title: Novel spectral mapping indices for improving microscopy and leukemia diagnosis
title: Εισαγωγή νέων δεικτών φασματικής χαρτογράφησης για την βελτίωση της μικροσκοπίας και της διάγνωσης της λευχαιμίας
Creators: name: Καστρινακης Μαριος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2017

description: The rise and evolution of optical light microscopes is inevitable, as microscopy constitutes a key diagnostic and imaging tool for many fields of science, such as medicine, biology, chemistry as well as for many applications in industry. However, the internationally accepted technology residue regards to the physical limitations of the microscopes’ resolution and the biological limitations of the examiners’ perception, quest the improvement of imaging ability in microscopy. In addition, the evaluation of the imaging information of diagnostic importance urges the development of computational methods that will highlight and measure it quantitatively.
In this thesis, a novel method is reported for measuring and enhancing imaging resolution in microscopy, based on a single measurement of one-dimensional modulation transfer function combined with Wiener deconvolution algorithm. Additionally, for the first time in the relevant literature to the best of our knowledge, a computational method is presented for improving diagnostic accuracy of leukemia, using optical light microscopes along with spectral imaging. A set of spectral indices are introduced that have been extracted and measured quantitatively, through chemometrics regression algorithm combined with spectral imaging of peripheral blood smears.
The proposed methods are capable to achieve enhanced optical resolution of up to 176% for a brightfield microscope at 23.8x of total optical magnification, beyond microscope’s optical limit. Furthermore, they achieve 100% sensitivity with 98.91% specificity in cases of Acute Lymphoblastic Leukemia, by detecting lymphoblasts accurately and 74.86% sensitivity with 96.94% specificity in cases of Chronic Lymphocytic Leukemia, by differentiating and indicating abnormal lymphocytes from the normal ones quantitatively. Thus, the proposed methods can be easily employed as additional analytical tools for minimizing errors and increasing accuracy, either in the diagnosis and in the classification of ALL and CLL leukemia.
description: Η άνοδος και διαρκής εξέλιξη των οπτικών μικροσκοπίων ως απεικονιστικά μέσα είναι εξαιρετικά σημαντική, καθώς η μικροσκοπία αποτελεί βασικό εργαλείο διάγνωσης για πολλούς επιστημονικούς τομείς, όπως η ιατρική, η βιολογία, η χημεία καθώς και για πολλές εφαρμογές της βιομηχανίας. Ωστόσο, το διεθνώς αποδεκτό υπόλειμμα τεχνολογίας σχετικά με τους φυσικούς περιορισμούς στην ανάλυση των οπτικών μικροσκοπίων φωτεινού πεδίου, υποδεικνύει την ανάγκη για νέους τρόπους βελτίωσης της απεικονιστικής τους ικανότητας. Επιπλέον, οι βιολογικοί περιορισμοί του ανθρωπίνου μέσου οπτικής αντίληψης στον εντοπισμό και την αξιολόγηση της οπτικής πληροφορίας κρίσιμης διαγνωστικής σημασίας, εγείρει την ανάγκη για την ανάπτυξη υπολογιστικών μεθόδων που θα είναι σε θέση να την επισημάνουν και να την μετρήσουν με τρόπο ακριβή και ποσοτικό.
Στην παρούσα εργασία, αναπτύχθηκε και προτείνεται μια νέα μέθοδος που χρησιμοποιεί την διαδικασία εκτίμησης της Συνάρτησης Μεταφοράς Διαμόρφωσης ενός ήλεκτρο-οπτικού απεικονιστικού συστήματος, με εφαρμογή σε οπτικά μικροσκόπια φωτεινού πεδίου, στοχεύοντας στον ακριβή και πειραματικό προσδιορισμός της δισδιάστατης Οπτικής Συνάρτησης Μεταφοράς, η οποία εν συνεχεία σε συνδυασμό με τον αλγόριθμο αποσυνέλιξης Wiener, μπορεί να επιτύχει σημαντική βελτίωση της τελικής μικροσκοπικής εικόνας. Επιπλέον, για πρώτη φορά στη σχετική βιβλιογραφία, παρουσιάζεται μια νέα υπολογιστική μέθοδος για τη βελτίωση της διαγνωστικής ακρίβειας στην λευχαιμία, συνδυάζοντας την μικροσκοπική εξέταση αιματολογικών επιχρισμάτων με τεχνικές πολύ-φασματικής απεικόνισης. Συγκεκριμένα, προσδιορίζεται ένα νέο σύνολο δεικτών φασματικής χαρτογράφησης, οι οποίοι υπολογίζονται ποσοτικά για κάθε λευκοκύτταρο ξεχωριστά σε δείγματα περιφερειακού αίματος και οι οποίοι είναι σε θέση να εντοπίσουν και να κατηγοριοποιήσουν τα κύτταρα διαγνωστικής σημασίας με υψηλή ακρίβεια.
Οι προτεινόμενες μέθοδοι επέτυχαν βελτίωση της οπτικής ανάλυση έως και 176% σε οπτικό μικροσκόπιο φωτεινού πεδίου με 23.8x βαθμούς μεγέθυνσης, πέραν της μέγιστης απεικονιστικής του ανάλυσης. Επιπλέον, επέτυχαν 100% ευαισθησία (sensitivity) με 98.91% ειδικότητα (specificity) σε περιπτώσεις ασθενών με Οξεία Λεμφοβλαστική Λευχαιμία, ανιχνεύοντας με υψηλή ακρίβεια την ύπαρξη λεμφοβλαστών στα δείγματα περιφερειακού αίματος που αναλύθηκαν. Επίσης, επέτυχαν 74.86% ευαισθησία με 96.94% εξειδίκευση σε περιπτώσεις ασθενών Χρόνιας Λεμφοκυτταρικής Λευχαιμίας, εντοπίζοντας και κατηγοριοποιώντας αποτελεσματικά τα μη φυσιολογικά από τα φυσιολογικά λεμφοκύτταρα του αίματος. Συνεπώς, οι προτεινόμενες μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως επιπρόσθετα αναλυτικά εργαλεία, συνεισφέροντας στην ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων και στην αύξηση της διαγνωστικής ακρίβειας της λευχαιμίας με τρόπο ποσοτικό.