Επεξεργασία εικόνων μικροσυστοιχιών με χρήση ευφυών μεθόδων πληροφοριακών συστημάτων
Authors: Γιαννακέας Νικόλαος 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην εξαγωγή βιολογικών δεδομένων από εικόνες που παράγονται από το πείραμα των μικροσυστοιχιών. Σύμφωνα με την υπάρχουσα βιβλιογραφία διάφορες μέθοδοι έχουν προταθεί την επεξεργασία των εικόνων των μικροσυστοιχιών, οι οποίες συνήθως ακολουθούν τα τρία ακόλουθα στάδια:1. Εντοπισμός των κηλίδων και τοποθέτηση πλέγματος: στοχεύει στον ακριβή εντοπισμό της θέσης κάθε κηλίδας. Η αυτοματοποίηση αυτού του βήματος είναι κρίσιμη για τη διευκόλυνση της ανάλυσης του μεγάλου αριθμού πειραμάτων.2. Κατάτμηση: διαχωρίζει τα εικονοστοιχεία σήματος από τα εικονοστοιχεία υποβάθρου. 3. Εξαγωγή έντασης: αποτελείται από τον υπολογισμό της μέσης έντασης των κηλίδων σε σχέση με την ένταση του υποβάθρου. Κατά την διάρκεια της διατριβής υλοποιήθηκε μια αυτόματη μέθοδος για το πρώτο στάδιο της επεξεργασίας, τον εντοπισμό των κηλίδων. Για πρώτη φορά παρουσιάστηκε στην βιβλιογραφία μια μέθοδος, η οποία μπορεί να επεξεργαστεί εικόνες μικροσυστοιχιών με διαφορετική προσέγγιση εκτύπωσης των μικροσυστοιχιών. Δύο είναι οι προσεγγίσεις για την εκτύπωση της μικροσυστοιχίας: (α) ανιχνευτές τοποθετημένοι στις κορυφές τετραγωνικού πλέγματος και (β) ανιχνευτές τοποθετημένοι στις κορυφές εξαγωνικού πλέγματος. Η γενικευμένη μέθοδος η οποία υλοποιήθηκε αρχικά αναγνωρίζει το πλέγμα της εικόνας, και στην συνέχεια υλοποιεί έναν καινοτόμο αλγόριθμο για να εντοπίσει τα κέντρα όλων των ανιχνευτών στην εικόνα. Ο αλγόριθμος αυτός, οποίος ονομάστηκε Αλγόριθμος Ομόκεντρων Αναπτυσσόμενων Πολυγώνων, εκμεταλλεύεται τις κοινές ιδιότητες των δύο πλεγμάτων εντοπίζοντας τα κέντρα επάνω στο περίγραμμα ομόκεντρων τετραγώνων ή εξαγώνων. Επίσης βελτιστοποιεί τις θέσεις των κέντρων που παράγονται. Τέλος η μέθοδος κάνει χρήση του διαγράμματος Βορονόι για να απομονώσει τον κάθε ανιχνευτή.Στην συνέχεια της διατριβής προχωρήσαμε στην υλοποίηση μιας καινοτόμου μεθόδου για την κατάτμηση (δεύτερο στάδιο επεξεργασίας) των εικόνων με χρήση τεχνικών ταξινόμησης. Η μέθοδος αυτή καινοτομεί σε τρία σημεία, με σκοπό να αποκλείσει από την ποσοτικοποίηση της υβριδοποίησης τα εικονοστοιχεία που προέρχονται από διάφορα τεχνουργήματα της εικόνας. Για τον σκοπό αυτό (α) επεκτάθηκε το διάνυσμα των χαρακτηριστικών των εικονοστοιχείων, (β) εισήχθη τρίτη κλάση εικονοστοιχείων με σκοπό να λειτουργήσει ως δεξαμενή των εικονοστοιχείων που δεν θέλουμε να συμπεριλάβουμε στις ποσοτικοποιημένες τιμές και τέλος (γ) για πρώτη φορά έγινε τεχνικών ταξινόμησης για τον χαρακτηρισμό των εικονοστοιχείων στις τρεις κλάσεις.Για την αξιολόγηση των μεθόδων χρησιμοποιήθηκαν εικόνες μικροσυστοιχιών από την βάση δεδομένων μικροσυστοιχιών του Στάνφορντ, εικόνες μικροσυστοιχιών από σταθμό της Illumina, αλλά και προσομοιωμένες εικόνες από των προσομοιωτή του Nykter και των συνεργατών του, ο οποίος χρησιμοποιείται ευρέως στην βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα της διατριβή για τον εντοπισμό των ανιχνευτών παρουσίασαν υψηλά ποσοστά ακρίβεια, τα οποία κυμαίνονται από 92-99%, ενώ η γενικευμένη μέθοδος που υλοποιήθηκε παρουσίασε εξίσου υψηλά ποσοστά με εξειδικευμένες μεθόδους για τις δύο προσεγγίσεις εκτύπωσης. Όσον αφορά στην κατάτμηση επιλέχθηκαν με ακρίβεια τα εικονοστοιχεία σήματος και τα εικονοστοιχεία υποβάθρου, από τα οποία εξήχθησαν οι ποσοτικοποιημένες τιμές. Από την ποσοτικοποίηση εξαιρέθηκαν με επιτυχία εικονοστοιχεία από τεχνουργήματα που εμφανίστηκαν στις εικόνες