur Erstellung von BV-Wizards zur Verfügung und übersetzt exemplarisch vier BV-Probleme aus den Lebenswissenschaften in vier BV-Wizards: Der Cortex-Wizard führt Mediziner durch die Segmentierung der Hirnrinde. Der CI-Wizard führt Mediziner durch die Segmentierung von anatomischen Strukturen des Mittel- und Innenohres zur Planung von Cochlea Implantationen. Der NVD-Wizard führt Mediziner durch die Segmentierung verschiedener Strukturen für die Planung einer neurovaskulären Dekompression. Der Cell-Shape-Wizard führt Biologen durch die Segmentierung von Zellen in Fluoreszenzmikroskopien. Benutzerstudien bewerten Funktionalität und Benutzbarkeit der Wizards mit Fragebögen, Messungen von Zeit und Segmentierungsqualität. Sie zeigen, dass die vorgestellten BV-Wizards die semantische Lücke zwischen Anwendern und BV-Methoden schlieÿen können. Mit den Wizards konnten die Probanden komplexe BVProbleme lösen, die sie ohne Wizard nicht so einfach und schnell hätten lösen können. Der Zeitbedarf wurde in allen Wizard als akzeptabel bezüglich der jeweiligen BVFragestellung bewertet. Benutzer bewerteten die Benutzbarkeit als hoch, die Segmentierungsqualit ät als ausreichend. Zusätzlich erleichterten die medizischen Wizards die Orientierung in den Bilddaten und Übersicht über die relevante Anatomie. Eine Wizard-basierte Segmentierung lässt sich mit dem vorgestellten Leitfaden zur Erstellung von BV-Wizards auch auf andere BV-Probleme übertragen und ermöglicht die Entwicklung von leicht benutzbaren Softwarewerkzeugen. Benutzerstudien helfen Probleme in der Benutzbarkeit zu identifizieren und zu lösen.