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.