Στη διδακτορική διατριβή μελετώνται πέντε διαφορετικά προβλήματα που συναντώνται στη δημιουργία ενός συστήματος εκτίμησης ανακλαστικότητας χρώματος αντικειμένων και ποιοτικού ελέγχου έγχρωμων επίπεδων επιφανειών με σχέδια. Το πρώτο πρόβλημα αφορά στην εξαγωγή της απόκρισης φωτεινότητας της κάμερας που θα χρησιμοποιηθεί στο σύστημα. Για την εκτίμησή της προτάθηκαν τέσσερις μέθοδοι (δύο παραμετρικές και δύο μη παραμετρικές) που κάνουν χρήση των δεδομένων πολλαπλών εικόνων τυχαίων σκηνών. Η απόκριση φωτεινότητας εκτιμάται με χρήση πρωτότυπων συστημάτων εξισώσεων υπό περιορισμούς. Το δεύτερο πρόβλημα αφορά την εκτίμηση της φασματικής απόκρισης της κάμερας. Προτείνεται μία νέα μέθοδος που χρησιμοποιεί μοντέλο αθροίσματος κανονικών κατανομών και γενετικό αλγόριθμο. Η μέθοδος αυτή παρουσιάζει ανώτερη απόδοση σε σχέση με άμεσα ανταγωνιστικές μεθόδους στην εκτίμηση των φασματικών αποκρίσεων. Το τρίτο πρόβλημα αφορά επιλογή οπτικών φίλτρων από διαθέσιμο σύνολο για την κατασκευή πολυκαναλικού συστήματος εκτίμησης της φασματικής ανακλαστικότητας αντικειμένων. Προτείνονται νέες προσεγγίσεις με ανώτερη ακρίβεια φασματικής ανακατασκευής ανακλαστικοτήτων σε σχέση με ανταγωνιστικές μεθόδους. Το τέταρτο πρόβλημα αφορά στην επίτευξη χρωματικής ισοστάθμισης. Προτείνεται μία νέα παραδοχή μεγιστοποίησης της αντίθεσης στο κανάλι της φωτεινότητας. Με βάση την παραδοχή αυτή προτείνονται νέες μέθοδοι χρωματικής ισοστάθμισης και συγκρίνονται με υπάρχουσες στη βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα είναι συγκρίσιμα ή και ανώτερα ανταγωνιστικών μεθόδων. Το πέμπτο πρόβλημα αφορά στη δημιουργία συστήματος ανίχνευσης σφαλμάτων σε έγχρωμες επίπεδες επιφάνειες. Προτείνεται ένα πρωτότυπο σύστημα εντοπισμού σφαλμάτων που βασίζεται στην σύγκριση διανυσμάτων χαρακτηριστικών τοπικών ιστογραμμάτων σε πολλαπλά επίπεδα ανάλυσης και χρωματικά κανάλια. Τα διανύσματα χαρακτηριστικών είναι ανεξάρτητα από περιστροφή και μετατόπιση και ανεκτικά σε παραμορφώσεις. Η μέθοδος απαιτεί την ύπαρξη δειγμάτων αναφοράς για εκπαίδευση. Με έναν πρωτότυπο αλγόριθμο εντοπισμού σφαλμάτων, που χρησιμοποιεί τα δεδομένα που αποκτήθηκαν από τα δείγματα αναφοράς, γίνεται εντοπισμός των σφαλμάτων στις εικόνες επισκόπησης. Το σύστημα αξιολογείται όσον αφορά στην απόδοσή του χρησιμοποιώντας μία βάση δεδομένων εικόνων η οποία περιέχει τεχνητά σφάλματα και δημιουργήθηκε για το σκοπό αυτό. / This dissertation analyzes five different problems on the development of an image based reflectance reconstruction system for defect detection on colour patterned planar objects. The first problem involves the estimation of the camera’s photoquantimetric response. Four new methods are proposed (two parametric and two non-parametric) using multiple images of the same static scene. The photoquantimetric response is estimated by the use of a novel formulation of linear systems with restrictions. The second problem refers to the estimation of the camera’s spectral response. Through the use of a sum of Gaussian model combined with genetic algorithms a new formulation is achieved. This new method shows improved performance compared to previous approaches. The third problem involves the selection of a subset of optical filters from an available set for the development of a multispectral reflectance reconstruction system. New approaches are proposed based on statistical features of the system responses providing better reflectance reconstruction accuracy in comparison to previous methods. The fourth problem refers to colour constancy. A novel assumption is proposed based on contrast maximization in the intensity channel. New methods based on this assumption are proposed. These new methods show comparable or even superior performance to existing colour constancy methods. The fifth problem involves the development of a defect detection system for coloured patterned planar surfaces. A novel defect detection system is proposed based on the comparison of statistical local feature vectors at multiple scales of resolution. The features used are rotation and translation invariant and robust to non-linear deformations. The system requires the existence of defect free reference patterns. A novel defect detection algorithm is proposed and tested on a database especially created for the task with satisfying results.

Στην εποχή της Μοριακής Ιατρικής, η ιατρική πληροφορία θα πρέπει να σχετίζεται με την λειτουργία των ιστών και των κυττάρων σε μοριακό επίπεδο. Η ιατρική διάγνωση καθώς και ο σχεδιασμός και η αποτελεσματικότητα της θεραπείας απαιτούν λεπτομερή πληροφόρηση σε θέματα που αφορούν τον μεταβολισμό, τους υποδοχείς, αλλά και την γονιδιακή έκφραση των ιστών. Η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (ΡΕΤ), μέθοδος της Πυρηνικής Ιατρικής είναι ο κυριότερος επί του παρόντος εκπρόσωπος της Μοριακής Απεικόνισης, διαγιγνώσκει δηλαδή απεικονιστικά παθήσεις σε μοριακό επίπεδο με την βοήθεια ραδιοφαρμάκων. Τα τελευταία χρόνια υπάρχει όλο και μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη συστημάτων Τομογραφίας Εκπομπής Ποζιτρονίων που αφορούν την απεικόνιση μικρών ζώων (animal PET). Τα συστήματα αυτά είναι σχεδιασμένα ώστε να κάνουν απεικόνιση ανατομικών δομών μικρότερων από αυτές του ανθρώπου. Τα οφέλη πολλά, τόσο στην αξιολόγηση νέων ραδιοφαρμάκων, όσο και στην βελτίωση των κλινικών PET μέσα από την μελέτη και την ανάπτυξη τέτοιων πρότυπων συστημάτων. Το αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας αφορά την μελέτη σε βάθος και κατανόηση της λειτουργίας ενός πρότυπου συστήματος PET (Positron Emission Tomography). Σε πειραματικό επίπεδο θα γίνει εκμάθηση και λήψη δεδομένων μέσω των ηλεκτρονικών μονάδων NIM. Τα χαρακτηριστικά του συστήματος που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία είναι μια μικρή PET κάμερα, που αποτελείται από δυο κεφαλές βασισμένες σε χωρικά ευαίσθητο φωτοπολλαπλασιαστή H8500 και διακριτοποιημένο κρύσταλλο LSO κυψελίδων 2x2mm2, πεδίου διαστάσεων 5x5cm2. Κάθε κεφαλή περιλαμβάνει ένα φωτοπολλαπλασιαστή, ένα κρύσταλλο και ηλεκτρονικά τα οποία είναι υπεύθυνα για την προ-ενίσχυση. Το σύστημα συλλογής δεδομένων θα γίνει μέσω των ηλεκτρονικών NIM (Nuclear Instrumentation Module) και θα συγκριθεί με εκείνο του small animal PET. Σκοπός μας είναι να χρησιμοποιήσουμε τις κατάλληλες μονάδες (ενισχυτές, διευκρινιστές, μονάδες σύμπτωσης και gate and delay generators), ώστε να καταγραφεί το είδος των μεταφερομένων σημάτων σε όλες τις επιμέρους μονάδες. Στη συνέχεια και ύστερα από επεξεργασία των δεδομένων στον υπολογιστή θα πραγματοποιηθεί απεικόνιση ομοιωμάτων ή μικρών ζώων. Η σύγκριση καθώς και η κατανόηση της λειτουργίας του τρόπου με τον οποίο γίνεται η σύμπτωση και η συλλογή των δεδομένων θα μας βοηθήσει μελλοντικά στην ανάπτυξη ενός νέου συστήματος PET με βέλτιστα επιθυμητά χαρακτηριστικά. / In this work dual head PET camera, suitable for high resolution small animal studies has been developed. The system has a field of view of 5x5cm and is based on 2 H8500 position sensitive photomultiplier tubes (PSPMTs), coupled to two LSO crystals with 2.5x2.5mm pixel size. Then an FPGA based data acquisition system and proper data reconstruction system collect events, sort coincidences and produce images. We develop a system that is responsible for the coincidence detection based on NIM electronics. Systems evaluation has been carried out using FDG. Point sources have been used for systems calibration. Capillaries with 1.1mm inner diameter were imaged.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναζητείται ένας αυτόματος τρόπος ελέγχου, του επιπέδου της εκπεμπόμενης ισχύος προς το εσωτερικό του ανθρωπίνου σώματος. Εκεί μέσα βρίσκεται κάποιο ενεργό ιατροτεχνολογικό εμφύτευμα. Αυτό το εμφύτευμα στην περίπτωση της εργασίας αυτής, ήταν μία κάψουλα που καταγράφει με φωτογραφίες το γαστρεντερικό σύστημα καθώς οι περισταλτικές κινήσεις του εντέρου προωθούν την κάψουλα προς την έξοδο. Οι φωτογραφίες μεταδίδονται προς καταγραφικό που βρίσκεται έξω από το σώμα με ασύρματο τρόπο. Όπως καταλαβαίνουμε η κάψουλα αυτή αλλά και οποιοδήποτε άλλο ενεργό ιατροτεχνολογικό εμφύτευμα έχει ενεργειακές ανάγκες για την απρόσκοπτη λειτουργία του. Αυτές οι ανάγκες καλύπτονται με ασύρματη μετάδοση ενέργειας. Οι καινοτομίες που υπάρχουν σ’ αυτήν την εργασία είναι οι εξής: 1. Όσον αφορά το εξωτερικό τροφοδοτικό χρησιμοποιήθηκε ένας αντιστροφέας συντονισμού κλάσης D 2. Το πιο καινοτόμο στοιχείο είναι η δημιουργία κλειστού βρόχου ελέγχου μεταξύ του εξωτερικού τροφοδοτικού και του εμφυτεύματος ώστε αυτό να λαμβάνει την ποσότητα της ενέργειας που χρειάζεται κάθε στιγμή. 3. Επίσης σημαντικό είναι ότι η μετάδοση πληροφορίας από το εμφύτευμα προς τα έξω δεν γίνεται με μία ξεχωριστή συχνότητα αλλά χρησιμοποιώντας αρχές παθητικής τηλεμετρίας. Η εργασία αυτή πέρα από την θεωρητική προσέγγιση υλοποιήθηκε και πρακτικά σε εργαστήρια του πανεπιστημίου KUL (ESAT MICAS) στο Βέλγιο. Ο Βρόγχος ελέγχου λειτούργησε και πολλά συμπεράσματα εξάχθηκαν για περεταίρω βελτιώσεις. Η δομή του παρόντος πονήματος είναι ως εξής: Μετά την αρχική εισαγωγή το δεύτερο κεφάλαιο μας δίνει ένα θεωρητικό υπόβαθρο για την ασύρματη μετάδοση ενέργειας. Στη συνέχεια τα διάφορα μέρη των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων που αναπτύχθηκαν αναλύονται διεξοδικά στα επόμενα κεφάλαια. Τέλος καταγράφονται τα συμπεράσματα και προτείνονται πιθανές βελτιώσεις για το μέλλον. / In this diploma thesis a way to have an automated control of the transmitted power level into the human body is sought. Inside the body there is an active medical implant. This implant in the case of this project is a swallowable capsule-camera that captures images along the GI tract as the peristaltic propulusion of the bowel push the capsule towards the exit. The photos are transmitted wirelessly to a special recording device that is located out of the body. It is obvious that not only this capsule but any other active medical implant needs energy to operate uninterrupted. This necessary energy is given through inductive power transmission. Innovations in this project are these: 1. The power supply outside the body is realized with Class-D resonant inverter topology. 2. The most innovative is the effectuation of closed control loop between the outer power supply and the implant in order to be received from the implant the exact amount of power that is needed every instant. 3. Also significant is that the transmission of data from the implant to the controlled power supply is not be done with a different carrier but using passive telemetry principles. Beyond the theoretic approximation that was made for this project, it was also realized in KUL university laboratories (ESAT MICAS) in Belgium. The closed control loop functioned properly and conclusions for further development are inferred. The structure of this diploma thesis is as follows: After the starting introduction the theoretic background for wireless inductive power transmission is given in chapter 2. Following, the different parts of the electronic circuits that were developed are analyzed comprehensively in next chapters. Finally conclusions are registered and future improvements are proposed.

- / The term Molecular Imaging (MI) can be broadly defined as the in vivo characterization and measurement of biological processes at the cellular and molecular level. In contradistinction to “classical” diagnostic imaging, it sets forth to probe the molecular abnormalities that are the basis of disease rather than to image the end effects of these molecular alterations. The underlying biology represents a new arena for many researchers. A number of technological challenges such as signal amplification, data and image processing and efficient imaging strategies, provide a fast growing scientific domain. Positron Emission Tomography (PET), Magnetic Resonance Imaging (MRI), Single Photon Emission Tomography (SPECT) and optical imaging are the main tools of clinical molecular imaging. Nuclear medicine techniques (SPECT and PET) are key players in MI. New radiopharmaceutical products are currently being developed, in order to increase the specificity and sensitivity of existing imaging techniques. Small animal imaging is the main tool for the evaluation of those derivatives, especially in dynamic in vivo studies. In this, preclinical part, high resolution and high sensitivity imaging equipment is necessary; as a result a number of such prototypes have been developed worldwide and some of them are commercialized. However, there cost is usually not affordable for small or medium size laboratories. In this work a low cost dual head PET camera, suitable for high resolution small animal studies has been developed. It is the result of the collaboration between Jefferson lab and Technological Educational Institute of Athens (TEI) and is currently evaluated in Institute of Radioisotopes and Radiodiagnostic Products (IRRP), in “Demokritos” Center. The system has a field of view of 5x5cm and is based on 2 H8500 position sensitive photomultiplier tubes (PSPMTs), coupled to two LSO crystals with 2.5x2.5mm pixel size. Then an FPGA based data acquisition system and proper data reconstruction system collect events, sort coincidences and produce images. The DAQ board consists of 16-channel DAQ modules installed on a USB2 carrier. Each channel is an independent acquisition system consisting of traditional analog pulse processing, FPGA analog control, and FPGA signal processing. After acquisition and processing, channel data are assembled into event blocks for readout by the carrier board. Application specific tasks are performed in JAVA using the Kmax interface. The GUI was designed to be easy-to-use. In order to further analyze images and process the results proper algorithms were developed in MATLAB and ImageJ. Systems evaluation has been carried out using FDG. Point sources have been used for systems calibration. Capillaries with 1.1mm inner diameter were imaged and used for resolution calculation. Finally a mouse injected with 100μCi of FDG was imaged. Spatial resolution has been measured using thin capillaries (1.1mm inner diameter) and found equal to 3,5mm in planar mode. This lower limit is determined by LSO pixels size (2.5×25mm2). Simulation studies have shown that resolution lower than 2mm will be achieved in tomographic mode. Mice injected with FDG are presented. Brain and heart are clearly imaged. Currently, a rotating base is constructed, in order to upgrade the system to a tomographic PET. PET results will be presented as well. In addition, IRRP and TEI are working on new radiopharmaceuticals based on Cu-64. It must be stated that PET market opened in Greece four years ago; This system is the first working small PET prototype in Greece and it initiates national preclinical PET research.

Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων για τον εντοπισμό του οφθαλμού και τον υπολογισμό συγκεκριμένων παραμέτρων που συνδέονται με την κατάσταση του χρήστη. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ένα ολοκληρωμένο Σύστημα Εντοπισμού Οφθαλμού που περιλαμβάνει τα υποσυστήματα της CMOS κάμερα, της μεταφοράς δεδομένων – εικόνων, της ψηφιοποίησης των δεδομένων, και τέλος το υποσύστημα της επεξεργασίας εικόνων οφθαλμού και του υπολογισμού παραμέτρων. Στα πλαίσια του τελευταίου αυτού υποσυστήματος αναπτύχθηκαν δύο μεθοδολογίες που βασίστηκαν στην εφαρμογή αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων. Η πρώτη μεθοδολογία βασίστηκε στον υπολογισμό της μέσης φωτεινότητας για την άνω και την κάτω περιοχή του οφθαλμού. Η χρονική μεταβολή των δύο τιμών της φωτεινότητας χρησιμοποιήθηκε για την εξαγωγή πληροφοριών για την κατάσταση του οφθαλμού (ανοιχτός ή κλειστός). Η δεύτερη μεθοδολογία στηρίχτηκε σε ένα συνδυασμό τεχνικών ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων. Η επεξεργασία κάθε εικόνας της ακολουθίας video περιλαμβάνει τέσσερα βασικά βήματα: (α) ευθυγράμμιση της εικόνας σε σχέση με ένα κοινό σύστημα αναφοράς, (β) εφαρμογή δύο φίλτρων για την ανίχνευση των κορυφών και των κοιλάδων της εικόνας, (γ) σύντηξη των δύο φιλτραρισμένων εικόνων που προκύπτουν και (δ) μετατροπή της εικόνας σύντηξης σε δυαδική με εφαρμογή κατάλληλου κατωφλίου. Η καταμέτρηση των λευκών εικονοστοιχείων της δυαδικής εικόνας στην περιοχή του οφθαλμού καθορίζει την κατάσταση του οφθαλμού (ανοικτός ή κλειστός). Τέλος, και μέσω του λογισμικού, υπολογίζονται οι σχετικές παράμετροι της κατάστασης του οφθαλμού όπως ο αριθμός ανοιγο-κλεισίματος οφθαλμού, η διάρκεια κάθε ανοιγο-κλεισίματος οφθαλμού και οι χρονικές αποστάσεις μεταξύ των προσδιορισμένων ανοιγο-κλεισιμάτων σε μια αλληλουχία συλλεγμένων εικόνων. / The scope of the thesis was the development and application of digital image processing techniques in order to detect human eye in video sequences and determine parameters related to the user’s state. Specifically, an integrated Eye-Tracking System was used in order to obtain the necessary image frames for further processing. The System consists of four modules, the CMOS camera module, the transfer module, the digitization module and the software module. The software module was based on the application of image processing techniques to detect the eye and calculate specific parameters. Two image processing techniques were developed and tested throughout this thesis. The first method was based on the calculations of the mean brightness of the upper and lower eye region for each frame of the video sequence. The temporal variation of this mean value provided useful information for the eye state (open/closed). The second method was based on a combination of various image processing techniques. The processing of each video frame comprises of four basic steps: a) registration of the image in relation to the first frame of the video sequence, b) filtering in order to detect the peaks and valleys of the image being processed, c) fusion of the filtered images, and d) binarization of the fused image by thresholding. The calculation of the number of white pixels in the eye region of the binary image indicates the state of the eye (open/closed) and allows the determination of the blink parameters related to the user’s state (vigilance/somnolence). The parameters being measured throughout this thesis were the number of eye blinks, the blink duration and the blink interval.

Σκοπός της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η ανάπτυξη συγκεκριμένης μεθοδολογίας και αλγορίθμων ψηφιακής επεξεργασίας εικόνων για την αυτόματη εκτίμηση των διαμέτρων αγγείων σε οφθαλμολογικές εικόνες. Η συγκεκριμένη μέτρηση της διαμέτρου των αγγείων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην έγκαιρη διάγνωση παθήσεων καθώς έχει αποδειχθεί ότι υπάρχει συσχετισμός μεταξύ των μεταβολών των τιμών των εν λόγω διαμέτρων και της εμφάνισης αλλοιώσεων στον αμφιβληστροειδή. Στα πλαίσια της εργασίας, υλοποιήθηκαν δύο μεθοδολογίες για τον υπολογισμό των διαμέτρων αγγείων οφθαλμολογικών εικόνων, οι οποίες συλλέγονται με χρήση κάμερας πυθμένα (fundus camera). Η πρώτη μεθοδολογία στηρίζεται στην εύρεση των σημείων που αποτελούν τους κεντρικούς άξονες των υπό εξέταση αγγείων με χρήση διαφορικού λογισμού. Ακολούθως, σε κάθε σημείο που ανήκει σε κεντρικό άξονα αγγείου, υπολογίζονται οι παράμετροι μιας συνάρτησης. Η εν λόγω συνάρτηση περιγράφει βέλτιστα τα επίπεδα φωτεινότητας της εικόνας κατά μήκος του ευθύγραμμου τμήματος που διέρχεται από το σημείο και είναι κάθετο στο αγγείο. H εύρεση των παραμέτρων της συνάρτησης πραγματοποιείται με χρήση τεχνικών βελτιστοποίησης. Το τελικό βήμα της μεθοδολογίας είναι η εκτίμηση της διαμέτρου των αγγείων από τις τιμές των παραμέτρων που έχουν υπολογιστεί. Η δεύτερη μεθοδολογία στηρίζεται στον αλγόριθμο που προτείνει ο P.H. Gregson. Αρχικά, πραγματοποιείται κατάτμηση της εικόνας με κατωφλίωση και εφαρμόζονται μορφολογικοί τελεστές συστολής και διαστολής στην εικόνα. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται ο αλγόριθμος λέπτυνσης (thinning algorithm) με σκοπό την εύρεση των κεντρικών αξόνων των αγγείων και τέλος εκτιμάται η διάμετρος σε κάθε σημείο του κεντρικού άξονα με χρήση των επιπέδων του γκρίζου των εικονοστοιχείων που κείνται στην ευθεία που είναι κάθετη στο αγγείο σε κάθε σημείο του. / The scope of this Thesis is the development of a methodology and advance image processing techniques in order to automatically estimate vessel diameters in ophthalmological images. Motivation for the thesis is the fact that the measurement of vessel diameter plays significant role in the seasonable diagnosis of vascular disorders, as it is believed to be a relation between the variation in diameters and the detection of retinal disorders. In this thesis, two methodologies are developed in order to be applied in ophthalmological images that are collected by using a fundus camera. The first methodology is based on the detection of the pixels that constitute the centerlines of vessels, by using differential calculus. Specifically, at each pixel that belongs to a centerline of vessel, the parameters of a specific function are calculated. This function describes as accurately as possible the intensity levels along the segment that passes through the specific pixel and is perpendicular to the vessel. The parameters of this function are estimated using optimization techniques. The final step of the methodology is the assessment of the diameters of vessels using the values of the parameters. The second methodology is based on the algorithm that P.H.Gregson has proposed. At first, the vessels are detected by tresholding and a morphological closing algorithm is applied. Then, a thinning algorithm is used in order to detect the pixels that constitute the centerlines of the vessels and ultimately the diameter at each pixel of the centerlines is assessed using the gray levels of the pixels that constitute the segment that is perpendicular to the vessel at each specific pixel.