Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται μία μέθοδος αυτόματης αναγνώρισης των γεωμετρικών χαρακτηριστικών ερυθρών αιμοσφαιρίων από προσομοιωμένες εικόνες σκεδασμένου φωτός. Αρχικά παρουσιάζεται το ευθύ πρόβλημα σκέδασης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από ερυθρό αιμοσφαίριο, στη συνέχεια περιγράφονται οι τεχνικές με τις οποίες εκτελέστηκαν τα πειράματα για την επίλυση του αντίστροφου προβλήματος σκέδασης στο περιβάλλον προσομοίωσης του Matlab και τέλος προτείνεται μία μέθοδος έτσι ώστε η αναγνώριση να είναι δυνατή αυτόματα και σε πραγματικό χρόνο. / Geometric features recognition of red blood cells through scattered light pictures.

Η διπλωματική εργασία περιγράφει μια μέθοδο επίλυσης του προβλήματος προσδιορισμού των γεωμετρικών χαρακτηριστικών ανθρώπινων ερυθρών αιμοσφαιρίων από προσομοιωμένες εικόνες σκέδασης ΗΜ ακτινοβολίας He-Ne laser 632.8nm. Αρχικά παρουσιάζεται το ευθύ πρόβλημα σκέδασης ΗΜ ακτινοβολίας από ανθρώπινο ερυθρό αιμοσφαίριο και στη συνέχεια το αντίστροφο πρόβλημα επιλύεται με χρήση τεχνικών συμπίεσης εικόνας και τεχνητού νευρωνικού δικτύου ακτινικής συνάρτησης. Τέλος, αναπτύσσεται μια τεχνική εύρεσης των αναλογιών των ερυθρών αιμοσφαιρίων στις εικόνες σκέδασης. / This thesis describes a method of estimating the geometrical features of the human red blood cell, from a set of simulated light scattering images produced by a He-Ne laser beam at 632.8nm. The light scattering problem by a human RBC is presented and afterwards the inverse problem is solved using image compression techniques and a radial basis function neural network. Finally, a method of finding the ratio of RBCs in the scattering images is developed.

Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η εκτίμηση και η αναγνώριση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των ερυθρών αιμοσφαιρίων με ψηφιακή επεξεργασία της σκεδασμένης ακτινοβολίας. Αποτελείται από 8 κεφάλαια και ένα παράρτημα Α. Σε αυτά περιλαμβάνεται η μελέτη και η εφαρμογή μεθόδων επίλυσης του προβλήματος αναγνώρισης γεωμετρικών χαρακτηριστικών των ανθρώπινων ερυθρών αιμοσφαιρίων από ψηφιοποιημένες εικόνες Ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας ενός He-Ne Laser 632. 8 nm. Oι αλγόριθμοι εκπαίδευσης των νευρωνικών δικτύων ακτινικής συνιστώσας που εφαρμόσθηκαν υλοποιήθηκαν με τη βοήθεια του MATLAB R2009a. Οι κώδικες προγραμματίστηκαν από τον Κύριο Aποστολόπουλο Γεώργιο και τα αποτελέσματα τους αξιολογήθηκαν σε συνεργασία με τον καθηγητή κ. Δερματά. Επίσης, αρκετά στοιχεία και έννοιες πάρθηκαν για καθαρά μόνο εκπαιδευτικό σκοπό από την Διδακτορική Διατριβή Του κ. Αποστολόπουλου Γεωργίου και τον ευχαριστώ πάρα πολύ για την πολύτιμη βοήθεια του. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά του ανθρώπινου ερυθρού αιμοσφαιρίου δίνοντας έμφαση στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των υγιών απαραμόρφωτων ερυθροκυττάρων. Τέλος, γίνεται μία αναφορά στις ανωμαλίες των ερυθροκυττάρων και στους μέχρι τώρα υπάρχοντες τρόπους ανίχνευσης τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά και μια επεξήγηση κάποιων θεωρητικών εννοιών όσον αφορά την θεωρία του Ηλεκτρομαγνητισμού, ξεκινώντας από την αρχή της ιστορίας του Ηλεκτρισμού, με αναφορά στο ηλεκτρικό φορτίο, την αρχή όλων. Γίνεται μια αναλυτική παρουσίαση των εξισώσεων Maxwell και τέλος γίνεται η επεξήγηση της ηλεκτρομαγνητικής Ακτινοβολίας και του Ηλεκτρομαγνητικού Φάσματος καθώς επίσης και της απορρόφησης του φωτός από τα ερυθρά αιμοσφαίρια. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται διεξοδικά το φαινόμενο της σκέδασης και της ανάκλασης, αφού η σκέδαση είναι προϊόν πολλαπλής ανάκλασης, γίνεται η συσχέτιση της απορρόφησης της σκέδασης της Ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τα ερυθρά αιμοσφαίρια. Γίνεται η επεξήγηση του «ευθέως προβλήματος της σκέδασης» και τέλος γίνεται μια απλή αναφορά στις εφαρμογές της σκέδασης στους διάφορους τομείς της επιστήμης και της ανθρώπινης ζωής. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύεται διεξοδικά το «αντίστροφο πρόβλημα της σκέδασης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας» δηλαδή, το γεγονός του να γνωρίζουμε το σκεδαζόμενο πεδίο και το προσπίπτον κύμα και το να προσπαθούμε να βρούμε το σχήμα και το μέγεθος του σκεδαστή. Στη συγκεκριμένη έρευνα προσπαθούμε με τη βοήθεια μιας πειραματικής συσκευής να αναγνωρίσουμε τα ανθρώπινα αιμοσφαίρια και να εκτιμήσουμε με την βοήθεια των νευρωνικών δικτύων ακτινικής συνιστώσας τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των ερυθροκυττάρων μέσω των ψηφιοποιημένων εικόνων σκέδασης. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά και γίνεται μια εκτενής αναφορά στα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα, ξεκινώντας από την αρχή της ιστορίας τους. Γίνεται μια εισαγωγή σε θεωρητικές έννοιες, οι οποίες θα μας βοηθήσουν στην διάρκεια της ερευνάς μας, να μπορέσουμε να κατανοήσουμε επαρκέστερα είτε τη λειτουργία των Τεχνητών Νευρωνικών Δικτύων (Artificial Intelligence) και Των Νευρωνικών Δικτύων Ακτινικής Συνιστώσας (RBF-NN) είτε την μεθοδολογία και την επιστημονική αξία της εκπαίδευσης των προηγουμένων. Στο έκτο κεφάλαιο γίνεται μια αναφορά στις έννοιες, της ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας, της Συμπίεσης των εικόνων,της κανονικοποίησης των εικόνων, της Διαδικασίας ανάκτησης πληροφορίας, στις μεθόδους εξαγωγής χαρακτηριστικών από ψηφιοποιημένες εικόνες, όπου στην συγκεκριμένη εργασία χρησιμοποιήθηκαν ο Διακριτός μετασχηματισμός συνημιτόνου (DCT), Ο Διακριτός μετασχηματισμός Κυματιδίου (DWT), Ο Γωνιακός Ακτινικός Μετασχηματισμός (ART), Τα φίλτρα Gabor και τέλος οι Ροπές Zernike. Στο έβδομο κεφάλαιο εισχωρούμε πλέον στην βαθύτερη και ουσιαστικότερη πλευρά της ερευνάς μας. Είμαστε πλέον έτοιμοι,από πλευράς θεωρητικών εννοιών. Κάνουμε εκτενή αναφορά στο «Αντίστροφο πρόβλημα της σκέδασης» στην συγκεκριμένη περίπτωση, δηλαδή στην Διαδικασία Ανάκτησης (με την χρήση δισδιάστατων Μετασχηματισμών, οι οποίοι περιγράφονται αναλυτικότατα), αναγνώρισης και Ταξινόμησης (με την μέθοδο των Νευρωνικών δικτύων ακτινικής Συνιστώσας) της Πληροφορίας μας (την αναγνώριση των ερυθρών αιμοσφαιρίων και την εκτίμηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών τους). Στο Όγδοο κεφάλαιο εμφανίζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας μέσω διαγραμμάτων και σχολίων - συμπερασμάτων. Παρατίθενται οι γραφικές παραστάσεις του Μέσου Απόλυτου Σφάλματος (Mean Regression Error) και του ποσοστού επιτυχίας Αναγνώρισης (Mean Identification Error). Στο Παράρτημα Α παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα σε μορφή πινάκων Excel, δηλαδή παρατίθενται οι πίνακες του μέσου Απόλυτου Σφάλματος (Regression Error)συναρτήσει του αριθμού των Νευρώνων(Number of Neurons) και το Μέσο Ποσοστό Επιτυχίας Αναγνώρισης (Mean Identification Error) συναρτήσει του αριθμού των Νευρώνων αλλά και συναρτήσει του Λευκό Gaussian θορύβου SNR(dB). / The aim of this particular scientific project is the estimation and the recognition of the geometrical characteristics of healthy, undistorted Red blood Human Cells using scattering images of visible light. This means that we use scattering images throughout scattering phenomena in the visible spectrum of electromagnetic radiation. This project includes and focuses on the study and the use of several important methods such as, Image Feature Extraction, Image Feature Normalization, Estimation and Identification of the geometrical Features of RBCs, throughout Neural Networks. We make an important and a sufficient reference on the theories, that we are going to use on this survey such as the theory of Electromagnetic Radiation, the theory of Artificial Intelligence, the theory of Scattering Images, the theory of Compressing Images throughout Transforms and at last but not least the theory of the Forward scattering Problem. On This project we use, 5 well-known Transforms for the Image Feature Extraction, such as, Discrete Cosine Transform (DCT), Discrete wavelet Transform (DWT), Angular Radial Transform (ART), Zernike Transform and Gabor’s Filters. The each proposed method is evaluated in both, Regression and Identification Tasks when Three Important geometrical properties of The Human RBC are estimated using Database of 1575 simulated images generated with the boundary element Method. The experimental set up consists of a light beam at 632.8 nm and moving RBCs in a thin glass and additive noise distortion is simulated using White Gaussian Noise from 10 to 60 dB SNR. We give our whole attention on the diagrams which show us, The Mean Regression Error of the three geometrical properties versus The Number of Neurons, and the Mean Identification Error versus the Noise Distortion.

Διάφορες ρεολογικές διαταραχές των ερυθροκυττάρων, μεταξύ των οποίων η αυξημένη συσσωμάτωση και η μειωμένη ικανότητα ελαστικής παραμόρφωσης, έχουν παρατηρηθεί στο σακχαρώδη διαβήτη και πιστεύεται ότι εμπλέκονται στην ανάπτυξη της διαβητικής μικροαγγειοπάθειας. Δομικές μεταβολές των πρωτεϊνών της μεμβράνης των ερυθρών αιμοσφαιρίων, ως αποτέλεσμα της διαβητικής διαδικασίας, μπορεί να βρίσκονται πίσω από αυτές τις ρεολογικές διαταραχές. Στην παρούσα μελέτη, διερευνήθηκε η ύπαρξη μεταβολών των πρωτεϊνών της μεμβράνης των ερυθρών αιμοσφαιρίων σε ασθενείς με διαβητική αμφιβληστροειδοπάθεια. Εξετάστηκαν δείγματα περιφερικού αίματος 40 ασθενών με σακχαρώδη διαβήτη τύπου 2 και διαβητική αμφιβληστροειδοπάθεια ποικίλης βαρύτητας (19 άνδρες και 21 γυναίκες με μέση ηλικία 66,8 έτη: Ομάδα Α) και συγκρίθηκαν με δείγματα από 19 ασθενείς με σακχαρώδη διαβήτη τύπου 2 χωρίς αμφιβληστροειδοπάθεια (13 άνδρες και 6 γυναίκες με μέση ηλικία 66,5 έτη: Ομάδα Β) και από 16 υγιείς μάρτυρες (8 άνδρες και 8 γυναίκες με μέση ηλικία 65,6 έτη: Ομάδα Γ). Ερυθροκυτταρικές μεμβράνες από όλα τα δείγματα απομονώθηκαν και υποβλήθηκαν σε ηλεκτροφόρηση πηκτώματος γέλης SDS – πολυακρυλαμίδης και, σε κάθε δείγμα, έγινε μελέτη της ηλεκτροφορητικής κινητικότητας των διαμεμβρανικών πρωτεϊνών και των πρωτεϊνών του υπομεμβρανικού σκελετού. Η ποσοτική ανάλυση κάθε ηλεκτροφορητικής ζώνης επιτεύχθηκε με σάρωση και ψηφιακή ανάλυση. Στις Ομάδες Β και Γ παρατηρήθηκαν μη σημαντικές αποκλίσεις από τη φυσιολογική ηλεκτροφόρηση, εκτός από μια αύξηση στη ζώνη 8 σε δύο δείγματα της Ομάδας Β (11%). Αντίθετα, σε 14 δείγματα της Ομάδας Α (35%) διαπιστώθηκε αύξηση της πρωτεϊνικής ζώνης 8 ή/και της αιμοσφαιρίνης της συνδεδεμένης με τη μεμβράνη παράλληλα με μείωση της σπεκτρίνης. Επιπρόσθετα, σε 10 δείγματα της Ομάδας Α (25%) παρατηρήθηκαν αυξημένη κινητικότητα της ζώνης 3, μια παθολογική ζώνη υψηλού μοριακού βάρους (>255 kDa) και μια παθολογική ζώνη χαμηλού μοριακού βάρους (42 kDa). Οι γλυκοφορίνες εμφάνισαν αλλοιώσεις στο 46% των ασθενών της Ομάδας Α έναντι 38% των ασθενών της Ομάδας Β. Οι γυναίκες και οι ασθενείς με μεγάλη διάρκεια του διαβήτη εμφάνισαν τις περισσότερες ηλεκτροφορητικές διαταραχές. Δομικές μεταβολές των πρωτεϊνών της μεμβράνης των ερυθρών αιμοσφαιρίων σε συσχέτιση με διαβητική αμφιβληστροειδοπάθεια παρουσιάζονται για πρώτη φορά στη διεθνή βιβλιογραφία. Η ανίχνευση των μεταβολών αυτών θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως αιματικός δείκτης για την ανάπτυξη διαβητικής μικροαγγειοπάθειας. Περαιτέρω μελέτες είναι απαραίτητες ώστε να διερευνηθεί αν ενδεχόμενη φαρμακευτική παρέμβαση στη ρεολογία των ερυθρών αιμοσφαιρίων μπορεί να προλάβει ή να μετριάσει τις επιπλοκές της διαβητικής μικροαγγειοπάθειας. / Several rheological disorders of the erythrocytes, such as increased aggregation and decreased deformability, have been observed in diabetes mellitus and have been implicated in the development of diabetic microangiopathy. Structural alterations of the erythrocyte membrane proteins caused by the diabetic process may be at the origin of these observations. In the present study, we searched for erythrocyte membrane protein alterations in diabetic retinopathy. We examined peripheral blood samples from 40 type-2 diabetic patients with diabetic retinopathy of variable severity (19 males and 21 females, mean age 66.8 years, Group A) and we compared them with samples from 19 type-2 diabetic patients without diabetic retinopathy (13 males and 6 females, mean age 66.5 years, Group B) and 16 healthy volunteers (8 males and 8 females, mean age 65.6 years, Group C). Erythrocyte membrane ghosts from all samples were subjected to SDS-PAGE, and the electrophoretic pattern of transmembrane and cytoskeletal proteins was analysed for each sample. The protein quantification of each electrophoretic band was accomplished through scanning densitometry. No significant deviations from normal electrophoresis were observed in Groups B and C, apart from an increase in band 8 in two samples from Group B (11%). In contrast, in 14 samples from Group A (35%) we detected increases in protein band 8 and/or membrane-bound haemoglobin along with a decrease in spectrin. Moreover, increased mobility of band 3, an aberrant high molecular weight (>255 kDa) band and a low molecular weight (42 kDa) band were evident in 10 samples from Group A (25%). Glycophorins were altered in 46% of Group-A patients versus 38% of Group-B patients. Females and patients with long duration of diabetes presented more electrophoretic abnormalities. Structural alterations of the erythrocyte membrane proteins are shown for the first time in association with diabetic retinopathy. Their detection may serve as a blood marker for the development of diabetic microangiopathy. Further studies are needed to assess whether pharmaceutical intervention to the rheology of erythrocytes can prevent or alleviate microvascular diabetic complications.

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 δια-τριβή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση παθολογικών αιμοσφαιρίων ή να χρησιμοποιηθεί στην αναγνώριση μικροσωματιδίων σε υγρά ή αέρια. / 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 proper-ties. 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.