title: Measurement and modeling of point spread function for improving the spatial resolution in microscopy
title: Μέτρηση και μοντελοποίηση της συνάρτησης διασποράς σημείου για τη βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας στη μικροσκοπία
Creators: name: Τζαρδης Ευαγγελος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2017

description: Λόγω της ευρείας χρήσης του οπτικού μικροσκοπίου ως διαγνωστικό εργαλείο σε πολλούς επιστημονικούς κλάδους όπως η ιατρική, η βιολογία, η χημεία αλλά και σε βιομηχανικές εφαρμογές, η οπτική μικροσκοπία υφίσταται τεράστιες και συνεχείς καινοτομίες τόσο στο πεδίο του hardware όσο και του software. Η οπτική ανάλυση των οπτικών μικροσκοπίων περιορίζεται από το φυσικό φαινόμενο της περίθλασης. Το φως εκτός εστίασης και το φώς που προέρχεται από γειτονικές περιοχές ενός δείγματος υπερτίθενται υποβαθμίζοντας έτσι την ποιότητα της εικόνας του αντικειμένου υπό μελέτη. Σε αυτή την υποβάθμιση, η Συνάρτηση Διασποράς Σημείου (PSF) του οπτικού συστήματος είναι ο κύριος ένοχος και είναι αυτή που καθορίζει και την οπτική ανάλυση. Η επίδραση της υποβάθμισης αυτής μπορεί να ελαττωθεί με πολύπλοκα και ακριβά συστήματα συνεστιακής μικροσκοπίας ή να αντιστραφεί έως κάποιο βαθμό με πολύ φθηνότερες μεθόδους αποσυνέλιξης σε μικροσκόπια ευρέως πεδίου. Οι διαδικασίες αποσυνέλιξης χρειάζονται μία PSF με όσο το δυνατό μεγαλύτερη ακρίβεια για να μπορούν να παρέχουν ικανοποιητικά και ρεαλιστικά αποτελέσματα. Η περιγραφή της PSF μπορεί να γίνει είτε με μαθηματικά μοντέλα είτε με πειραματικές μετρήσεις. Πειράματα γι’ αυτό τον σκοπό περιλαμβάνουν μετρήσεις φθοριζόντων microbeads και την εκτίμηση της Συνάρτησης Μεταφοράς Διαμόρφωσης (MTF) των οπτικών μικροσκοπίων η οποία παράγει τελικά την PSF. Αυτή η διπλωματική εργασία ασχολείται με τη μαθηματική μοντελοποίηση της PSF σε σύγκριση με την πειραματική μέτρησή της, μέσω μίας μεθόδου που χρησιμοποιεί τη γενική διαδικασία εκτίμησης της MTF, με εφαρμογή στα οπτικά μικροσκόπια. Αυτή η αξιολόγηση γίνεται με τη χρήση ποσοτικών μετρικών οι οποίες περιγράφουν την ποιότητα των αποσυνελισομένων εικόνων αποσκοπώντας σε μία αντικειμενική εκτίμησή τους. Τα αποτελέσματα δείχνουν υπεροχή της πειραματικής PSF όσον αφορά τις μετρικές. Όσο για την αντίληψη διά οράσεως, στην πλειοψηφία των περιπτώσεων η αποσυνέλιξη με μοντελοποιημένη PSF δείχνει να παράγει αποτελέσματα υψηλότερης αντίθεσης. Έτσι, η βελτίωση της αντίθεσης δε συμβαδίζει αναγκαστικά με βελτίωση της εικόνας που να προσεγγίζει την πραγματική οπτική πληροφορία. Επιπλέον, διάφορες standard τεχνικές βελτίωσης της αντίθεσης χρησιμοποιούνται για έξτρα σύγκριση. Η παραπάνω δουλειά περιλαμβάνεται σ’ ένα γραφικό περιβάλλον το οποίο επίσης επιτρέπει την ποσοτική σύγκριση πάνω σε εικόνες του χρήστη.
description: Due to the widespread use of light microscope as a diagnostic tool for many scientific fields like medicine, biology, chemistry as well as for industrial applications, light microscopy has been undergoing vast and continuing innovations both regarding the hardware and software domain. The optical resolution of light microscopes is physically constrained by the phenomenon of diffraction. Out-of-focus light and light originated from adjacent areas of a sample are superposed degrading the quality of the image of the object under study. In this degradation, the Point Spread Function (PSF) of the optical system is the main culprit and it is the one that determines the optical resolution. This degradation effect can be eased by sophisticated and expensive confocal microscopy systems or reversed to some degree by much cheaper widefield deconvolution microscopy methods. Deconvolution processes need a PSF as much as accurate it can be in order to provide satisfactory and realistic results. The description of the PSF can be done either by mathematical models or by experimental measurements. Experiments for this purpose include measurements of fluorescent microbeads as well as estimation of the Modulation Transfer Function (MTF) of the optical systems which finally yields the PSF. The present diploma thesis deals with the mathematical modelling of the PSF in comparison with its experimental measurement via a method that uses the general MTF estimation process, with application on optical microscopes. This evaluation is done with the use of quantitative metrics that describe the quality of the deconvolved images aiming at an objective assessment of them. Results show a superiority of the experimental PSF as far as the metrics are concerned. As for the visual perception, in the majority of the occasions, deconvolution with a modelled PSF seems to produce results of higher contrast. Contrast enhancement is therefore not in agreement necessarily with the improvement of images that approaches the real optical information . In addition, several standard contrast enhancement techniques are used for extra comparison. This work is integrated in a graphical user interface which additionally allows quantitative comparison on user-imported images.