Υπολογιστικές μεθοδολογίες τυποποίησης ιών:
Creators: name: Μαραμής, Χρήστος Φ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2011
Subjects: Βιοϊατρική μηχανική
Υπολογιστική διάγνωση
Τυποποίηση ιών
Ολοκληρωμένη μεθοδολογία
Μέθοδος PCR-RFLP
Biomedical engineering
Computerized diagnosis
Virus typing
Integrated methodology
PCR-RFLP method

description: Οι αέναες μεταλλάξεις που λαμβάνουν χώρα στο γενετικό υλικό ενός γνωστού ιού οδηγούν στη συνεχή γέννηση νέων τύπων του ιού με αποτέλεσμα οι νεότευκτοι τύποι αποκτούν χαρακτηριστικά τα οποία μεταβάλλουν την επικινδυνότητα της μόλυνσής τους (π.χ. ο ιός των ανθρωπίνων θηλωμάτων ο οποίος διαθέτει καρκινογόνους και μη καρκινογόνους τύπους). Σε τέτοιες περιπτώσεις η αναγνώριση του συγκεκριμένου τύπων ενός ιού οι οποίοι έχουν προσβάλει έναν ασθενή, δηλαδή η τυποποίηση του ιού, αποκτά τεράστια σημασία για την αποτελεσματική θεραπεία του. Τις τελευταίες δεκαετίες έχει αναπτυχθεί μία σειρά μοριακών μεθόδων οι οποίες αποσκοπούν να διακρίνουν αποτελεσματικά τους διάφορους τύπους ενός ιού βάσει των γονοτυπικών διαφορών τους. Μεταξύ αυτών, η μοριακή μέθοδος PCR-RFLP ηλεκτροφόρησης γέλης χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως. Ωστόσο, η τυποποίηση με την εν λόγω μέθοδο παραμένει, σε αντιδιαστολή με τις υπόλοιπες, έντονα χειροκίνητη. Η υστέρηση της μεθόδου PCR-RFLP στον τομέα της αυτοματοποίησης καθιστά το συμβατικό πρωτόκολλο τυποποίησης της μεθόδου επιρρεπές σε λάθη και κοπιώδες για τους μοριακούς βιολόγους που το διεκπεραιώνουν. Τα προαναφερθέντα προβλήματα της μεθόδου PCR-RFLP μπορούν να αντιμετωπιστούν με τη βοήθεια της ψηφιακής επεξεργασίας σήματος και της θεωρίας εκτίμησης και απόφασης. Έτσι, στο πλαίσιο της διατριβής αναπτύχθηκαν πρωτότυπες υπολογιστικές μεθοδολογίες οι οποίες αναλαμβάνουν με αποτελεσματικό τρόπο την ολοκληρωμένη τυποποίηση ιών μέσω της μεθόδου PCR-RFLP. Προκειμένου να διασφαλιστεί η ορθότητα της τυποποίησης, οι προτεινόμενες μεθοδολογίες χρησιμοποιούν την πληροφορία συγκέντρωσης του ιικού DNA, η οποία αγνοείται από το συμβατικό πρωτόκολλο τυποποίησης. Το κατάλληλο υπόβαθρο για τη χρησιμοποίηση της πληροφορίας αυτής παρέχεται με την εισαγωγή ενός τεκμηριωμένου μοντέλου παρατήρησης του προϊόντος της εργαστηριακής εξέτασης PCR-RFLP. Πάνω στο μοντέλο αυτό θεμελιώνεται μία ολοκληρωμένη υπολογιστική μεθοδολογία τυποποίησης (στατική μεθοδολογία), η οποία αναλύει το προϊόν της εξέτασης και καταλήγει σε αποφάσεις τυποποίησης. Η επίδοση της στατικής μεθοδολογίας αξιολογείται εξονυχιστικά μέσω θεωρητικών μελετών και πειραμάτων σε πραγματικά καθώς και σε προσομοιωμένα δεδομένα. Επιπλέον, η στατική μεθοδολογία τυποποίησης υλοποιείται στο σύνολό της ως εφαρμογή λογισμικού γραφικού περιβάλλοντος. Η διατριβή εισάγει επίσης την πρότυπη δυναμική μεθοδολογία , η οποία είναι ικανή να λαμβάνει αποφάσεις τυποποίησης ενόσω η εξέταση βρίσκεται σε εξέλιξη. Η δυναμική τυποποίηση επιτυγχάνεται μέσω της εγκαθίδρυσης επικοινωνίας μεταξύ των φάσεων εκτέλεσης του συμβατικού πρωτοκόλλου τυποποίησης και επιλύει ορισμένα προβλήματα της στατικής προσέγγισης. Ένα ολοκληρωμένο σύστημα υλικού-λογισμικού σχεδιάζεται προκειμένου να υλοποιήσει τη δυναμική μεθοδολογία. Η σκοπιμότητα της δυναμικής τυποποίησης επαληθεύεται μέσω ενός πειράματος εξομοίωσης της λειτουργίας του προαναφερθέντος συστήματος. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες τυποποίησης συμπληρώνονται από ένα πρωτότυπο αλγόριθμο (ταχύς αλγόριθμος) ο οποίος αναλαμβάνει να εκτελέσει το πλέον δαπανηρό υπολογιστικά κομμάτι της διαδικασίας τυποποίησης, δηλαδή τη δοκιμή των πιθανών συνδυασμών τύπων του ιού. Ο ταχύς αλγόριθμος κατακερματίζει το προαναφερθέν πρόβλημα σε ένα σύνολο υποπροβλημάτων επιταχύνοντας σημαντικά τη διαδικασία χωρίς ωστόσο να θυσιάζει την ακρίβεια των αποφάσεων τυποποίησης. Ο ταχύς αλγόριθμος αξιολογείται εκτενώς σε ένα ευμεγέθες σύνολο πραγματικών δεδομένων. Η αποτελεσματική εξάλειψη της φωτεινότητας υποβάθρου από τις εικόνες-προιόντα της εξέτασης PCR-RFLP είναι αναγκαία για τη χρησιμοποίηση της πληροφορίας συγκέντρωσης που υιοθετείται από το μοντέλο παρατήρησης. Για το σκοπό αυτό η διατριβή εισάγει μία πρωτότυπη μέθοδο αντιμετώπισης του προβλήματος, η οποία μοντελοποιεί τη φωτεινότητα υποβάθρου ως πολυώνυμο των χωρικών συντεταγμένων της εικόνας.
description: The mutations that take place in the genetic material of a certain virus trigger the creation of new virus types. The new virus types obtain features that differentiate their infection severity (e.g., the human papillomavirus which appears in both oncogenic and non-oncogenic types). In these cases the identification of the exact type(s) of a virus that have infected a patient, namely the task of typing the virus, has acquired great importance for the efficient treatment of its infection. Several molecular biology methods that aim at discriminating among the types of a virus based on their genotypic differences have been developed. Among them, the molecular method called PCR-RFLP gel electrophoresis is currently employed widely. However, the virus typing procedure via the discussed method remains, in contrast to the other methods, heavily manual. The lack of automation makes the conventional typing protocol of the method error-prone and laborious for the molecular biologists who execute it. The aforementioned issues of the PCR-RFLP method can be tackled with the help of digital signal processing techniques along with the estimation and decision theory. For this purpose, the thesis develops two novel computational methodologies that undertake efficiently the entire task of virus typing via the PCR-RFLP method. To ensure the correctness of the typing decisions, the proposed methodologies employ additional information that has been ignored by the conventional typing protocol, namely the viral DNA concentration. The introduction of a factual observation model of the PCR-RFLP examination product allows the proposed methodologies to employ the additional information. On top of this model, the thesis develops an integrated computational typing methodology (static methodology), which analyzes the examination product and reaches typing decisions. The performance of the static methodology is evaluated thoroughly through theoretic investigations and experiments on real as well as simulated data. Moreover, the entire static methodology is implemented as a software application. The thesis introduces also the dynamic methodology, which is capable of making typing decisions while the PCR-RFLP examination is in progress. Dynamic typing is achieved through the establishment of communication between the phases of the conventional typing protocol and it tackles several issues of the static approach. An integrated hardware-software system is designed to implement the dynamic methodology. The feasibility of dynamic typing is validated through an emulation experiment on the aforementioned system. The proposed typing methodologies are complemented by a novel algorithm (fast algorithm) which undertakes the most computationally demanding part of the typing procedure, namely the task of testing the possible virus types’ combinations. The fast algorithm parcels the aforementioned task into a set of subproblems; this way, the typing procedure is significantly accelerated without essentially harassing the typing accuracy. The fast algorithm is evaluated extensively on a well-sized set of real data. Before exploiting the concentration information as suggested by the observation model, the background intensity of the PCR-RFLP examination images needs to be efficiently removed. For this purpose, a novel method that models the background intensity of an examination image as a polynomial of the space coordinates is introduced.