Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η αξιοποίηση και ο οδηγός χρήσης του συστήματος ανάλυσης εικόνας σε περιβαλλοντικές, ορυκτολογικές και πετρογραφικές εφαρμογές. Για να δείξουμε την αξιοποίηση του συστήματος ανάλυσης εικόνας εφαρμόστηκαν μέθοδοι ανάλυσης εικόνας σε εικόνες ηλεκτρονικού και πολωτικού μικροσκοπίου, από λεπτές και στιλπνές τομές, με σκοπό την υποβοήθηση στην επίλυση διαφόρων περιβαλλοντικών ορυκτολογικών και πετρογραφικών προβλημάτων όπως εντοπισμός αμιάντου, υπολογισμός ποσοστιαίας συμμετοχής ορυκτών, υπολογισμός περιφέρειας και εμβαδού κρυστάλλου, υπολογισμός πολυπλοκότητας των ορίων των κρυστάλλων σε λεπτή τομή καθώς και υπολογισμός πορώδους πετρωμάτων. Δόθηκε επίσης οδηγός χρήσης του συστήματος ανάλυσης εικόνας βασιζόμενος στο λογισμικό που χρησιμοποιείται στο Γεωλογικό Τμήμα του Πανεπιστημίου Πατρών. Έγινε αναφορά και δόθηκαν παραδείγματα με εικόνες όλων των μενού και υπομενού του λογισμικού. / Aim of present work is the exploitation and the manual of use of Image analysis in environmental, mineralogical and petrographic applications. In order to show the exploitation Image analysis, applied methods of analysis of picture in pictures of electronic and polotic microscope,from thin and glossy sections, aiming at the assistance in the resolution of various environmental mineralogical and petrographic problems as localisation of asbestos, calculation of percentage attendance mining, calculation of region and area of crystal, calculation of complexity of limits of crystals in thin section as well as calculation porosities of rocks. Also was given a manual of Image analysis based on the software that is used in the Geological Department of Patras University. Reported and given examples with pictures all the menus and submenus of the software.

Ιατρικές έρευνες έχουν δείξει ότι η ανδρική υπογονιμότητα σχετίζεται άμεσα με την ύπαρξη κατατμημένου DNA στον πυρήνα των σπερματοζωαρίων. Οι διαταραχές στις τιμές της συγκέντρωσης σπερματοζωαρίων, της κινητικότητάς τους, του όγκου της εκσπερμάτισης και στη μορφολογία τους που παρατηρούνται σε ένα σπερμοδιάγραμμα έχουν σα βαθύτερο αίτιο την ύπαρξη κατατμημένου DNA. Το εργαστήριο πειραματικής εμβρυολογίας και ιστολογίας της Ιατρικής Αθηνών χρησιμοποιεί τη μέθοδο TUNEL (deoxynucleotidyl transferase-mediated dUTP nick end labeling) για να σηματοδοτήσει τα άκρα κάθε τμήματος του DNA με χρώμα διαφορετικό από αυτό που χρησιμοποιεί για το υπόλοιπο τμήμα του DNA. Αποτέλεσμα της επεξεργασίας που υφίστανται τα σπερματοζωάρια σε μια αντικειμενοφόρο πλάκα είναι ένα σύνολο από μπλε φθορίζοντα σπερματοζωάρια με πιθανό κόκκινο στο πυρήνα τους, στην περίπτωση που υπάρχει κατατμημένο DNA. Όσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός κατάτμησης, τόσο περισσότερο είναι το κόκκινο και τόσο περισσότερο παθολογικό το σπερματοζωάριο και άρα λιγότερο ικανό να γονιμοποιήσει. Τη διαδικασία της TUNEL ακολουθεί η φωτογράφηση της αντικειμενοφόρου πλάκας με κάμερα υψηλής ανάλυσης και μεγάλης ευαισθησίας, ειδική για εφαρμογές φθορισμού. Στη συνέχεια, οι εικόνες επεξεργάζονται με ειδικό λογισμικό, όπως έχει προταθεί στο «Automatic Analysis of TUNEL assay Microscope Images» από τους Kontaxakis et al. στο 2007 IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology. Το αποτέλεσμα της επεξεργασίας των εικόνων είναι η ταξινόμηση των αντικειμένων που απεικονίζονται σε ομάδες από α) σπερματοζωάρια μονήρη β) επικαλυπτόμενα και γ) «σκουπίδια» όπως λευκοκύτταρα ή θραύσματα σπερματοζωαρίων. Στη συνέχεια για κάθε μονήρες σπερματοζωάριο γίνεται ο υπολογισμός των κόκκινων και μπλε pixels. Κατ’ αυτό τον τρόπο έχουμε ποσοτικοποιημένη την έκταση του κερματισμού κάθε σπερματοζωαρίου. Στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι αρχικά η μελέτη και στη συνέχεια η σχεδίαση και υλοποίηση ενός συστήματος, το οποίο λαμβάνοντας υπόψη τα δεδομένα από την επεξεργασία εικόνας καθώς και δεδομένα που είναι γνωστά από το σπερμοδιάγραμμα, όπως η κινητικότητα και η συγκέντρωση των σπερματοζωαριών, χρησιμοποιώντας τεχνικές της υπολογιστικής νοημοσύνης θα εκπαιδεύεται και θα ταξινομεί αυτόματα ασθενείς ανάλογα με το συνολικό βαθμό κερματισμού του DNA τους. Τέλος, θα υπολογίζει και ένα κατώφλι ή μία περιοχή τιμών άνω της οποίας ένας ασθενής θα χαρακτηρίζεται ως στείρος. Απώτερος στόχος είναι να γίνει όλη η παραπάνω διαδικασία ένας έλεγχος ρουτίνας για τα εργαστήρια που ασχολούνται με την ανδρική υπογονιμότητα και την τεχνητή γονιμοποίηση, προφυλάσσοντας ζευγάρια από άσκοπες και επιβλαβείς για την υγεία της γυναίκας προσπάθειες τεχνητής γονιμοποίησης. / Studies have proven that male infertility is directly connected with the existence of fragmented DNA in sperm nucleus Structural disorders and functional abnormalities are often present in spermatozoa from infertile men, as they are the impact of DNA fragmentation. The histology and embryology laboratory in Medical School in Athens uses the TUNEL assay to mark the edges of DNA helix with color different from the rest of the helix. The result of this procedure is that the human spermatozoa are blue and in the interior of every cell, an area proportional to the degree of the cell DNA fragmentation has been stained in reddish color. The more reddish the area is, the more fragmented the DNA is and the more infertile the patient is. The TUNEL assay is followed by image collection using a camera of high sensitivity appropriate for fluorescence applications. Afterwards, the obtained images are processed as described in “Automatic Analysis of TUNEL assay Microscope Images” at IEEE International Symposium on Signal Processing and Information Technology in 2007. The results of the processing above is image segmentation, shapes classification in 3 groups, solitary spermatozoa, overlapped spermatozoa and debris and at last the area measurement of red pixel for each solitary spermatozoon. This way, we have in numbers how much fragmented the DNA is. This master thesis aims at the study and the design of a system, that taking into consideration the data from the image analysis accompanied by the data from the basic sperm analysis, like sperm concentration and motility, and using computational intelligence techniques, it will be trained and will automatically classify the patients according their DNA fragmentation degree. In the end, it will estimate a threshold or an area of values above which a patient will be considered as infertile. Our ultimate goal is the above procedure to be a routine for the labs that are dealing with male infertility and artificial insemination, so that couples are protected against pointless and prejudicial artificial insemination attempts.

Η τεχνολογία των DNA μικροσυστοιχιών είναι μια υψηλής απόδοσης τεχνική που καθορίζει το κατά πόσο ένα κύτταρο μπορεί να ελέγξει, ταυτόχρονα, την έκφραση ενός πολύ μεγάλου αριθμού γονιδίων. Οι DNA μικροσυστοιχίες χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση και τον έλεγχο των αλλαγών που υφίστανται τα επίπεδα της γονιδιακής έκφρασης λόγω περιβαλλοντικών συνθηκών ή των αλλαγών που λαμβάνουν χώρα σε ασθενή κύτταρα σε σχέση με τα υγιή, χρησιμοποιώντας εξελιγμένες μεθόδους επεξεργασίας πληροφοριών. Εξαιτίας του τρόπου με τον οποίον παράγονται οι μικροσυστοιχίες, κατά την πειραματική επεξεργασία τους, εμφανίζεται ένας μεγάλος αριθμός διαδικασιών που εισάγουν σφάλματα, γεγονός που αναπόφευκτα οδηγεί στην δημιουργία υψηλού επιπέδου θορύβου και σε κατασκευαστικά προβλήματα στα προκύπτοντα δεδομένα. Κατά την διάρκεια των τελευταίων δεκαπέντε ετών, έχουν προταθεί από αρκετούς ερευνητές, πολλές και ικανές μέθοδοι που δίνουν λύσεις στο πρόβλημα της ενίσχυσης και της βελτίωσης των εικόνων μικροσυστοιχίας. Παρά το γεγονός της ευρείας ενασχόλησης των ερευνητών με τις μεθόδους επεξεργασίας των εικόνων μικροσυστοιχίας, η διαδικασία βελτίωσης τους αποτελεί ακόμη, ένα θέμα που προκαλεί ενδιαφέρον καθώς η ανάγκη για καλύτερα αποτελέσματα δεν έχει μειωθεί. Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι να συνεισφέρει σημαντικά στην προσπάθεια βελτίωσης των αποτελεσμάτων προτείνοντας μεθόδους ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας που επιφέρουν βελτίωση της ποιότητας των εικόνων μέσω της μείωσης των συνιστωσών του θορύβου και της τεμαχιοποίησης της εικόνας. Πιο συγκεκριμένα, στα πλαίσια εκπόνησης της διατριβής παρουσιάζεται μια νέα αυτόματη μέθοδος εντοπισμού της θέσης των υπομικροσυστοιχιών σκοπός της οποίας είναι να καλυφθεί εν μέρει το κενό που υπάρχει στην βιβλιογραφία των μικροσυστοιχιών για το βήμα της προεπεξεργασίας που αφορά στην αυτόματη εύρεση της θέσης των υπομικροσυστοιχιών σε μια μικροσυστοιχία. Το βήμα αυτό της προεπεξεργασίας, σπανίως, λαμβάνεται υπόψιν καθώς στις περισσότερες εργασίες σχετικές με τις μικροσυστοιχίες, γίνεται μια αυθαίρετη υπόθεση ότι οι υπομικροσυστοιχίες έχουν με κάποιον τρόπο ήδη εντοπιστεί. Στα πραγματικά συστήματα αυτόματης ανάλυσης της εικόνας μικροσυστοιχίας, την αρχική εκτίμηση της θέσης των υπομικροσυστοιχιών, συνήθως, ακολουθεί η διόρθωση που πραγματοποιείται σε κάθε μια από τις θέσεις αυτές από τους χειριστές των συστημάτων. Η αυτοματοποίηση της εύρεσης θέσης των υπομικροσυστοιχιών οδηγεί σε πιο γρήγορους και ακριβείς υπολογισμούς που αφορούν στην πληροφορία που προσδιορίζεται από την εικόνα μικροσυστοιχίας. Στην συνέχεια της διατριβής, παρουσιάζεται μια συγκριτική μελέτη για την αποθορυβοποίηση των εικόνων μικροσυστοιχίας χρησιμοποιώντας τον μετασχηματισμό κυματιδίου και τα χωρικά φίλτρα ενώ επιπλέον με την βοήθεια τεχνικών της μαθηματικής μορφολογίας πραγματοποιείται δραστική μείωση του θορύβου που έχει την μορφή «αλάτι και πιπέρι». Τέλος, στα πλαίσια της εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής, παρουσιάζεται μια μέθοδος κατάτμησης των περιοχών των spot των μικροσυστοιχιών, βασιζόμενη στον αλγόριθμο Random Walker. Κατά την πειραματική διαδικασία επιτυγχάνεται επιτυχής κατηγοριοποίηση των spot, ακόμα και στην περίπτωση εικόνων μικροσυστοιχίας με σοβαρά προβλήματα (θόρυβος, κατασκευαστικά λάθη, λάθη χειρισμού κατά την διαδικασία κατασκευής της μικροσυστοιχίας κ.α.), απαιτώντας σαν αρχική γνώση μόνο ένα μικρό αριθμό από εικονοστοιχεία προκειμένου να επιτευχθεί υψηλής ποιότητας κατάτμηση εικόνας. Τα πειραματικά αποτελέσματα συγκρίνονται ποιοτικά με αυτά που προκύπτουν με την εφαρμογή του μοντέλου κατάτμησης Chan-Vese το οποίο χρησιμοποιεί μια αρχική υπόθεση των συνόρων που υπάρχουν μεταξύ των ομάδων προς ταξινόμηση, αποδεικνύοντας ότι η ακρίβεια με την οποία η προτεινόμενη μέθοδος ταξινομεί τις περιοχές των spot στην σωστή κατηγορία σε μια μικροσυστοιχία, είναι σαφώς καλύτερη και πιο ακριβής. / DNA microarray technology is a high-throughput technique that determines how a cell can control the expression of large numbers of genes simultaneously. Microarrays are used to monitor changes in the expression levels of genes in response to changes in environmental conditions or in healthy versus diseased cells by using advanced information processing methods. Due to the nature of the acquisition process, microarray experiments involve a large number of error-prone procedures that lead to a high level of noise and structural problems in the resulting data. During the last fifteen years, robust methods have been proposed by many researchers resulting in several solutions for the enhancement of the microarray images. Though microarray image analysis has been elaborated quite enough, the enhancement process is still an intriguing issue as the need for even better results has not decreased. The goal of this PhD thesis is to significantly contribute to the above effort by proposing enhancing methods (denoising, segmentation) for the microarray image analysis. More specifically, a novel automated subgrid detection method is presented introducing a pre-processing step of the subgrid detection. This step is rarely taken into consideration as in most microarray enhancing methods it is arbitrarily assumed that the subgrids have been already identified. The automation of the subgrid detection leads to faster and more accurate information extraction from microarray images. Consequently, the PhD thesis presents a comparative denoising framework for microarray image denoising that includes wavelets and spatial filters while on the other hand uses mathematical morphology methods to reduce the “salt&pepper”-like noise in microarray images. Finally, a method for microarray spot segmentation is proposed, based on the Random Walker algorithm. During the experimental process, accurate spot segmentation is obtained even in case of relatively-high distorted images, using only an initial annotation for a small number of pixels for high-quality image segmentation. The experimental results are qualitatively compared to the Chan-Vese segmentation model, showing that the accuracy of the proposed microarray spot detection method is more accurate than the spot borders defined by the compared method.