Breast cancer is the most frequent cancer worldwide. The x-ray mammography an important imaging technique for detection can succeed balance between low breast dose and high image quality with the achievement of high sensitivity and specificity. Special requirements lead to the continuing effort to optimize the mammographic technique. Different studies target in improvement of quality image and as a consequence increase the diagnostic accuracy of pathological findings. In this study Monte Carlo methods play a key role as it offers a safe, reliable, inexpensive and flexible tool for complicated studies in medical radiation physics. It gives the solution to a major limitation, the lack of quantitative objective measures of the characteristics of pathological findings inside the environment of a real mammographic image. Different pathological findings are simulated in this study with the help of Monte Carlo techniques having the same density with the area of a clinical mammogram where they are superimposed, creating the synthetic images. The whole followed procedure is presented. Finally a number of result images is created containing different types and sizes of pathological findings reaching the conclusion that calcifications can be very well simulated up to 200μm ,lesions as masses can be realistic up to 0.5cm and especially when the appropriate size is embedded in the suitable heterogeneous area. Finally, masses of air was a difficult task since turned to be difficult to simulate a realistic cyst. The simulation procedure and created synthetic images can be evaluated by experts and gives the opportunity as a future work for a large database to be created. Untrained scientists can take advantage of this procedure or evaluating the detactibility of CAD systems. / Ο καρκίνος του μαστού είναι ο πιο συχνός καρκίνος παγκοσμίως. Η μαστογραφία με ακτίνες Χ, μια σημαντική απεικονιστική τεχνική για ανίχνευση παθολογικών ευρημάτων μπορεί να επιτύχει ισορροπία μεταξύ χαμηλής δόσης μαστού και υψηλή ποιότητα εικόνας με την επίτευξη υψηλής ευαισθησίας και ειδικότητας. Ειδικές απαιτήσεις οδηγούν στη συνεχόμενη προσπάθεια για βελτιστοποίηση της μαστογραφίας.Διαφορετικές μελέτες στοχεύουν στη βελτίωση της ποιότητας της εικόνας και σαν συνέπεια αυξάνουν τη διαγνωστική ακρίβεια. Σε αυτή τη μελέτη οι μέθοδοι Monte Carlo παίζουν ένα σημαντικό ρόλο,καθώς προσφέρει ένα ασφαλές, αξιόπιστο, οικονομικό και εύχρηστο εργαλείο για πολύπλοκες μελέτες στην ιατρική ακτινοφυσική.Δίνει τη λύση σε ένα μεγάλο περιορισμό, την έλλειψη ποσοτικοποιημένων, αντικειμενικών μετρήσεων των χαρακτηριστικών των παθολογικών ευρημάτων μέσα στο περιβάλλον μιας πραγματικής μαστογραφικής εικόνας.Διαφορετικά παθολογικά ευρήματα προσομοιώνονται σε αυτή τη μελέτη με τη βοήθεια μεθόδων Monte Carlo διατηρώντας τη ίδια πυκνότητα με την περιοχή της κλινικής μαστογραφίας όπου θα τοποθετηθούν, δημιουργώντας συνθετικές εικόνες. Όλη η διαδικασία που ακολουθήθηκε παρουσιάζεται. Τελικά, μια ποσότητα από εικόνες αποτελέσματα δημιουργείται περιέχοντας διαφορετικούς τύπους και μεγέθη παθολογικών ευρημάτων, φτάνουμε στο συμπέρασμα οτι οι αποτιτανώσεις μπορούν να προσομοιωθούν μέχρι τα 200 μm, αλλοιώσεις σαν μάζες μπορούν να είναι ρεαλιστικές μέχρι 0.5cm και ειδικά όταν το κατάλληλο μέγεθος τοποθετείται στην κατάλληλη ετερογενή περιοχή. Τέλος, οι μάζες αέρα ήταν δύσκολο θέμα καθώς αποδείκτηκε δύσκολο να προσομοιωθεί μία ρεαλιστική κύστη. Η διαδικασία προσομοίωσης και οι συνθετικές εικόνες που δημιουργήθηκαν μπορούν να αξιολογηθούν από έμπειρους και να δώσει την ευκαιρία σαν μελλοντική δουλειά να δημιουργηθεί μια μεγάλη βάση δεδομένων. Μη εκπαιδευμένοι επιστήμονες μπορούν εκπαιδευτούν ή να αξιολογηθεί η ικανότητα ανίχνευσης των υπολογιστικών συστημάτων.

Mammography, either for screening or for the examination of a woman who displays symptoms of breast cancer, must be capable of revealing subtle differences in density and composition of breast parenchymal tissue, as well as the presence of any abnormalities. This is a challenging imaging task since connective tissue, glandular tissue, skin and fat must be simultaneously visualized and differentiated, while having very similar attenuation coefficients and thus low subject contrast. The detection of small low-contrast lesions is essential for screening mammography. Because the mammogram is a projected image of superimposed breast structures, it is generally more difficult to detect cancer in a dense breast pattern. This is attributed to minor differences in x-ray attenuation between lesions and the surrounding parenchymal. The visibility of small structures on a mammogram is restricted by the compromise between the image quality and the absorbed dose. This leads to a continuous drive for improved techniques, mainly with respect to improving the low contrast character of the technique. In the framework of this master thesis, the imaging performance of a wide range of mammographic spectra has been evaluated and their influence on imaging of inhomogeneities was studied. These spectra correspond to several combinations of anode (Mo, Rh, W) and filter (Mo, Rh, Nb, Zr Al, and Pd) materials and diameters (90–250 μm), and tube voltages (26-30 kVp), with 1 mm Be-window inherent filtration. A properly designed mathematical breast phantom was utilized, simulating water, containing two identical spherical inhomogeneities of air of various diameters. An earlier developed and validated Monte Carlo model (MASTOS), was utilized for the simulation studies. Utilizing the developed model, the influence of the factors affecting the x-ray spectrum (tube voltage, anode material, filter material) on the detectability of small low contrast lesions was investigated in terms of Contrast to Noise Ratio (CNR) and Contrast-Detail (CD) analysis. Results demonstrate that spectra mainly produced from W anodes and filtered with k-edge filters (Mo, Rh, Nb, Pd and Zr) provide improved imaging characteristics that is similar and in some cases better compared to commonly used Mo and Rh anodes filtered with k-edge filters, especially for inhomogeneities of larger diameters. However, in the case of inhomogeneities of smaller diameter softer spectra mainly produced from Mo anodes and spectra filtered with k-edge filters of low energy k-absorption edge provide better CNR. As far as the filter material is concerned, k-edge filters demonstrate improved imaging performance compared to Al filter. This is the reason that justifies the use of these filters in clinical mammographic procedure. Tube voltage has a limited effect on CNR for all inhomogeneity sizes. As a conclusion, the discriminability of low contrast details, in terms of CNR, depends on all the parameters affecting the x-ray spectrum, but especially on the combination of the anode material and filter. / Η μαστογραφία, είτε για απεικόνιση είτε για εξέταση γυναικών που παρουσιάζουν συμπτώματα καρκίνου του μαστού, πρέπει να είναι ικανή να αποκαλύπτει τόσο πολύ μικρές διαφορές στην πυκνότητα και σύσταση του μαστογραφικού παρεγχύματος, όσο και την παρουσία ανωμαλιών. Αυτή είναι μια αντικρουόμενη διαδικασία καθώς ο συνδετικός ιστός, ο αδενικός ιστός, το δέρμα και το λίπος πρέπει ταυτοχρόνως να απεικονιστούν και να διαφοροποιηθούν ενώ έχουν πολύ μικρές διαφορές στους συντελεστές εξασθένισης και γι’αυτό το λόγο χαμηλή αντίθεση θέματος. Η ανίχνευση μικρών χαμηλής αντίθεσης αλλοιώσεων είναι απαραίτητη για την απεικονιστική μαστογραφία. Επειδή το μαστογράφημα είναι μια προβολική εικόνα των δομών του μαστού, είναι γενικά πολύ δύσκολο να ανιχνευθεί ο καρκίνος σε ένα πυκνό μαστογραφικό παρέγχυμα. Αυτό αποδίδεται στις ασήμαντες διαφορές στην εξασθένιση των ακτινών χ μεταξύ των αλλοιώσεων και του περιβάλλοντος παρεγχύματος του μαστού. Η ανιχνευσιμότητα των μικρών δομών σε μια μαστογραφία περιορίζεται από τον συμβιβασμό ανάμεσα στην ποιότητας εικόνας και την απορροφούμενη δόση. Αυτό οδηγεί σε μια συνεχή προσπάθεια για βελτιωμένες τεχνικές, λαμβάνοντας υπόψη τα χαμηλής αντίθεσης χαρακτηριστικά της μαστογραφικής διαδικασίας. Στο πλαίσιο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτιμήθηκε η απεικονιστική ικανότητα ενός μεγάλου εύρους μαστογραφικών φασμάτων και μελετήθηκε η επίδρασή τους στην ανιχνευσιμότητα ανομοιογενειών. Τα φάσματα αυτά αντιστοιχούν σε διάφορους συνδυασμούς υλικών ανόδων (Mo, Rh, W), φίλτρων (Mo, Rh, Nb, Zr Al, and Pd) και υψηλών τάσεων με έμφυτο φιλτράρισμα 1mm παράθυρο Βe. Χρησιμοποιήθηκε ένα κατάλληλα σχεδιασμένο μαθηματικό ομοίωμα μαστού από νερό που περιέχει δύο πανομοιότυπες ανομοιογένειες αέρα διαφόρων διαμέτρων. Για τις μελέτες προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε ένα νωρίτερα ανεπτυγμένο και επικυρωμένο μοντέλο Monte Carlo, το MASTOS. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο, διερευνήθηκε η επίδραση των παραγόντων που επηρεάζουν το μαστογραφικό φάσμα (υλικό ανόδου, υλικό φίλτρου, υψηλή τάση), στην ανιχνευσιμότητα μικρών χαμηλής αντίθεσης λεπτομερειών σε όρους αντίθεσης προς θόρυβο (CNR). Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι τα φάσματα που παράγονται από ανόδους W και φιλτράρονται με φίλτρα κ-αιχμής (Mo, Rh, Nb, Pd, Zr) δίνουν βελτιωμένα απεικονιστικά χαρακτηριστικά τα οποία είναι παρόμοια και σε μερικές περιπτώσεις καλύτερα συγκρινόμενα με φάσματα από ανόδους Mo και Rh φιλτραρισμένα με φίλτρα κ-αιχμής, ειδικά για τις μεγαλύτερες ανομοιογένειες. Παρολ’αυτά, στην περίπτωση των μικρότερων ανομοιογενειών τα μαλακά φάσματα που παράγονται από ανόδους Mo και φιλτράρονται με φίλτρα κ-αιχμής, με αιχμή απορρόφησης χαμηλής ενέργειας παρέχουν καλύτερο λόγο αντίθεσης προς θόρυβο (CNR). Λαμβάνοντας υπόψη το υλικό του φίλτρου, τα φίλτρα κ-αιχμής προσφέρουν καλύτερη απεικόνιση συγκρινόμενα με τα φίλτρα αλουμινίου (Al). Αυτός είναι ο λόγος που δικαιολογεί τη χρήση αυτών των φίλτρων στην κλινική μαστογραφική διαδικασία. Η υψηλή τάση έχει περιορισμένη επίδραση στον λόγο αντίθεσης προς θόρυβο για όλα τα μεγέθη ανομοιογενειών. Γενικά ως συμπέρασμα, η ανιχνευσιμότητα των χαμηλής αντίθεσης λεπτομερειών σε όρους αντίθεσης προς θόρυβο, εξαρτάται από όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν το μαστογραφικό φάσμα, αλλά κυρίως από το υλικό της ανόδου και το υλικό του φίλτρου.

Σκοπός της παρούσης διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της ακτίνας εξαΰλωσης του ποζιτρονίου στην Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίου (PET) ύστερα από διάσπαση βήτα ενός ραδιενεργού πυρήνα. Η μελέτη γίνεται σε περιβάλλον GATE, ενός πακέτου που χρησιμοποιείται για προσομοίωση απεικονιστικών τεχνικών. Προσομοιώνονται διάφοροι πυρήνες και σε διαφορετικά περιβάλλοντα με σκοπό την ανάλυση και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων. / Main objective of the present diplomatic thesis is the positron annihilation distance study in Positron Emission Tomography, after radioactive nucleus’ beta decay. The study is using GATE, which is an application used in imaging techniques. Under GATE we simulate a variety of nuclei in different ambient materials in order to analyze and compare the results.