Αναγνώριση δικτύου αγγείων στο υπέρυθρο φάσμα

Abstract

The construction of tomographic systems of human tissue which use the infrared spectrum of radiation constitutes an important capability of making new medical diagnostic methods. One of the most crucial problems which must be resolved is the low penetrating ability and the high degree of absorption and scattering which strongly distort the radiation that pass through the human tissue. In this thesis, the problem of the extraction of finger vein pattern from infrared images of finger and the similar problem of retinal vessel tree segmentation were studied. Moreover, the problem of shading and non-uniform illumination correction was also studied in images which suffer from the above problems either due to imperfect set-up of the image acquisition system or due to the interaction between objects and illumination on the scene. In this thesis, existing algorithms were improved and novel algorithms were developed. Both vein pattern extraction algorithms and shading and non-uniform illumination correction algorithms were proposed. The proposed methods include novel preprocessing modules for intensity normalization, elimination of fingerprint lines, non-linear contrast enhancement using spatial information, and shading and non-uniform illumination correction. The vein pattern extraction was performed using ten novel methods that use structural classification methods, spatial derivatives information and fuzzy set theory. The effectiveness of the proposed methods and algorithms was evaluated both on real and artificial images distorted by different types of noise and different signal to noise ratios. The majority of the methods present satisfactory accuracy on the detection of vein network, something happens due to the successful collaboration between the preprocessing methods and the vein pattern extraction methods. In addition, the problem of improving the vein network extraction accuracy was successfully handled using advanced postprocessing methods based on binary mathematical morphology. Finally, in this thesis two novel methods for retinal vessel segmentation were proposed and evaluated. They also compared with the most important methods have already been presented in the literature and one of them achieved the best experimental results from all the unsupervised methods evaluated in the publicly available DRIVE database.

Η κατασκευή συστημάτων τομογραφίας του ανθρώπινου ιστού τα οποία θα χρησιμοποιούν το υπέρυθρο φάσμα ακτινοβολίας αποτελεί σημαντική προοπτική για τη δημιουργία νέων ιατρικών διαγνωστικών μεθόδων. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν είναι η μικρή διεισδυτική ικανότητα και ο υψηλός βαθμός απορρόφησης και σκέδασης που παραμορφώνει ισχυρά την ακτινοβολία που διαδίδεται μέσα από τον ανθρώπινο ιστό. Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, μελετήθηκε το πρόβλημα του εντοπισμού της θέσης των αγγείων σε ψηφιακές φωτογραφίες του ανθρώπινου δακτύλου που έχουν ληφθεί στο υπέρυθρο φάσμα. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μεγάλος αριθμός πρωτότυπων μεθόδων κανονικοποίησης της φωτεινότητας της εικόνας, μη-γραμμικής ενίσχυσης της αντίθεσης, αφαίρεσης των γραμμών δακτυλικών αποτυπωμάτων, εντοπισμού του προτύπου ή δικτύου αγγείων και βελτίωσης του προτύπου των αγγείων χρησιμοποιώντας μεθόδους μαθηματικής μορφολογίας. Συνοπτικά στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτάθηκαν και εξετάσθηκαν διαφορετικές πρωτότυπες μέθοδοι και αλγόριθμοι με επίβλεψη ή χωρίς επίβλεψη για την εξαγωγή του προτύπου αγγείων από υπέρυθρες εικόνες του ανθρώπινου δακτύλου καθώς και διαφορετικές πρωτότυπες μέθοδοι και αλγόριθμοι χωρίς επίβλεψη για την εξαγωγή του δικτύου αγγείων από αμφιβληστροειδικές εικόνες του ανθρώπινου οφθαλμού. Επίσης, η ερευνητική προσπάθεια επικεντρώθηκε στην βελτίωση των εικόνων που λαμβάνονται από το προτεινόμενο σύστημα απόκτησης εικόνων, γεγονός το οποίο οδήγησε στην ανάπτυξη πρωτότυπων μεθόδων προ-επεξεργασίας και τη μετέπειτα βελτίωση των αρχικών αποτελεσμάτων κατάτμησης που προκύπτουν από την εφαρμογή των μεθόδων ή αλγορίθμων κατάτμησης προτύπου αγγείων, γεγονός το οποίο οδήγησε στην ανάπτυξη πρωτότυπων μεθόδων μετά-επεξεργασίας.