Doctoral Thesis

Analysis of Microbial Structures Using Image Processing Techniques Combined with Machine Learning

Final Thesis 1.6 MB Summary of Thesis 1.6 MB

Author of thesis: Ing. Michal Čičatka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Radim Burget, Ph.D.

Reviewers: doc. Ing. Otto Dostál, CSc., doc. Ing. Rastislav Róka, Ph.D.

Abstract:

The accurate and efficient analysis of microbial cultures on agar plates is fundamental to diverse biomedical applications. However, existing state-of-the-art machine learning solutions often struggle to generalize to the complexities of real-world samples, such as overlapping colonies, varying lighting, and diverse agar types, due to a critical scarcity of large, annotated datasets. This doctoral thesis addresses these limitations by developing and applying advanced machine learning techniques to the image analysis of agar plates.

A primary challenge tackled is the scarcity of annotated datasets. To overcome this, a novel methodology for generating highly realistic synthetic agar plate images is introduced. This approach demonstrates its significant effectiveness in augmenting real-world data, leading to a substantial enhancement in model performance. For instance, the proposed synthetic data pipeline improved the F1 score for semantic segmentation of microbial colonies from 0.518 to a peak of 0.729, demonstrating a marked improvement in accuracy and generalizability. This foundational segmentation model was further refined and validated in subsequent work, achieving an F1 score of 0.906 on an expanded dataset, thereby providing a highly robust basis for all subsequent analysis.

Furthermore, the thesis advances the analysis beyond simple segmentation by implementing a sophisticated analytical approach for the precise characterization of microbial material. This modular system uses Gaussian Mixture Models (GMMs), with their parameters optimized by genetic algorithms, to cluster pixels based on their morphological features. This automated approach achieves a V-measure of 0.723 under optimal conditions, significantly outperforming a k-means method of 0.545 and removes the need for manual tuning.

This research contributes a comprehensive computational framework that demonstrably advances automated microbial analysis beyond previous methods. The methodologies developed provide a robust foundation for building next-generation automated laboratory systems, promising to accelerate diagnostics, streamline research, and elevate the standard of microbial quantification and characterization.

Keywords:

Agar Plate Analysis, Microbial Cultures, Image Processing, Machine Learning, Deep Learning, Automation, Semantic Segmentation, Synthetic Data Generation, Data Augmentation, Clustering, Gaussian Mixture Models, Genetic Algorithms, Biomedical Imaging, Microbiology, Computer Vision

Date of defence

17.12.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Prezentace disertanta před komisí jasně a efektivně popsala dosažené vědecké výsledky. Výsledky byly také úspěšně nabídnuty do praxe a byly akceptovány známou laboratoří ve Švýcarsku. Disertant odpověděl na všechny otázky oponentů a členů komise.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Teleinformatics (DPC-TLI)

Composition of Committee

prof. Ing. Zdeněk Smékal, CSc. (předseda)
prof. Ing. Ivan Baroňák, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Kamil Říha, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jiří Mekyska, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Jiří Schimmel, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Rastislav Róka, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Otto Dostál, CSc. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Radim Burget, Ph.D.

Ing. Michal Čičatka zahájil své doktorské studium v roce 2021. Hned zpočátku se věnoval velmi intenzivně tématu doktorské práce, kde také spolupracoval s Ing. Karáskem (náš absolvent), ředitelem pobočky společnosti Bruker, což je významná společnost obchodovaná na burze a dodávající špičkové vybavení v oblasti studia doktorské práce. V rámci svého působení se úzce specializoval na danou problematiku a řešil konkrétní poptávku ze strany problémů této společnosti.
Během celého doktorského studia pracoval Ing. Michal Čičatka systematicky na velmi aktuálním tématu, jehož výsledky průběžně publikoval a dovedl k aplikovaným výsledkům. Jeho publikační aktivita byla dosažena do prestižních časopisů. Jedna z nich dokonce v Q1, druhá v Q2 a další se podařilo prosadit po obhájení práce.
Ve společnosti Bruker působil také se zahraničním týmem, se kterým se podařilo dosáhnout výsledků, které byly společně publikovány v prestižním vědeckém periodiku.
Splnil podmínky jak pedagogické praxe, tak i počtu absolvovaných doktorských předmětů. Již od začátku studia projevoval svou pracovitost a její disertační práce splňuje všechna kritéria samostatné vědecké práce.

Reviewer’s report
doc. Ing. Otto Dostál, CSc.

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 1,83 MB

viz pdf
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 911,03 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová