Συνδυαστική τρισδιάστατη υπολογιστική όραση και απεικόνιση φθορισμού για την αξιολόγηση καρκινικών όγκων

Abstract

The scope of the dissertation was the solution of the inverse problem in Fluorescence Molecular Imaging by developing a dual coupled model, which is based on the Radiation Transfer Equation and Diffusion Approximation, and the construction of a database for the optimization of the method time efficiency. Furthermore, within the framework of the current research, was confronted the problem of the three-dimensional surface reconstruction of structures with diameter smaller than 1 cm, through the development of a method based on the utilization of structured light. In order to evaluate the two methods, there was developed a combined three-dimensional computer vision and fluorescence imaging system which, under its simplest set-up, was utilized for the geometrical quantification of non-melanoma skin cancer tumors. Furthermore, after a number of optimization modifications, this system was utilized for the reconstruction of fluorophores distribution which have been embedded into tissues (turbid media). A very important prerequisite for the reconstruction of fluorophores distribution, which have been embedded into turbid media, is the accurate solution of the forward and inverse problems. The forward problem has been solved by developing a dual coupled Radiation Transfer Equation and Diffusion Approximation based model. This coupled model has been solved for fluorescence imaging, by applying the finite elements method. The inverse problem has been solved via the combination of computer vision and data fitting techniques. Concerning the three-dimensional surface reconstruction of structures with diameter smaller than 1 cm, has been succeeded by the development of a sophisticated image processing algorithm for the segmentation of the acquired images, the labeling of the structured light pattern and the geometrical quantification. By utilizing methodologies from the fields of computer vision, modeling and simulation, optics and biophysics solutions were proposed for all these problems, contributing towards the progress of the research implemented today. Furthermore, for the first time was designed and developed a combined binocular machine vision and fluorescence imaging system, making possible the transformation of the inverse problem solution to the global coordinates.

Σκοπός της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ήταν η επίλυση του αντιστρόφου προβλήματος στη Μοριακή Απεικόνιση Φθορισμού, μέσω της ανάπτυξης ενός διπλά συζευγμένου μοντέλου, το οποίο στηρίζεται στην Εξίσωση Μεταφοράς και την Προσέγγιση Διάχυσης και την κατασκευή μίας βάσης δεδομένων για τη βελτιστοποίηση της χρονικής απόκρισης της μεθόδου. Παράλληλα, στα πλαίσια της έρευνας αντιμετωπίστηκε και το πρόβλημα της τρισδιάστατης ανακατασκευής της επιφάνειας δομών με διάμετρο μικρότερη του 1 cm, μέσω της ανάπτυξης μίας μεθόδου βασιζόμενης στη χρήση του δομημένου φωτός. Για την αξιολόγηση των δύο μεθόδων που παρουσιάζονται στη διατριβή αναπτύχθηκε ένα συνδυαστικό σύστημα τρισδιάστατης υπολογιστικής όρασης και απεικόνισης φθορισμού, το οποίο στην απλούστερη μορφή του, χρησιμοποιήθηκε για τη γεωμετρική ποσοτικοποίηση μη μελανωματικών δερματικών όγκων, και στη συνέχεια με κατάλληλες βελτιστοποιήσεις-διαφοροποιήσεις, για την ανακατασκευή δομών που βρίσκονται στο εσωτερικό ιστών (μη διαυγών μέσων). Η ανακατασκευή δομών, οι οποίες βρίσκονται στο εσωτερικό μη διαυγών μέσων και οι οποίες έχουν επισημανθεί με κατάλληλους ιχνηθέτες φθορισμού, προϋποθέτει την επίλυση σύνθετων μαθηματικών μοντέλων, που διακρίνονται σε δύο εξίσου σημαντικά προβλήματα, το εμπρόσθιο και το αντίστροφο πρόβλημα. Το εμπρόσθιο πρόβλημα επιλύθηκε με την ανάπτυξη ενός διπλά συζευγμένου μοντέλου της Εξίσωση Μεταφοράς Ακτινοβολίας και της Προσέγγισης Διάχυσης. Το συνδυαστικό αυτό μοντέλο επιλύθηκε για την απεικόνιση φθορισμού με εφαρμογή τρισδιάστατων πεπερασμένων στοιχείων. Το αντίστροφο πρόβλημα επιλύθηκε συνδυάζοντας τεχνικές υπολογιστικής όρασης και σύγκρισης δεδομένων. Αναφορικά με την τρισδιάστατη ανακατασκευή της επιφάνειας δομών με διάμετρο μικρότερη του 1 cm, αναπτύχθηκε ένας σύνθετος αλγόριθμος υπολογιστικής όρασης για την κατάτμηση των λαμβανόμενων εικόνων, την αναγνώριση των στοιχείων του πλέγματος και την εξαγωγή της τρισδιάστατης πληροφορίας. Χρησιμοποιώντας μεθοδολογίες που εμπίπτουν στα πεδία της υπολογιστικής όρασης, της μοντελοποίησης και προσομοίωσης, της οπτικής και της βιοφυσικής προτάθηκαν λύσεις για όλα αυτά τα προβλήματα, συνεισφέροντας στην πρόοδο της έρευνας που πραγματοποιείται σήμερα. Επιπροσθέτως, για πρώτη φορά αναπτύχθηκε ένα σύστημα απεικόνισης φθορισμού το οποίο να συνδυάζεται με ένα σύστημα τρισδιάστατης υπολογιστικής όρασης, προσφέροντας τη δυνατότητα μετατροπής των αποτελεσμάτων επίλυσης του αντιστρόφου προβλήματος, στο πραγματικό σύστημα συντεταγμένων.