title: A Tomographic hyperspectral imaging method: application in quantitative pathology
title: Μία τομογραφική μέθοδος υπερφασματικής απεικόνισης: εφαρμογή στην ποσοτική παθολογική ανατομική
Creators: name: Χατζηιωαννου Αναστασιος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2020

description: A hyperspectral imager is a device that records spectra in the form of a spectral cube (a set of spectral images). There are four types of imagers: whiskbrooms, pushbrooms, staring and snapshot. Nowadays, the market is ruled by pushbroom hyperspectral imagers that require spatial scanning. Spatial scanning - as a mandatory requirement - greatly complicates the process of spectral cube acquisition and introduces spectral and spatial distortions. Staring imagers, on the other hand, require no spatial scanning, but suffer from poor spectral resolution and low throughput. 
This motivated us to build our own staring-type Hyperspectral Imager. The goal was to build a device that requires no spatial scanning and outputs clear spectral images and narrow spectral bands. In this thesis we will uncover how – for the first time – a tomographic spectral cube reconstruction procedure was implemented on a hyperspectral imager. Tomography has never been used in the past in hyperspectral imaging. A separate goal was to design our imager in a way that can be easily adapted on top of digital microscopes.
This thesis will explain how a raw spectral cube can be reconstructed to provide high-fidelity spectral cubes with very high spatial resolutions (≥ 6 MP) and very high spectral resolution (wavelength errors ≤ 1nm). This reconstruction procedure involves our own novel Tomographic Reconstruction algorithm that utilizes the whole spectral cube to output the spectrum of every single pixel. We essentially acquire 6 million spectra per band - for 121 bands - a total of 726 million high-fidelity spectra per cube.
Our device finds countless uses in GIS, the food and pharmaceutical industries, but our applications are mainly focused in life-saving solutions, like Quantitative Pathology, where multiple stains may be applied simultaneously on top of blood samples and then separated via spectral unmixing.
description: Μία συσκευή υπερφασματικής απεικόνισης καταγράφει φάσματα σε μορφή φασματικού κύβου (ενός συνόλου φασματικών εικόνων). Υπάρχουν τέσσερις κατηγορίες υπερφασματικών απεικονιστών: whiskbrooms, pushbrooms, staring και snapshot. Σήμερα, η αγορά κατακλύεται από συσκευές υπερφασματικής απεικόνισης τύπου pushbroom που απαιτούν χωρική σάρωση. Η χωρική σάρωση - ως υποχρεωτική απαίτηση - περιπλέκει πολύ τη διαδικασία απόκτησης φασματικού κύβου και εισάγει φασματικές και χωρικές παραμορφώσεις. Από την άλλη πλευρά, οι συσκευές υπερφασματικής απεικόνισης τύπου staring δεν απαιτούν χωρική σάρωση, αλλά υποφέρουν από κακή φασματική ανάλυση και χαμηλή διέλευση φωτός.
Το γεγονός αυτό μας έδωσε κίνητρο να δημιουργήσουμε τη δική μας staring τύπου συσκευή. Ο στόχος ήταν να δημιουργηθεί μια συσκευή που δεν απαιτεί καμία χωρική σάρωση και εξάγει καθαρές φασματικές εικόνες και στενές φασματικές ζώνες. Σε αυτή τη διατριβή θα ανακαλύψουμε πως - για πρώτη φορά - εφαρμόστηκε μια διαδικασία ανασυγκρότησης τομογραφικού φασματικού κύβου σε έναν υπερφασματικό απεικονιστή. Η τομογραφία δεν έχει χρησιμοποιηθεί ποτέ στο παρελθόν σε υπερφασματική απεικόνιση. Ένας ξεχωριστός στόχος ήταν να σχεδιάσουμε τη συσκευή μας με τρόπο που να μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί πάνω σε ψηφιακά μικροσκόπια.
Η διπλωματική αυτή εξηγεί πως ένας φασματικός κύβος μπορεί να ανακατασκευαστεί για να παράσχει φασματικούς κύβους πολύ υψηλής πιστότητας με υψηλές χωρικές αναλύσεις (≥ 6 MP) και υψηλές φασματικές αναλύσεις (σφάλμα μήκους κύματος ≤ 1nm). Αυτή η διαδικασία ανακατασκευής είναι ένας καινοτόμος αλγόριθμος Τομογραφικής Ανακατασκευής, ο οποίος χρησιμοποιεί όλο το φασματικό κύβο για να εξάγει το φάσμα του κάθε εικονοστοιχείου. Στην πράξη λαμβάνουμε 6 εκ. φάσματα ανά φασματική μπάντα – για 121 μπάντες – δηλαδή ένα σύνολο από 726 εκατομμύρια φάσματα πανύψηλης πιστότητας ανά κύβο.
Η εφαρμογή αυτή βρίσκει εξαιρετικές χρήσεις στο GIS και τις βιομηχανίες τροφής και φαρμάκων, αλλά οι δικές μας εφαρμογές εστιάζουν σε λύσεις που σώζουν ζωές, όπως η Παθολογική Ανατομική, όπου πολλαπλές βαφές μπορούν να εφαρμοστούν σε ένα δείγμα αίματος και μετά να διαχωριστούν με αλγορίθμους φασματικής απομίξεως (spectral unmixing).