Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εύρεση γεωμετρικών χαρακτηριστικών των αιμοσφαιρίων με ψηφιακή επεξεργασία της σκεδασμένης μονοχρωματικής ακτινοβολίας. Αποτελείται από 5 κεφάλαια. Σε αυτά περιλαμβάνεται η ανάπτυξη, η υλοποίηση και τα αποτελέσματα τεχνικών για την ψηφιακή ανάλυση κι επεξεργασία ιατρικών εικόνων κάτι που παρουσιάζει ιδιαίτερο επιστημονικό ενδιαφέρον. Oι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν υλοποιήθηκαν με τη βοήθεια του MATLAB 7.1. O κώδικας προγραμματίστηκε από τον Κύριο Aποστολόπουλο και τα αποτελέσματα της εξομοίωσής τους αξιολογήθηκαν σε συνεργασία με τον καθηγητή Κύριο Δερματά. Στο κεφάλαιο 1 επιχειρείται μια εμπεριστατωμένη ανασκόπηση της διεθνούς βιβλιογραφίας πάνω στα ερευνητικά θέματα που άπτονται του “ευθέως προβλήματος” ως θεωρητικό μοντέλο. Αποτελείται από έξι υποκεφάλαια με το πρώτο να αφιερώνεται στη θεωρητική ανάλυση της σκέδασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ΗΜ). Στο δεύτερο υποκεφάλαιο γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση εργασιών που ασχολούνται με τη φυσιολογία και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των ερυθροκυττάρων, ενώ στο τρίτο υποκεφάλαιο αναλύεται το “ευθύ πρόβλημα σκέδασης”. Στη συνέχεια αναλύεται η σκέδαση ανθρώπινου αιμοσφαιρίου από Ηe-Νe laser και από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Τέλος παρατίθενται εικόνες από laser, οι οποίες προέκυψαν από πειράματα του Κυρίου Τσινόπουλου. Στο κεφάλαιο 2, αναφέρονται βασικές έννοιες ηλεκτρομαγνητισμού και σκέδασης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Αρχικά ορίζεται το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα και η οπτική Η/Μ ακτινοβολία, η δομή της ύλης και των ατόμων και η απορρόφηση του φωτός από ερυθρά αιμοσφαίρια. Στο τέταρτο υποκεφάλαιο γίνεται μια εκτενής αναφορά στη θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού, τις εξισώσεις Maxwell και τις μακροσκοπικές ιδιότητες του μέσου, για κενό χώρο, ισότροπο και ανισότροπο μέσο καθώς επίσης και οι συνοριακές συνθήκες. Τέλος διατυπώνεται η κυματική μορφή των εξισώσεων Maxwell. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται εφαρμογές παρόμοιων πειραμάτων με το “ευθύ πρόβλημα” σκέδασης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σχετικά με τη σκέδαση μικροσωματιδίων. Αρχικά αναλύονται εκτενώς τεχνικές της βιοτεχνολογίας και ιατρικής, όπως η ακτινοδιαγνωστική, η αθηροσκλήρωση και η βρογχοσκόπηση. Στη συνέχεια παρατίθενται εφαρμογές πέραν της ιατρικής οι οποίες παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον στη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου. Ανάμεσα σ’ αυτές είναι ο προσδιορισμός του μεγέθους βακτηριδίων και η χρήση του Radar. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται η γενική μορφή του “αντίστροφου προβλήματος” ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης. Αρχικά παρατίθενται ο ορισμός του προβλήματος, τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται εκτενώς η επαναληπτική μέθοδος του “αντίστροφου προβλήματος” ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης. Τέλος μοντελοποιούμε το παραπάνω πρόβλημα και αναλύονται τα προβλήματα που προκύπτουν ως αποτέλεσμα ενός παραδείγματος αναδημιουργίας αεροσκάφους με “αντίστροφη σκέδαση”. Στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται εφαρμογές “αντίστροφων προβλημάτων” ηλεκτρομαγνητικής σκέδασης, καθώς και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους. Μερικές από αυτές τις εφαρμογές αναλύονται εκτενώς, όπως η εκτίμηση μεγέθους κοπαδιού ψαριών με αεροφωτογραφία, η επισκόπηση αρχαιολογικής γεωφυσικής και η σκέδαση φωτός δισδιάστατης γωνίας για το χαρακτηρισμό των μικροσωματιδίων αεροσκάφους. Στο κεφάλαιο 6 αναλύεται πειραματικά το “αντίστροφο πρόβλημα” σκέδασης με αναφορές σε βασικές έννοιες που χρησιμοποιούνται στο παρόν πείραμα, όπως η κανονικοποίηση εικόνας, ο DCT (Discrete Cosine Transform) και το νευρωνικό Δίκτυο. Εν συνεχεία εκτιμάται το μέγεθος και η μορφή του RBC με το “αντίστροφο πρόβλημα” σκέδασης. Τα προκύπτοντα μεγέθη μετασχηματίζουμε με Discrete Cosine Transform (DCT) κι εξάγουμε χαρακτηριστικά γνωρίσματα. Στη συνέχεια κανονικοποιούμε τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα και προβλέπουμε τα νευρωνικά δίκτυα για το μέγεθος και τη μορφή των RBC. Τέλος εξάγονται πειραματικά αποτελέσματα και συμπεράσματα. Στο τελευταίο κεφάλαιο δίνονται οι μετρήσεις των ερυθροκυττάρων. Γίνεται μια γενική αναφορά στις εικόνες και την ψηφιακή επεξεργασία τους με τη βοήθεια του MATLAB 7.1. Αναφέρονται οι τύποι των εικόνων και η δομή τους καθώς και τα χρήσιμα Φίλτρα Εξάλειψης Θορύβου Εικόνας. Τέλος παρατίθενται οι γραφικές παραστάσεις που προκύπτουν από το Μatlab 7.1 του μέσου απόλυτου σφάλματος (Regression Error) και της επιτυχίας αναγνώρισης σχετικά με τον αριθμό των νευρώνων και σχολιάζονται αναλυτικά. / -

Η παρουσία σκόνης στο πλάσμα απασχόλησε ιδιαίτερα τους μελετητές στην εκτέλεση εφαρμογών υψηλής τεχνολογίας και κατασκευής. Η εμφάνιση των σωματιδίων μέσα σε αντιδραστήρες πλάσματος, μόλυνε τα υποστρώματα, μείωνοντας κατά αυτό το τρόπο την παραγωγική διαδικασία και διαταράσοντας με απρόβλεπτους τρόπους το πλάσμα. Ο σχηματισμός και η πυρήνωση των σωματιδίων μέσα στο πλάσμα είχε τεράστιες επιπτώσεις στις βιομηχανίες (οικονομικές κτλ.). Βέβαια με την πάροδο των χρόνων και τις αλλεπάληλες μελέτες που έγιναν οι επιστήμονες κατάφεραν να ελέγξουν αυτό το συνεχή σχηματισμό σωματιδίων. Με τον καιρό, κάποιοι μελετητές εκμεταλεύτηκαν την παρουσία σκόνης και οδηγήθηκαν στην ανάπτηξη νέων προϊόντων. Αυτή είναι η περίπτωση των πολυμορφικών ηλιακών κυττάρων (δηλ. αμορφα υδρογονωμενα ηλιακά κύτταρα με ενσωματωμένους νανοκρυσταλλίτες). Η κατασκευή αυτή έγινε απο την ομάδα του Roca i Cabarrocas του Πολυτεχνείου Ecole στην Γαλλία. Στην παρούσα εργασία θα γίνει η μελέτη σχηματισμού και ανάπτυξης των σωματιδίων στα διάφορα στάδιά τους και θα παρουσιαστούν διάφοροι τρόποι ανίχνευσης αυτών. Σκοπός μας είναι να βρούμε την ακριβή χρονική στιγμή σχηματισμού της σκόνης και να επεμβαίνουμε ώστε να σταματάμε την περαιτέρω ανάπτυξή της. / -

Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη μέτρησης της διασποράς μεγέθους λιποσωμάτων με την τεχνική της συντονιζόμενης ανίχνευσης παλμών ωμικού ρεύματος, σε σύγκριση με την μέθοδο της δυναμικής σκέδασης φωτός, που χρησιμοποιείται συνήθως. Για τον σκοπό αυτό, μελετήθηκε η διασπορά μεγέθους διαφόρων λιποσωμικών διασπορών, σε διάφορους χρόνους μετά την παρασκευή τους, πριν και μετά από λυοφιλοποίηση, καθώς και όταν επωάστηκαν (για διάφορες χρονικές περιόδους) παρουσία πρωτεϊνών. Όλοι οι τύποι λιποσωμάτων χαρακτηρίστηκαν ως προς το μέγεθος και τον δείκτη πολυδιασποράς και με τις δύο τεχνικές: Δυναμική σκέδαση φωτός (DLS) και την τεχνική συντονισμένης ανίχνευσης παλμών ωμικού ρεύματος (TRPS). Από την μελέτη σταθερότητας μεγέθους των λιποσωμάτων μετά από λυοφιλοποίηση (freeze-drying), φαίνεται ότι η σταθερότητα του μεγέθους, εξαρτάται από το υδατικό μέσο στο οποίο βρίσκονται και από την λιπιδική συγκέντρωση του δείγματος. Ακόμα, έγινε προσπάθεια να διερευνηθεί αν το ποσοστό του φορτίου που φέρουν τα λιποσώματα, επηρεάζει την σταθερότητα του μεγέθους, και παρασκευάστηκαν SUV λιποσώματα με διαφορετικό φορτίο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η σταθερότητα μεγέθους των λιποσωμάτων με την πάροδο του χρόνου, δεν εξαρτάται από τη συγκέντρωση της διασποράς (τουλάχιστον στην περιοχή συγκεντρώσεων που μελετήθηκαν), αλλά από το φορτίο που φέρουν. Πιο συγκεκριμένα, στα λιποσώματα με 20% PG, το μέγεθος αυξήθηκε κατά 5-22%, σε αντίθεση με τα λιποσώματα που φέρουν 10% PG, στα οποία το μέγεθος αυξήθηκε κατά 2,5-10%. Τέλος, η επώαση παρουσία πρωτεϊνών, φάνηκε να επηρεάζει σημαντικά το μέγεθος των λιποσωμάτων (με και χωρίς φορτίο) μετά από 48 ώρες. / The aim of this study is to investigate the results of a TRPS technique to measure the size distribution of various types of liposomes in comparison with those obtained by the classically used DLS methodology. For this, the size stability of liposomes was studied (using both techniques) before and after a freeze drying cycle, and also before and after their incubation (for various time periods) in presence of proteins. All types of liposomes were characterized for their size and polydispersity index, by using the two techniques: Dynamic light scattering (DLS) and Tunable Resistive Pulse Sensing (TRPS). The size stability study of liposomes, after freeze-drying, was found to depend on the aqueous medium in which they are dispersed (buffer or glucose) and (more) on the lipid concentration of the dispersions. The effect of adding a charged lipid in the liposome bilayer on their size stability was additionally investigated. For this, charged and non-charged SUV liposomes were prepared. According to the results the size stability of liposomes is affected by their charge. Specifically, liposomes with 20% PG, size increased by 5-22 % and liposomes with 10% PG, size increased by 2,5-10 %. Finally, the size stability of liposomes in the presence of proteins was studied, by using two different liposome types, with or without charge. The results showed that the size distribution remained stable during the first 48 hours of incubation but after that, liposome size was significantly increased.

Λόγω της διαφάνειας των οφθαλμικών ιστών η σκέδαση φωτός αποτελεί ιδανικό εργαλείο για την ανίχνευση των αρχικών σταδίων ορισμένων παθολογικών τους καταστάσεων. Για παράδειγμα, η θόλωση του φακού των θηλαστικών λόγω ηλικίας ή/και άλλων εξωγενών αιτίων καλείται καταρράκτης. Ο καταρράκτης δεν μπορεί να διαγνωστεί κλινικά σε πρώιμο στάδιο με αποτέλεσμα την δημιουργία σοβαρών προβλημάτων στην όραση. Το γεγονός ότι το φως έχει την ικανότητα να ανιχνεύει τις μοριακές αλλαγές οι οποίες είναι πρόδρομα συμπτώματα του καταρράκτη αναδεικνύει την σημασία της έγκαιρης διάγνωσης στην αντιμετώπιση διάφορων οφθαλμικών παθήσεων. Ο φακός θεωρείται ως ένα πυκνό διάλυμα πρωτεϊνών (κρυσταλλίνες, ~40 % wt) σε νερό και η αδιαφάνεια η οποία αποτελεί την εκδήλωση του καταρράκτη προκαλείται ουσιαστικά από την συσσωμάτωση των πρωτεϊνών. Στόχος αυτής της διατριβής είναι η διερεύνηση των μοριακών μεταβολών οι οποίες λαμβάνουν χώρα κατά την ανάπτυξη του καταρράκτη. Ιδιαίτερη σημασία δίνεται επίσης στην ανάπτυξη μιας μη-επεμβατικής μεθοδολογίας για έγκαιρη διάγνωση οφθαλμικών παθήσεων με τη βοήθεια της δυναμικής σκέδασης φωτός. Με την βοήθεια της τεχνικής αυτής, κατάλληλα τροποποιημένης για την μελέτη οφθαλμικών ιστών, μελετήθηκαν οι δυναμικές ιδιότητες των πρωτεϊνών χοίρειων φακών (π.χ. οι συντελεστές διάχυσης, η θερμοκρασιακή τους εξάρτηση σε διάφορα μέρη του φακού, κλπ.) χρησιμοποιώντας το πειραματικό μοντέλο του “ψυχρού” καταρράκτη. Στο μοντέλο αυτό η ελεγχόμενη ψύξη φακών επιφέρει βαθμιαία καταρρακτογένεση. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε σε τέσσερα κυρίως είδη περαμάτων. (α) Μελέτη της εμφάνισης του ψυχρού καταρράκτη στον πυρήνα του φακού. (β) Μελέτη της επίδρασης του μήκους κύματος της ακτινοβολίας στην εμφάνιση και στην έκταση του φαινομένου του ψυχρού καταρράκτη. (γ) Μελέτη του φαινομένου του ψυχρού καταρράκτη κατά μήκος μιας διαμέτρου του φακού, δεδομένης της βαθμίδας συγκέντρωσης των πρωτεϊνών του φακού (μεγάλη συγκέντρωση στον πυρήνα και μικρή συγκέντρωση στην περιφέρεια του φακού). (δ) Μελέτη του επίδρασης της προθέρμανσης του φακού σε θερμοκρασίες υψηλότερες της φυσιολογικής στο φαινόμενο του ψυχρού καταρράκτη. Τα βασικά συμπεράσματα της παρούσας διατριβής συνοψίζονται ως εξής. Υπάρχουν σαφείς συσχετισμοί μεταξύ των φασματικών χαρακτηριστικών (συναρτήσεις αυτοσυσχέτισης) και των ιεραρχικών σταδίων ανάπτυξης του καταρράκτη. Ποιοτικές και ποσοτικές αλλαγές στην θερμοκρασιακή εξάρτηση διαφόρων παραμέτρων, οι οποίες σχετίζονται με τις μοριακές διαμορφώσεις των αρχικών σταδίων του καταρράκτη, εμφανίζονται ήδη από τους 17 oC όπου ο πυρήνας του φακού είναι ακόμα διαυγής. Η χρήση ακτινοβολίας κοντά στο υπεριώδες μέρος τους φάσματος ενισχύει την ανάπτυξη του ψυχρού καταρράκτη στον πυρήνα του φακού. Ο ψυχρός καταρράκτης δεν αναπτύσσεται στην περιφέρεια του φακού. Η προθέρμανση του φακού σε συγκεκριμένη θερμοκρασία καθώς και ο χρόνος παραμονής σε αυτήν επηρεάζει σημαντικά την ανάπτυξη του ψυχρού καταρράκτη στον πυρήνα αλλά όχι στην περιφέρεια του φακού. Όλα τα παραπάνω δείχνουν πως η δυναμική σκέδαση φωτός μπορεί να παρέχει παραμέτρους οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν με επιτυχία ως ευαίσθητοι και αξιόπιστοι δείκτες της έγκαιρης, μη-επεμβατικής, και in vivo διάγνωσης του καταρράκτη. / On account of the transparency of ophthalmic tissues, light scattering is an ideal tool for detecting the early stages of some of their pathological conditions. For example, the opacity of the mammalian lens due to age or other external causes is called cataract. Cataract cannot be detected clinically at early stages and as a result serious vision problems appear. The fact that, light has the ability to detect molecular changes that are related to the mechanism of cataract formation draws attention to the importance of early diagnosis in ophthalmic disorders. The lens can be considered as a dense colloidal protein dispersion (crystallins, ~ 40% wt) in water where the opacity that leads to cataract formation how its basis to the aggregation of proteins. This dissertation is aimed at studying the molecular changes that take place upon cataract development. Particular emphasis is paid to the development of a non-invasive methodology for early diagnosis of ocular diseases with the aid of dynamic light scattering. By means of this technique, suitably modified for the study of ophthalmic tissues, the dynamic properties of the proteins of porcine lenses (e.g. diffusion coefficients and their temperature dependence at various parts inside the lens, etc.) were studied by using the experimental model of ‘cold’ cataract. In cold cataract the controlled cooling of the lens at temperatures below the physiological one induces gradual cataractogenesis. In particular, we focused on four kinds of experiments. (a) Detailed study on the cold cataract onset in the lens nucleus. (b) Study on the effect of the laser light wavelength in the onset and the extent development of cold cataract. (c) Study of the cold cataract effect along an equatorial diameter of the lens, considering the gradual concentration of the lens proteins (high protein concentration in the nucleus and low concentration in the cortex). (d) Study on the effect of thermal history, i.e. by warming up the lens at temperatures higher than the physiological one on the cold cataract effect. The basic conclusions of the present dissertation are summarized as follows: There are clear correlations between the spectral characteristics (autocorrelation functions) and the hierarchical stages of the onset of cataract. Qualitative and quantitative changes in the temperature dependence of several parameters, which are related with the diffusive motions of proteins at the early stages of cataract, appear already at 17 oC while the nucleus is still clear and highly transparent. The use of laser radiation close to the ultraviolet part of the spectrum seems to enhance the formation of cold cataract in the lens nucleus. Cold cataract does not develop at the cortex of the lens, in view of the low protein concentration. The lens pre-heating at a certain temperature for various time periods affects significantly cold cataract formation in the lens nucleus but not in lens cortex. The above mentioned make clear that dynamic light scattering can indeed provide useful parameters that can be successfully used as sensitive and reliable indicators for the early, non-invasive diagnosis of cataract in mammalian lenses and in vivo.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία θα γίνει μελέτη και εφαρμογή μεθόδων επίλυσης του προβλήματος αναγνώρισης γεωμετρικών χαρακτηριστικών ανθρώπινων ερυθρών αιμοσφαιρίων από προσομοιωμένες εικόνες σκέδασης ΗΜ ακτινοβολίας ενός He-Ne laser 632.8 μm. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στις ιδιότητες και τα χαρακτηριστικά του ερυθροκυττάρου καθώς, επίσης, παρουσιάζονται διάφορες ανωμαλίες των ερυθροκυττάρων και οι μέχρι στιγμής χρησιμοποιούμενοι τρόποι ανίχνευσής των. Στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται μια εισαγωγή στις ιδιότητες της ΗΜ ακτινοβολίας, περιγράφεται το φαινόμενο της σκέδασης και παρουσιάζεται το ευθύ πρόβλημα σκέδασης ΗΜ ακτινοβολίας ανθρώπινων ερυθροκυττάρων. Το τρίτο κεφάλαιο αποτελείται από δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος γίνεται εκτενής ανάλυση της θεωρίας των τεχνητών νευρωνικών δικτύων και περιγράφονται τα νευρωνικά δίκτυα ακτινικών συναρτήσεων RBF. Στη συνέχεια, αναφέρονται οι μέθοδοι εξαγωγής παραμέτρων και, πιο συγκεκριμένα, δίνεται το θεωρητικό και μαθηματικό υπόβαθρο των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν οι οποίες είναι ο αλογόριθμος Singular Value Decomposition (SVD), o Angular Radial μετασχηματισμός (ART) και φίλτρα Gabor. Στο δεύτερο μέρος περιγράφεται η επίλυση του αντίστροφου προβλήματος σκέδασης. Παρουσιάζεται η μεθοδολογία της διαδικασίας επίλυσης όπου εφαρμόστηκαν ο αλογόριθμος συμπίεσης εικόνας SVD, o περιγραφέας σχήματος ART και ο περιγραφέας υφής με φίλτρα Gabor για την εύρεση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και νευρωνικό δίκτυο ακτινικών συναρτήσεων RBF για την ταξινόμηση των ερυθροκυττάρων. Στο τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο γίνεται δοκιμή και αξιολόγηση της μεθόδου και συνοψίζονται τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν κατά τη διάρκεια της εκπόνησης αυτής της διπλωματικής. / In this thesis we study and implement methods 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 632.8 μm. Ιn first chapter an introduction to the properties and the characteristics of red blood cells are presented. Furthermore, we describe various abnormalities of erythrocytes and the until now used ways of detection. In second chapter the properties of electromagnetic radiation and the light scattering problem of EM radiation from human erythrocytes are presented. The third chapter consists of two parts. In first part we analyse the theory of neural networks and we describe the radial basis function neural network. Then, we describe the theoritical and mathematical background of the methods that we use for feature extraction which are Singular Value Decomposition (SVD), Angular Radial Transform and Gabor filters. In second part the solution of the inverse problem of light scattering is described. We present the methodology of the solution process in which we implement a Singular Value Decomposition approach, a shape descriptor with Angular Radial Transform and a homogenous texture descriptor which uses Gabor filters for the estimation of the geometrical characteristics and a RBF neural network for the classification of the erythrocytes. In the forth and last chapter the described methods are evaluated and we summarise the experimental results and conclusions that were extracted from this thesis.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η μελέτη μιγμάτων αλειφατικών/αρωματικών πολυεστέρων. Αρχικά υπήρχε η πρόθεση να επικεντρωθούμε στη μελέτη της βιοαποικοδόμησης μίγματος ενός αλειφατικού και ενός αρωματικού πολυεστέρα. Για τη διερεύνηση όμως της αναμειξιμότητάς τους εστιάσαμε στην έμμεση μελέτη του μοριακού προσανατολισμού μονοαξονικά εφελκυσμένων μιγμάτων αλειφατικών/αρωματικών πολυεστέρων, με τη χρήση πολωμένων φασμάτων δόνησης. Πιο συγκεκριμένα, εξετάστηκε η σύγχρονη παρουσία σ’ ένα μόνο πολωμένο φάσμα Raman της μη-συμβατικής συμπεριφοράς της δόνησης τάσης της χαρακτηριστικής ομάδας του καρβονυλίου (C=O) των αρωματικών πολυεστέρων με την αντίστοιχη συμβατική συμπεριφορά της ίδιας ομάδας των αλειφατικών πολυεστέρων. Μετά από πολλές προσπάθειες διαφόρων παρεμφερών μιγμάτων στα οποία παρουσιάστηκαν διάφορα προβλήματα, κυρίως αναμειξιμότητας, καταλήξαμε στο μίγμα του βιοαποικοδομήσιμου αλειφατικού πολυεστέρα L-PLA με τον αρωματικό πολυεστέρα PBT. Παρασκευάστηκαν φιλμ των ομοπολυμερών L-PLA και PBT καθώς και του μίγματος L-PLA/PBT, με ανάμιξη των συστατικών σε τήγμα και στη συνέχεια μορφοποίησή τους σε υδραυλική θερμοπρέσα. Για τον προσδιορισμό των θερμικών ιδιοτήτων των υλικών χρησιμοποιήθηκε η τεχνική Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC). Δοκίμια των ομοπολυμερών και του μίγματος εφελκύστηκαν μονοαξονικά σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από τη μετάβαση υάλου τους και ο προσανατολισμός τους εκτιμήθηκε με τη χρήση πολωμένων φασμάτων Raman. Σε κάθε περίπτωση, επειδή παρά τις πολλές προσπάθειες δεν ήταν δυνατό κυρίως και πάλι λόγω προβλημάτων αναμειξιμότητας να συνεχιστεί μια τέτοια μελέτη και στο επίπεδο της βιοαποικοδόμησης ενός αλειφατικού και ενός αρωματικού πολυεστέρα, αποφασίσαμε να συνεχίσουμε με ένα αναμείξιμο σε κάθε αναλογία μίγμα, ενός βιοαποικοδομήσιμου και ενός μη-αποικοδομίσιμου πολυμερούς. Το μίγμα αυτό των πολυμερών ήταν το PCL/PVC με το οποίο και συνεχίστηκε και ολοκληρώθηκε η παρούσα διατριβή εξειδίκευσης. Το ενδιαφέρον επικεντρώθηκε στη μελέτη μιγμάτων PCL/PVC διαφόρων συστάσεων, δύο πολυμερών τα οποία είναι αναμίξιμα σε όλο το εύρος των αναλογιών τους. Το ομοπολυμερές του αλειφατικού πολυεστέρα PCL και τα μίγματα που προέκυψαν μελετήθηκαν ως προς τις θερμικές τους ιδιότητες και χαρακτηρίστηκαν φασματικά με Raman. Επιπλέον, επιχειρήθηκε η μελέτη της βιοαποικοδόμησης τόσο της PCL όσο και των μιγμάτων της με PVC, μετά από εμβάπτιση σε φυσιολογικό ορό για χρονικό διάστημα άνω των 3 μηνών. Για τον προσδιορισμό των θερμικών ιδιοτήτων των μιγμάτων PCL/PVC και του ομοπολυμερούς PCL χρησιμοποιήθηκε η τεχνική DSC, στη συνέχεια χαρακτηρίστηκαν με τη δονητική φασματοσκοπία Raman ενώ ακολούθησαν πειράματα Χρωματογραφίας Διαπιδύσεως μέσω Πηκτής (GPC) και Δυναμικής Σκέδασης Φωτός (DLS) ώστε να προσδιοριστεί η βιοαποικοδόμηση των υλικών. Η βιοποικοδόμηση των PCL/PVC και κατ’ επέκταση της PCL μελετήθηκε υπό διαφορετικές συνθήκες (θερμοκρασίας, χρόνου, συγκέντρωσης) και σε διαφορετικό βαθμό. / The aim of this dissertation was the study of aliphatic/aromatic copolyesters. At the beginning, the main purpose was to investigate the biodegradation behavior of an aliphatic/aromatic polyester blend. In order to examine the miscibility of the two polymers comprising the blend we have studied the molecular orientation of melt blends utilizing polarized vibrational spectroscopy. After plenty of essays on resembling blends and due to the problems that we have faced (mainly miscibility problems) we decided to study the polymer blend of the biodegradable aliphatic polyester Poly(L-lactic acid) (L-PLA) and the aromatic polyester Poly(butylene terephthalate) (PBT). In particular, the interest centered to the peculiar and unexpected behavior of the C=O stretching carbonyl Raman band of the aromatic polyesters (in case PBT) comparing to the corresponding conventional behavior of the aliphatic polyesters, (in case L-PLA). L-PLA/PBT blends were prepared through reaction extrusion (melt mixing). Films prepared by melt pressing have been uniaxially hot drawn. Polarized laser Raman spectroscopy has been used to estimate the molecular orientation of drawn films of L-PLA and PBT homopolymers and L-PLA/PBT polymer blends. The crystallization behavior of the samples was investigated by using a differential scanning calorimeter (DSC). Finally, the polymers L-PLA and PBT have found to be partially miscible so we took the decision of studying another totally miscible blend consisted of PCL and PVC, a mixture of an aliphatic biodegradable polyester and a non-biodegradable thermoplastic polymer. Blends of PCL and PVC are under development with various potential applications in view, including controlled delivery of agrichemicals, and it is important to investigate their biodegradation behavior. The thermal properties of the homopolymer PCL and PVC blends were investigated under nitrogen by using DSC. Samples of the homopolymer PCL and PCL/PVC blends were placed in glass bottles with serum for more than 3 months. Raman Spectroscopy, Gel Permeation Chromatography and Dynamic Light Scattering have been used to estimate the biodegradation of the samples.

Chalcogenide glasses (ChGs) are produced by alloying together a “chalcogen” element” (S, Se or Te) with other elements, generally from group V (Sb, As) or group IV (Ge, Si) to form covalently bonded solids. A variety of stable non-crystalline materials can be prepared in bulk, fiber, and thin film forms using melt-quenching, vacuum deposition, and other less common techniques. Being amorphous semiconductors, ChGs exhibit a variety of photo-induced phenomena when irradiated with proper light and therefore find a wide range of technological applications (optical data storage, telecommunications, IR optics, etc). As research in this field is strongly driven by the needs of high-tech industry, physical properties related to the applications are more systematically investigated than the atomic structure, which is ultimately related to the macroscopic properties. A shortcoming of not having yet established microstructure-properties relations in ChGs is the lack of a strategic design of new materials for specific applications. The present study is a systematic investigation of properties for various families of ChGs using experimental techniques that probe structure (near infrared Raman scattering, x-ray and neutron diffraction, EXAFS), dynamics (IR-Photon correlation spectroscopy), thermal properties (differential scanning calorimetry) and glass morphology (scanning electron microscopy). Particular emphasis is given on binary and pseudo-ternary ChGs, which are the basis of more complex multi-component glasses, such as As-Se, Sb-Se, As-Te, Ge-S, Ge-S-AgI, As-Se-AgI, As-Se-Ag, As-S-AgI, As-S-Ag etc. over a wide glass composition range. The binary systems are known for their significant optical properties while the Ag-doped glasses belong to the class of superionic conductors. Although some of these glass-forming systems have been extensively studied in the literature, several details concerning the atomic arrangement are still not fully understood, partly due to that some of these glasses are phase separated at the microscale; a fact that is usually overlooked in related studies. In the present study, using high-resolution off-resonant Raman conditions and a more elaborate analysis of the Raman spectra, in conjunction with thermal and morphological data, we have been able to obtain a better understanding of atomic structure and to advance structure-properties relations for both the homogeneous and phase separated glasses. / Μια κατηγορία υαλωδών υλικών, γνωστή ως χαλκογονούχες ύαλοι αρχίζει να κερδίζει σημαντικό έδαφος στον τομέα των εφαρμογών λόγω των φωτονικών ιδιοτήτων που διαθέτουν. Ως χαλκογονούχες ύαλοι θεωρούνται οι υαλώδεις ενώσεις στις οποίες ένα τουλάχιστον περιέχει ένα από τα στοιχεία χαλκογόνων S, Se, και Te. Η ανάμιξη των στοιχείων αυτών με στοιχεία όπως Sb, As, Ge, Si, κλ.π. οδηγεί στο σχηματισμό σταθερών ομοιοπολικών υαλωδών ενώσεων. Το γεγονός ότι οι χαλκογονούχες ύαλοι είναι άμορφοι ημιαγωγοί έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση πλήθους φωτο-επαγόμενων φαινομένων όταν οι ενώσεις αυτές ακτινοβοληθούν με φως κατάλληλου μήκους κύματος (συγκρίσιμο με το ενεργειακό τους χάσμα). Οι φωτο-επαγόμενες αλλαγές απορρέουν από τις αλλαγές οι οποίες επέρχονται στην ατομική δομή του υλικού (φωτο-δομικές αλλαγές). Τα φωτο-επαγόμενα φαινόμενα είναι εκμεταλλεύσιμα σε πλήθος τεχνολογικών εφαρμογών, για παράδειγμα στην οπτική αποθήκευση πληροφορίας (DVD), σε οπτικά που λειτουργούν στο υπέρυθρο, στις τηλεπικοινωνίες κλπ. Καθώς η έρευνα πάνω στο εν λόγω επιστημονικό πεδίο καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τις ανάγκες για βιώσιμες τεχνολογικές εφαρμογές, οι φυσικές ιδιότητες, οι οποίες σχετίζονται άμεσα με τις εφαρμογές, έχουν μελετηθεί εντατικότερα και πιο συστηματικά από την ατομική δομή η οποία είναι κατά βάση υπεύθυνη για τα φωτο-επαγόμενα φαινόμενα. Αυτό έχει ως μειονέκτημα την απουσία συσχετισμών μεταξύ μικροσκοπικών και μακροσκοπικών ιδιοτήτων με αποτέλεσμα την απουσία στρατηγικού σχεδιασμού νέων λειτουργικών υλικών με τις επιθυμητές ιδιότητες. Η παρούσα διατριβή περιλαμβάνει μια συστηματική μελέτη διαφόρων οικογενειών χαλκογονούχων υάλων με τη χρήση πειραματικών τεχνικών οι οποίες διερευνούν την ατομική δομή (σκέδαση Raman, περίθλαση ακτίνων-X και νετρονίων, EXAFS), τις θερμικές ιδιότητες (διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης) και την μορφολογία των υάλων (ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης). Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε σε δυαδικά και ψευδο-δυαδικά συστήματα χαλκογονούχων υάλων τα οποία συμπεριλαμβάνουν As-Se, Sb-Se, As-Te, Ge-S, Ge-S-AgI, As-Se-AgI, As-Se-Ag, As-S-AgI, As-S-Ag κλπ. για μεγάλο εύρος συστάσεων της κάθε οικογένειας. Τα δυαδικά συστήματα είναι γνωστά για τις εξαίρετες οπτικές τους ιδιότητες ενώ οι ύαλοι με προσμίξεις Αργύρου ανήκουν στην κατηγορία των υπεριοντικών υάλων με αρκετά υψηλές ιοντικές αγωγιμότητες που χαρακτηρίζονται από μικροσκοπικό διαχωρισμό φάσεων σε συγκεκριμένες συγκεντρώσεις του Αργύρου. Παρά το γεγονός ότι ορισμένα από τα προαναφερθέντα άμορφα υλικά έχουν κατ’ επανάληψη μελετηθεί στο παρελθόν, ακριβείς πληροφορίες σχετικά με την ατομική δομή τους δεν είναι διαθέσιμες, εν μέρει εξ’ αιτίας της ελλιπούς πειραματικής προσέγγισης και εν μέρει λόγω του μικροσκοπικού διαχωρισμού φάσεων που χαρακτηρίζει τις υάλους με πρόσμιξη Αργύρου, γεγονός το οποίο συχνά αμελείται σε προγενέστερες μελέτες. Στην παρούσα διατριβή, χρησιμοποιώντας τη φασματοσκοπία σκέδασης Raman υψηλής ανάλυσης και μακριά από συνθήκες συντονισμού, σε συνδυασμό με θερμικά και μορφολογικά δεδομένα των υάλων, κατέστη δυνατό να αποκτηθεί μια πιο σφαιρική γνώσης σχετικά με την ατομικής κλίμακας δομή των υάλων και να προαχθούν συσχετισμοί δομής-ιδιοτήτων τόσο για ομοιογενή όσο και για ανομοιογενείς υάλους.

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.