Υλοποίηση συστήματος τομογραφικής απεικόνισης με χρήση ορατού φωτός

Παπαμιχαήλ, Γεώργιος

Implementation of a tomographic imaging system using visible light

Διπλωματική εργασία

Author

Παπαμιχαήλ, Γεώργιος

Date

2022-07-21

Advisor

Asvestas, Pantelis

Διπλωματική εργασία (5.004Mb)

Keywords

Οπτική τομογραφία προβολής ; Ανακατασκευή εικόνας ; 3D-απεικόνιση ; Arduino ; MATLAB

Abstract

Η οπτική τομογραφία προβολής (Optical Projection Tomography,OPT) είναι μια τεχνική απεικόνισης που μπορεί να παράγει τρισδιάστατες εικόνες (3D) βιολογικών δειγμάτων που βρίσκονται στο μεσοσκοπικό επίπεδο (1-10 mm) σε υψηλή ανάλυση. Η οπτική τομογραφία μπορεί να χρησιμοποιηθεί με επιτυχία τόσο για φθορίζοντα όσο και για μη φθορίζοντα βιολογικά δείγματα. Συχνά περιγράφεται ως το οπτικό ισοδύναμο της αξονικής τομογραφίας ακτινών Χ (CT), καθώς και στις δύο τεχνικές, το βιολογικό δείγμα περιστρέφεται και λαμβάνεται μια εικόνα σε κάθε γωνιακό βήμα. Ωστόσο, η προφανής διαφορά μεταξύ των δύο τεχνικών είναι ότι η τεχνική οπτικής τομογραφίας χρησιμοποιεί ως πηγή το ορατό φωτός, ενώ η τομογραφία ακτινών Χ χρησιμοποιεί μια δέσμη ακτινών Χ. Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η κατασκευή ενός συστήματος τομογραφικής απεικόνισης με χρήση ορατού φωτός, το οποίο θα ελέγχεται από ένα μικροελεκτή Arduino και θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση μικρών βιολογικών και μη δειγμάτων. Το σύστημα αυτό θα έχει την δυνατότητα τόσο της απεικόνισης όλων των τομών όλων των επιπέδων (Εγκάρσιο, Οβελιαίο, Στεφανιαίο), καθώς και του τρισδιάστατου μοντέλου του εκάστοτε δείγματος. Επιπρόσθετα το σύστημα θα έχει την ικανότητα αποστολής των δεδομένων στο υπολογιστικό νέφος Google Drive, από όπου ένας απομακρυσμένος χρήστης θα μπορεί να τρέξει τον κώδικα ανακατασκευής εικόνας, σε περιβάλλον MATLAB. Στο πρώτο μέρος της εργασίας θα γίνει αναφορά στο θεωρητικό υπόβαθρο, τις αναλυτικές μεθόδους ανακατασκευής εικόνας και σε γενικά χαρακτηριστικά της τομογραφικής απεικόνισης. Επίσης θα γίνει αναφορά στις πλακέτες Arduino, τους βηματικούς κινητήρες και την υπολογιστική νέφους. Το δεύτερο μέρος της εργασίας επικεντρώνεται στην λεπτομερή περιγραφή του τρόπου και των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν για τον σχεδιασμό και την κατασκευής του συστήματος οπτικής τομογραφικής απεικόνισης.

Abstract

Optical Projection Tomography (OPT) is an imaging technique that can produce three- dimensional (3D) images of biological samples at the mesoscopic level (1-10 mm) in high resolution. Optical tomography can be used successfully for both fluorescent and non-fluorescent biological samples. It is often described as the optical equivalent of X-ray (CT) imaging, and in both techniques, the biological sample is rotated and an image is taken at each angular step. However, the obvious difference between the two techniques is that the optical tomography technique uses visible light as source, while the X-ray tomography uses an X-ray beam. The aim of this dissertation is to build a tomography imaging system using visible light, which will be controlled by an Arduino microcontroller and can be used to display small biological and non-biological samples. This system will be able to display all sections of all levels (Axial, Sagittal, Coronal), as well as the three-dimensional model of each sample. Additionally, the system will have the ability to send data to the Google Drive cloud, from where a remote user will be able to run the image reconstruction code in the MATLAB environment. In the first part of the work, reference will be made to the theoretical background, the analytical methods of image reconstruction and the general characteristics of the tomographic imaging. Reference will be also made to Arduino boards, stepper motors and cloud computing. The second part of the work focuses on a detailed description of the methods used to design and manufacture this prototype optical tomographic imaging system.