Μέτρηση γεωμετρικών χαρακτηριστικών και αναλογίας μεγεθών ερυθρών αιμοσφαιρίων με ψηφιακή επεξεργασία της σκεδαζόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας

Abstract

The aim of this PhD thesis is the development of digital image processing and pattern recognition methods to estimate biometric and diagnostic parameters using scattering phenomena in the visible and infrared spectrum. More concretely, several reverse scattering problems of EM radiation from a human, healthy and undistorted Red Blood Cell (RBC) is solved. Methods of estimation and recognition of geometrical characteristics of healthy and undistorted RBCs using simulating images are presented. The information retrieval process includes, features extraction using two-dimensional integral transforms, features normalization, and Neural Networks for estimation of three major RBC geometrical properties. Using the same features set, a recognition system of the geometric characteristics of RBCs was developed and evaluated. The scattering images were created simulating the forward scattering problem of a plane electromagnetic wave using the Boundary Element Method, taking into account both axisymmetric geometry of the scatterer and the non-axisymmetric boundary conditions of the problem. Initially, the problem is solved at 632.8 nm and consequently the same problem was solved at 12 different wavelengths, from 432.8 to 1032.8 nm equally spaced. Also, a new device for acquisition of scattering images from RBCs-flow, consisting of a multi-color light source (Led) was proposed, for RBC size estimation and recognition. Finally, a system for the estimation of different RBCs concentration was developed when scattering images acquired using multiple scattering images acquired from multiple Leds and color filters. The system was evaluated using additive white regular noise.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη κατάλληλων μεθόδων ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας και αναγνώρισης προτύπων με τις οποίες θα προσδιορίζονται βιομετρικές και διαγνωστικές παράμετροι μέσω της αλληλεπίδρασης φωτονίων στο ορατό και υπέρυθρο φάσμα. Πιο συγκεκριμένα επιλύεται ένα αντίστροφο πρόβλημα σκέδασης ΗΜ ακτινοβολίας από ένα ανθρώπινο, υγιές και απαραμόρφωτο ερυθρό αιμοσφαίριο. Παρουσιάζονται μέθοδοι εκτίμησης και αναγνώρισης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών απαραμόρφωτων υγιών ερυθρών αιμοσφαιρίων με χρήση εικόνων που προσομοιώνουν φαινόμενα σκέδασης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που διέρχεται από προσανατολισμένα ερυθρά αιμοσφαίρια. Η διαδικασία της ανάκτησης της πληροφορίας περιλαμβάνει, εξαγωγή χαρακτηριστικών με χρήση δισδιάστατων μετασχηματισμών, κανονικοποίηση των χαρακτηριστικών και την χρήση νευρωνικών δικτύων για την εκτίμηση των γεωμετρικών ιδιοτήτων του ερυθροκυττάρου. Παράλληλα σχεδιάστηκε και αξιολογήθηκε σύστημα αναγνώρισης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των ερυθρών αιμοσφαιρίων. Οι εικόνες σκέδασης δημιουργήθηκαν προσομοιώνοντας το πρόβλημα εμπρόσθιας σκέδασης ενός επίπεδου ηλεκτρομαγνητικού (ΗΜ) κύματος, χρησιμοποιώντας την μέθοδο των συνοριακών στοιχείων, λαμβάνοντας υπόψη τόσο την αξονοσυμμετρική γεωμετρία του ερυθροκυττάρου όσο και τις μη αξονοσυμμετρικές οριακές συνθήκες του προβλήματος. Η επίλυση του εν λόγω προβλήματος πραγματοποιήθηκε στα 632.8 nm και εν συνεχεία επεκτάθηκε σε 12 διακριτά ίσου βήματος μήκη κύματος από 432.8 nm έως 1032.8 nm. Επίσης, προτάθηκε μία νέα πειραματική διάταξη για την απόκτηση πολλαπλών εικόνων σκέδασης και την εκτίμηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των ερυθρών αιμοσφαιρίων, αποτελούμενη από μία πολυχρωματική πηγή φωτός (Led) και πολλαπλά χρωματικά φίλτρα. Επίσης κατασκευάστηκε μέθοδος επίλυσης του σημαντικού προβλήματος εύρεσης της περιεκτικότητας του διαλύματος σε ερυθρά αιμοσφαίρια διαφορετικών μεγεθών στην περίπτωση απόκτησης πολλαπλών εικόνων σκέδασης από διαφορετικές φωτοδιόδους και πολλαπλά χρωματικά φίλτρα. Στα πειράματα αξιολόγησης της μεθόδου που προτείνεται με εικόνες προσομοίωσης δείχνεται ότι είναι ικανή η εύρεση της αναλογίας των ερυθρών αιμοσφαιρίων με πολύ μεγάλη ακρίβεια ακόμα και στη περίπτωση όπου στις εικόνες έχει προστεθεί λευκός κανονικός θόρυβος. Η βασική μεθοδολογία που παρουσιάζεται στην παρούσα διατριβή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση παθολογικών αιμοσφαιρίων ή να χρησιμοποιηθεί στην αναγνώριση μικροσωματιδίων σε υγρά ή αέρια.