Ανάπτυξη οπτικών μεθόδων και αλγορίθμων τρισδιάστατης ανακατασκευής βιολογικών επιφανειών και ανίχνευσης χαρακτηριστικών προσώπου με εφαρμογές στη βιοϊατρική

Abstract

The scope of this dissertation is the development of innovative methods of Computer Vision that will tackle basic problems in Biomedicine. As part of the research, two computer vision systems were developed, the first for the purpose of three-dimensional reconstruction of biological surfaces and the second for the detection and recording of reflex movements of biometric features of the human face with applications in the study of the prepulse inhibition phenomenon. These are two basic problems of Computer Vision that find many applications in the Biomedical Sciences. The first part of the dissertation describes the development of a three-dimensional reconstruction algorithm, specialized in the reconstruction of biological surfaces. This algorithm aims at the reconstruction of biological tissues of Lambertian reflectivity and constant albedo, implementing an innovative technique that falls into the general category of Shape from Shading (SfS) methods, and is called Shape from Isophotes (SfI). SfS techniques are reconstruction methods that extract a three-dimensional shape through the analysis of spatial changes in brightness (light and shadow) of a 2D image. The proposed SfI technique uses the isophote curves extracted from the two-dimensional image to calculate the vertical vectors on the surface of the object. The new method was tested on digital and real biological surfaces with very satisfactory results. The second part of the dissertation describes the design and implementation of a high frame-rate optical recording system to remotely capture the movement of biometric features of the human face, with applications on the study of the of prepulse inhibition phenomenon. The study of prepulse inhibition of the acoustic startle reflex is a key area of medical research in the field of psychophysical disorders, playing an important role in the development and control of new types of antipsychotic therapy. The proposed method uses a high frame-rate optical capturing devise in conjunction with optical flow and facial feature detection algorithms to record the subject's reactions to auditory stimuli. In this way a significant reduction in the degree of invasiveness that characterizes other methods is achieved, fact that significantly reduces the patient's discomfort during the examination. The weighting of the new method was performed in parallel with a standard electromyography device, in order to compare the results of the two methods and to draw conclusions regarding the validity of the proposed method. The application of the proposed method on a sample of 32 subjects showed very positive results.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων Όρασης Υπολογιστών για την αντιμετώπιση κλασικών προβλημάτων Βιοϊατρικής. Στα πλαίσια της έρευνας που πραγματοποιήθηκε αναπτύχθηκαν δύο συστήματα υπολογιστικής όρασης, το πρώτο με σκοπό την τρισδιάστατη ανακατασκευή βιολογικών επιφανειών και το δεύτερο τον εντοπισμό και την καταγραφή αντανακλαστικών κινήσεων βιομετρικών χαρακτηριστικών του ανθρώπινου προσώπου με εφαρμογή στη μελέτη του φαινομένου της προπαλμικής αναστολής. Τα παραπάνω αποτελούν δύο κλασικά προβλήματα της Όρασης Υπολογιστών που βρίσκουν πλείστες εφαρμογές στις Βιοϊατρικές Επιστήμες. Στο πρώτο μέρος της διατριβής περιγράφεται η ανάπτυξη ενός αλγορίθμου τρισδιάστατης ανακατασκευής, εξειδικευμένου στην ανακατασκευή βιολογικών επιφανειών. Ο αλγόριθμος αυτός στοχεύει στην ανακατασκευή βιολογικού ιστού λαμπερτιανής ανακλαστικότητας και σταθερής λευκαύγειας, υλοποιώντας μία καινοτόμο τεχνική που εμπίπτει στην γενικότερη κατηγορία των μεθόδων Shape from Shading (SfS), και ονομάζεται Shape from Isophotes (SfΙ). Οι τεχνικές SfS είναι μέθοδοι ανακατασκευής που επιτυγχάνουν την ανάκτηση ενός τρισδιάστατου σχήματος μέσω της ανάλυσης των χωρικών μεταβολών φωτεινότητας (φωτοσκίασης) μιας εικόνας. Η προτεινόμενη τεχνική SfI χρησιμοποιεί τις ισόφωτες καμπύλες που εξάγονται από τη δισδιάστατη εικόνα για τον υπολογισμό των κάθετων διανυσμάτων στην επιφάνεια του αντικειμένου. Η νέα μέθοδος δοκιμάστηκε πάνω σε ψηφιακές και πραγματικές βιολογικές επιφάνειες με πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής περιγράφεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση ενός οπτικού συστήματος υψηλής χρονικής δειγματοληψίας με σκοπό την εξ’ αποστάσεως καταγραφή της κίνησης βιομετρικών χαρακτηριστικών του ανθρώπινου προσώπου, με εφαρμογή στη μελέτη του φαινομένου της προπαλμικής αναστολής. Η μελέτη προπαλμικής αναστολής του αντανακλαστικού του ακουστικού αιφνιδιασμού αποτελεί έναν βασικό τομέα της ιατροφαρμακευτικής έρευνας στο πεδίο των ψυχοφυσικών διαταραχών, διαδραματίζοντας σημαντικό ρόλο στο πλαίσιο ανάπτυξης και ελέγχου νέων τύπων αντιψυχωσικής αγωγής. Η προτεινόμενη μέθοδος χρησιμοποιεί ένα οπτικό σύστημα υψηλής χρονικής δειγματοληψίας παράλληλα με αλγορίθμους οπτικής ροής και αναγνώρισης χαρακτηριστικών προσώπου για τη λεπτομερή απεικόνιση των αντιδράσεων του εξεταζόμενου σε ακουστικά ερεθίσματα. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η σημαντική μείωση του βαθμού επεμβατικότητας που χαρακτηρίζει άλλες μεθόδους, μειώνοντας έτσι αισθητά τη δυσφορία του ασθενούς κατά την διάρκεια της εξέτασης. Η στάθμιση της νέας μεθόδου πραγματοποιήθηκε παράλληλα με μία κλασσική διάταξη ηλεκτρομυογράφου, με σκοπό τη σύγκριση των αποτελεσμάτων των δύο μεθόδων και την εξαγωγή συμπερασμάτων ως προς το βαθμό εγκυρότητας της προτεινόμενης μεθόδου. Η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου πάνω σε ένα δείγμα 32 εξεταζόμενων παρουσίασε πολύ θετικά αποτελέσματα.