- / -

Οι μικροαποτιτανώσεις είναι από τις πιο σημαντικές ενδείξεις παθήσεων του μαστού και μπορεί να αποτελέσουν πρώιμη ένδειξη καρκίνου του μαστού. Πρόκειται για εναποθέσεις ασβεστίου στο μαστό με τη διάμετρός τους να κυμαίνεται από 0.1 έως 1 mm και εμφανίζονται είτε μόνες είτε σε ομάδες. Η ακριβής τμηματοποίηση (segmentation) των μικροαποτιτανώσεων στη μαστογραφία συνεισφέρει στην εξαγωγή αξιόπιστων χαρακτηριστικών μορφολογίας, που χρησιμοποιούνται στην αυτόματη διάγνωση με υπολογιστή (Computer-aided Diagnosis, CADx). Στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής προτείνεται μία νέα μέθοδος τμηματοποίησης μικροαποτιτανώσεων, η οποία αρχικά εντοπίζει σημεία του περιγράμματος αυτών. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή της μεθόδου ενεργών ακτίνων (Active Rays), πολικός μετασχηματισμός ενεργών περιγραμμάτων (Active Contours), σε 8 διευθύνσεις και σε δύο κλίμακες του μετασχηματισμού κυματίων (wavelet transform) με φίλτρα Β-spline. Ακολούθως, χρησιμοποιείται μέθοδος επέκτασης περιοχής (region growing) για τον ακριβή προσδιορισμό του περιγράμματος της μικροαποτιτάνωσης. Ως κριτήριο για την αύξηση της περιοχής χρησιμοποιήθηκαν τα σημεία στο περίγραμμα της μικροαποτιτάνωσης, όπως αυτά προσδιορίσθηκαν από τη μέθοδο των ενεργών ακτίνων. Επίσης, υλοποιήθηκε μέθοδος ακτινικής βάθμωσης, η οποία έχει πρόσφατα προταθεί στη βιβλιογραφία για την τμηματοποίηση μικροαποτιτανώσεων, και χρησιμοποιήθηκε για συγκριτική αξιολόγηση. Οι δύο μέθοδοι τμηματοποίησης εφαρμόστηκαν σε 149 ομάδες μικροαποτιτανώσεων, κυρίως πλειόμορφων, που αντλήθηκαν από 130 μαστογραφικές εικόνες από τη βάση DDSM (Digital Database for Screening Mammography). Η ακρίβεια τμηματοποίησης των δύο μεθόδων αξιολογήθηκε από τρεις ακτινολόγους με χρήση 5-βάθμιας κλίμακας. Η ακρίβεια τμηματοποίησης της προτεινόμενης μεθόδου βρέθηκε ίση με 3.96±0.77, 3.97±0.80 και 3.83±0.89, όπως αξιολογήθηκε από κάθε ακτινολόγο, και 2.91±0.86, 2.10±0.94 και 2.56±0.76 για την συγκρινόμενη μέθοδο. Οι διαφορές στην ακρίβεια τμηματοποίησης των δύο μεθόδων ήταν στατιστικώς σημαντικές (Wilcoxon signed-ranks test, p<0.05). Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση των δύο μεθόδων τμηματοποίησης στην απόδοση μεθόδου αυτόματης διάγνωσης (χαρακτηρισμό) ομάδων μικροαποτιτανώσεων με υπολογιστή. Η μέθοδος αυτόματης διάγνωσης στηρίζεται σε επιβλεπόμενη ταξινόμηση προτύπων χαρακτηριστικών σχήματος ομάδας αποτιτανώσεων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ταξινομητής ελαχίστων τετραγώνων – ελάχιστης απόστασης και εξήχθησαν χαρακτηριστικά ομοιότητας και διαφοροποίησης (variability) ομάδας μικροαποτιτανώσεων, τα οποία περιγράφουν τη μορφολογία μεμονωμένων αποτιτανώσεων (εμβαδόν, μέγιστη διάμετρος, σχετική αντίθεση). Η απόδοση ταξινόμησης αποτιμήθηκε μέσω εμβαδού καμπύλης παρατηρητών (ROC). Τα χαρακτηριστικά Εμβαδού και μέγιστης Διαμέτρου επέδειξαν σημαντικά υψηλή απόδοση ταξινόμησης (Mann-Whitney U-test, p<0.05) όταν εξήχθησαν από μικροαποτιτανώσεις τμηματοποιημένες με την προτεινόμενη μέθοδο ενεργών ακτίνων (0.82±0.06 και 0.86±0.05, αντίστοιχα). Η απόδοση ταξινόμησης χαρακτηριστικών που εξήχθησαν με μέθοδο τμηματοποίησης ακτινικής βάθμωσης ήταν 0.71±0.08 και 0.75±0.08, αντίστοιχα. Συμπερασματικά, η προτεινόμενη μέθοδος επέδειξε βελτιωμένη ακρίβεια τμηματοποίησης, εκπληρώνοντας ποιοτικά κριτήρια και ενισχύοντας την ικανότητα χαρακτηρισμού των ομάδων αποτιτανώσεων με ανάλυση μορφολογίας (μεγέθους και σχήματος) μεμονωμένων αποτιτανώσεων. Οι περιορισμοί της προτεινόμενης μεθόδου τμηματοποίησης αποδίδονται κυρίως: • Στην ανάλυση δύο κλιμάκων του μετασχηματισμού κυματίου, με αποτέλεσμα τον περιορισμό της προσαρμοστικότητας της μεθόδου σε μικροαποτιτανώσεις διαφορετικών μεγεθών. • Στην μέθοδο επέκτασης περιοχής περιοριζόμενη από σημεία περιγράμματος σε 8 διευθύνσεις. Οι περιορισμοί της αξιολόγησης της προτεινόμενης μεθόδου τμηματοποίησης αποδίδονται κυρίως: • Στην ποιοτική μόνο αξιολόγηση της ακρίβειας τμηματοποίησης, μέσω ανάλυσης παρατηρητών. • Στην χρήση περιορισμένου αριθμού χαρακτηριστικών μορφολογίας στο σύστημα αυτόματης διάγνωσης. Για την αντιμετώπιση των προαναφερθέντων περιορισμών, προτάθηκε η μέθοδος Ενεργών Περιγραμμάτων Πολλαπλών Κλιμάκων με αρχικοποίηση Ενεργών Ακτίνων στην αυτόματα επιλεγόμενη αδρή κλίμακα κυματίου. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε ο μετασχηματισμός συνεχούς κυματίου για την παροχή πολλαπλών κλιμάκων ανάλυσης. Στο πεδίο των πολλαπλών κλιμάκων εντοπίζεται η βέλτιστη αδρή κλίμακα (coarse scale) ανάλυσης με βάση τη μέγιστη απόκριση περιοχής μικροαποτιτάνωσης (scale-space MC signature). Στη συγκεκριμένη βέλτιστη κλίμακα απόκρισης εφαρμόζεται η μέθοδος των ενεργών ακτίνων για τον εντοπισμό σημείων του περιγράμματος της μικροαποτιτάνωσης σε 8 διευθύνσεις. Από αυτά τα σημεία ορίζεται πλήρως το περίγραμμα με χρήση μεθόδου γραμμικής παρεμβολής στη βέλτιστη κλίμακα απόκρισης. Κάθε σημείο του περιγράμματος ακολουθεί την κατεύθυνση μεγιστοποίησης της βάθμωσης εικόνας για τον καθορισμό του περιγράμματος στην βέλτιστη κλίμακα (directional Active Contour). Για την τελική εξαγωγή του περιγράμματος, οι θέσεις των σημείων του περιγράμματος επανακαθορίζονται στις κλίμακες μεγαλύτερης ακρίβειας (fine scales). Η ακρίβεια τμηματοποίησης της δεύτερης προτεινόμενης μεθόδου αξιολογήθηκε ποσοτικά με το κριτήριο επικάλυψης περιοχής. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται τμηματοποιήσεις από ειδικευμένο ακτινολόγο. Τμηματοποιήθηκαν συνολικά 1157 μεμονωμένες μικροαποτιτανώσεις προερχόμενες από 128 ομάδες μικροαποτιτανώσεων, ψηφιοποιημένες σε ανάλυση 50μm (βάση δεδομένων DDSM). Μελετήθηκε επίσης η επίδραση της ακρίβειας τμηματοποίησης της δεύτερης προτεινόμενης μεθόδου στην απόδοση μεθόδου αυτόματης διάγνωσης ομάδων αποτιτανώσεων με βάση χαρακτηριστικά ομοιότητας και διαφοροποίησης (variability) ομάδας μικροαποτιτανώσεων, τα οποία περιγράφουν τη μορφολογία μεμονωμένων αποτιτανώσεων (εμβαδού: εμβαδόν, μέγιστη διάμετρος, σχετική αντίθεση, εκκεντρότητα, συμπαγότητα, διακύμανση ακτινικών αποστάσεων, περιοχής: ροπές 1ης και 2ης τάξης, και περιγράμματος: χαρακτηριστικό ροπής και συχνότητας). Ακολούθως, τέσσερα συστήματα αυτόματης διάγνωσης σχεδιάστηκαν βασιζόμενα στον ταξινομητή ελαχίστων τετραγώνων – ελάχιστης απόστασης και μορφολογικά χαρακτηριστικά εξήχθησαν από τις τρεις αυτόματες μεθόδους τμηματοποίησης (δύο προτεινόμενες και μία συγκρινόμενη). Η ποσοτική αξιολόγηση των προτεινόμενων μεθόδων τμηματοποίησης με χρήση δείκτη επικάλυψης περιοχής απέδειξε ότι μόνο η μέθοδος των Ενεργών Περιγραμμάτων Πολλαπλών Κλιμάκων με αρχικοποίηση Ενεργών Ακτίνων στη βέλτιστη κλίμακα ανάλυσης χαρακτηρίζεται από εξίσου υψηλή απόδοση για τις μικρού (<500μm) και μεγάλου (>500μm) μεγέθους μικροαποτιτανώσεις. Επιπλέον, ο ταξινομητής που βασίστηκε σε χαρακτηριστικά εξαγόμενα από τη βελτιστοποιημένη μέθοδο τμηματοποίησης παρουσίασε καλύτερη απόδοση ταξινόμησης (0.779±0.041) από τους ταξινομητές που βασίστηκαν σε χαρακτηριστικά εξαγόμενα από τη μέθοδο Ενεργών Ακτίνων (0.667±0.041) και τη μέθοδο ακτινικής βάθμωσης (0.670±0.044). Η απόδοση ταξινόμησης του βελτιωμένου αλγόριθμου τμηματοποίησης ήταν δε παρόμοια με την απόδοση του ταξινομητή που βασίστηκε σε χαρακτηριστικά εξαγόμενα από χειροκίνητα τμηματοποιημένες μικροαποτιτανώσεις (0.813±0.037). / Accurate segmentation of microcalcifications (MCs) in mammography is crucial for the quantification of morphologic properties by features incorporated in computer-aided diagnosis (CADx) schemes. At first, a novel segmentation method is proposed implementing active rays (polar-transformed active contours) on B-spline wavelet representation to identify microcalcification contour point estimates in a coarse-to-fine strategy at two levels of analysis. An iterative region growing method is used to delineate the final microcalcification contour curve, with pixel aggregation constrained by the microcalcification contour point estimates. A radial gradient method, representing the current state-of-the-art, was also implemented for comparative purposes. The methods were tested on a dataset consisting of 149 mainly pleomorphic microcalcification clusters originating from 130 mammograms of the DDSM database. Segmentation accuracy of both methods was evaluated by three radiologists, based on a 5-point rating scale. The radiologists’ average accuracy ratings were 3.96±0.77, 3.97±0.80 and 3.83±0.89 for the proposed method, and 2.91±0.86, 2.10±0.94 and 2.56±0.76 for the radial gradient-based method, respectively, while the differences in accuracy ratings between the two segmentation methods were statistically significant (Wilcoxon signed-ranks test, p<0.05). The effect of the two segmentation methods in the classification of benign from malignant microcalcification clusters was also investigated. A Least Square Minimum Distance (LSMD) classifier was employed based on cluster features reflecting three morphological properties of individual microcalcifications (area, length and relative contrast). Classification performance was evaluated by means of the area under ROC curve (Az). The area and length morphologic features demonstrated a statistically significant (Mann-Whitney U-test, p<0.05) higher patient-based classification performance when extracted from microcalcifications segmented by the proposed method (0.82±0.06 and 0.86±0.05, respectively), as compared to segmentation by the radial gradient-based method (0.71±0.08 and 0.75±0.08). The proposed method demonstrates improved segmentation accuracy, fulfilling human visual criteria, and enhances the ability of morphologic features to characterize microcalcification clusters. The limitations of this method could be attributed to: • Multiscale analysis restricted to two scales and ad-hoc selection of the coarsest scale of analysis, limiting the desired size-adaptation property of the proposed segmentation method. • Use of constrained region growing to delineate the final MC region to avoid discontinouities inherent to the 8-contour point estimates. • Segmentation accuracy assessed only qualitatively. • Limited morphology anaysis incorporated into the CADx framework. To overcome these limitations, a second method is introduced adaptive to coarse scale selection to initialize the segmentation algorithm, by means of scale-space signatures. Also, we suggest the analysis in the continuous wavelet transform offering a rich multiscale frame. In this framework, multiscale active contours are introduced, utilizing as initial step the previously proposed Active Rays method combined to linear interpolation, for initial contour estimation. Then, each contour point follows the direction where the gradient is maximized. MCs are finally delineated by refining each contour point position at finer scales more accurately. Segmentation accuracy is quantitatively assessed by means of the Area Overlap Measure, utilizing manual segmentation of individual MCs as ground truth, provided by expert radiologists. A total of 1157 individual MCs were segmented in a dataset of 128 MC clusters, digitized at 50μm pixel resolution. To further ensure feature reliability, features extracted from the improved segmentation method were compared (Pearson correlation) to features extracted from manual experts’ delineations. Following, four CADx schemes were implemented utilizing Least Square Minimum Distance (LSMD) classifier and morphology features extracted from the two proposed and the Radial Gradient method. Training of all classifiers was accoblished by features extracted from manually segmented MCs. Quantitative analysis indicated that Multiscale Active Contour method initialized by Active Rays (MAC-AR) had similar Area Overlap Measure performance either for small and large MCs. Furthermore, the improved method demonstrated better performance in terms of classification performance (Az=0.78), as compared to Multiscale Active Rays constrained Region Growing (MAR-RG) (Az=0.67) and the radial gradient one (Az=0.67), however, statistically similar to manual segmentation, representing the best performance (Az=0.81).

- / -

- / -

Στη παρούσα διπλωματική εργασία έχοντας σα βάση το γεγονός ότι η μαστογραφία αποτελεί την καλύτερη τεχνική έγκαιρης ανίχνευσης του καρκίνου του μαστού και ότι το μέγιστο όφελος της μαστογραφίας βρίσκεται στην πρώιμη ανίχνευση του καρκινώματος στα αρχικά στάδιά του, ασχοληθήκαμε με την ανάλυση και εφαρμογή μεθόδων ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας, που εφαρμόζονται στη μαστογραφία. Ορίσαμε και αναλύσαμε τους διάφορους αλγόριθμους ενίσχυσης εικόνας, που στηρίζονται στην ενίσχυση αντίθεσης μέσω: (α) αύξησης των διαβαθμίσεων του γκρι σε συγκεκριμένες υπό περιοχές (π.χ. μέθοδος παραθύρου, εξίσωση ιστογράμματος) (μέθοδοι ενίσχυσης αντίθεσης) (β) αύξησης των διαφορών διαβάθμισης του γκρι της εικόνας, που αντιστοιχούν στην ενίσχυση της παρυφής της εικόνας, που συνήθως παρέχεται από φίλτρα που υλοποιούν τελεστές παραγώγου εικόνας (μέθοδοι ενίσχυσης αιχμών). Οι τεχνικές ενίσχυσης εικόνας που χρησιμοποιήσαμε στα πλαίσια της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η Μέθοδος παραθύρου (Intesity Windowing), η Εξισορρόπηση Ιστογράμματος με ψαλίδισμα (Clipped Adaptive Histogram Equalization) και η Καταστολή θορύβου-Ενίσχυσης παρυφής με μέθοδο μετασχηματισμού κυματίου (Wavelet). Πριν την εφαρμογή των μεθόδων ενίσχυσης εικόνας στις μαστογραφικές εικόνες ήταν αναγκαία η δημιουργία ψηφιακών συνθετικών εικόνων οι οποίες μιμούνται τα παθολογικά ευρήματα και μέσω αυτών εξάγουμε τις βέλτιστες παραμέτρους που θα χρησιμοποιηθούν στις μεθόδους ενίσχυσης εικόνας. Αυτό το πετύχαμε κάνοντας χρήση των ποσοτικών δεικτών αξιολόγησης ποιότητας εικόνας. Οι δείκτες αυτοί στηρίχτηκαν σε μετρήσεις θορύβου και αντίθεσης για συγκεκριμένη περιοχή ενδιαφέροντος μαστογραφικής εικόνας και είναι ο Δείκτης Βελτίωσης Αντίθεσης (Contrast improvement index-CII), ο Δείκτης Ενίσχυσης Θορύβου (Noise amplification index- NAI) και ο λόγος CII/NAI (Contrast to noise ratio index -CNRI). Στη συνέχεια κάνοντας χρήση των βέλτιστων παραμέτρων ενίσχυσης εικόνας που βρήκαμε μέσω των ποσοτικών δεικτών, ενισχύσαμε το δείγμα των 105 μαστογραφικών εικόνων (περιοχής ενδιαφέροντος) και με τη βοήθεια ακτινολόγου προχωρήσαμε στο πειραματικό στάδιο της Διπλωματικής Εργασίας αξιολογώντας τις μαστογραφικές εικόνες με βάση το σύστημα BIRADS του ACR. Τελευταίο βήμα της μελέτης μας αποτέλεσε η διαγνωστική ακρίβεια του ακτινολόγου βασιζόμενη στη ROC καμπύλη. Υπολογίσαμε το εμβαδό κάτω από την καμπύλη ROC για κάθε μέθοδο ενίσχυσης ξεχωριστά αλλά και για τις αρχικές μαστογραφικές εικόνες στις οποίες είχαμε τις εκτιμήσεις από δύο ακτινολόγους. / In the present postgraduate thesis, we studied the application of image enhancement methods in X-ray mammography, the best technique for detection of breast cancer in early stages. We defined and analyzed the various algorithms of mammographic image enhancement, which are based in contrast enhancement: (a) Increasing the differences in grey level values in specific regions (Intensity Windowing, Histogram Equalization), called contrast enhancement methods. (b) Increasing the gradation of the differences of grey level values of regions that correspond in edge enhancement, provided by filters such applying first or second order derivatives, called edge enhancement methods). Three image enhancement methods were used in the present study, Manual Intensity Windowing (MIW), the Contrast-Limited Adaptive Histogram Equalization (CLAHE) and a dual-stage (denoising and enhancement) Adaptive Wavelet-based Enhancement method (WAVELET). Before applying the three image enhancement methods in mammographic images (regions of interests, ROIs), it was necessary to determine the optimal values of parameters that will be used in image enhancement methods. Digital synthetic images simulating pathological findings, such as microcalcification clusters, were developed for the determination of optimal values of parameters for CLAHE and WAVELET of the image enhancement methods. This was achieved by using quantitative metrics for image quality evaluation. These metrics were based on measurements of noise and contrast for a specific ROI in mammographic images containing the simulated microcalcification clusters. These metrics are: Contrast Improvement Index (CII), Noise Amplification Index (NAI) and the Contrast-to-Noise Ratio Index (CNRI). For the two image enhancement methods (CLAHE and WAVELET) the optimal values of parameters were used, while for MIW a radiologist manually determined the values of parameters (centre and level of windowing) for enhancing the sample of 105 mammographic images (ROIs) containing microcalcification clusters. Evaluation of the three image enhancement methods was performed based on BI-RADS of ACR for patient management determined by one radiologist. Last step of our study was to estimate the diagnostic accuracy of radiologist based on ROC analysis. We calculate the area under ROC curve for each enhancement method, as well as for the initial mammographic images (original).

Στην παρούσα διπλωματική εργασία στόχος είναι η μελέτη της δυνατότητας επεξεργασίας των εικόνων των μαστογραφιών με σκοπό την ανίχνευση σε αυτές ύποπτων περιοχών. Η μελέτη αυτή βασίζεται στις ήδη υπάρχουσες επιστημονικές γνώσεις γύρω από τον καρκίνου του μαστού και τις ιδιότητές του και γίνεται μέσω επεξεργασίας των εικόνων με Matlab. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται οι γνώσεις που έχουμε συλλέξει από επιστημονικές πηγές σχετικά με τις αιτίες,τη φαινομενολογία,την έκταση και τα είδη του καρκίνου του μαστού καθώς και τη διαδικασία της αναλογικής και της ψηφιακής μαστογραφία. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται ενδελεχώς όλα τα χαρακτηριστικά της ψηφιακής μαστογραφίας.Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανασκόπηση των τεχνικών οι οποίες έχουν προταθεί ή χρησιμοποιηθεί για την αυτοματοποιημένη διάγνωση, κατηγοριοποίηση και επεξεργασία μαστογραφικών εικόνων.Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της μεθόδου εντοπισμού καρκίνου από εικόνες μαστογραφίας με τη χρήση μετασχηματισμού Watershed. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζεται η κλινική χρησιμότητα της καμπύλης ROC και JAFROC στη διαγνωστική έρευνα. Στο έκτο και τελευταιο κεφάλαιο γίνεται ολόκληρη η πειραματική διαδικασία στην οποία δοκιμάζονται διάφοροι τρόποι επεξεργασίας της εικόνας για όλα τα είδη καρκίνων του μαστού σε ένα μεγάλο πλήθος μαστογραφιών και εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα για την επιλογή κάποιων από αυτών ανά είδος. / In this essay the purpose is the study of the possibility of mammography image processing techniques in order to detect possible breast cancer tissues. The study is based on already gained scientific knowledge on breast cancer and its characteristics and it is achieved through image processing techniques in matlab. In the first chapter is reported the knowledge we have gained on causes ,description, range and kinds of breast cancer , as also as the analogical and digital mammography procedure. In the second chapter, there are fully analyzed the digital mammography features. In the third chapter, there is a review of techniques used or tested in the past in automatic mammographic diagnosis and in image categorization and processing. In the fourth chapter,an image detection technique based on transformation Watershed is analyzed. In the fifth chapter, the clinical usefulness of ROC and JAFROC study is studied. In the sixth and last chapter, there is the whole experimental procedure that we have accomplished in order to test the advantages of various matlab image detection tools in various breast cancer kinds. There are also made some very important conlusions in the last chapter.

The dominant powder scintillator in most medical imaging modalities for decades is Gd2O2S:Tb due to the very good intrinsic properties and overall efficiency. Except for Gd2O2S:Tb there are alternative powder phosphor scintillators like Lu2SiO5:Ce and Gd2O2S:Eu that has been suggested for use in various medical imaging modalities. Gd2O2S:Eu emits red light and can be combined mainly with digital imaging devices like CCDs and CMOS based detectors. The purposes of the present thesis, is to investigate the fundamental imaging performance of a high resolution CMOS based imaging sensor combined with custom made Europium (Eu3+) activated Gd2O2S screens in terms of Modulation Transfer Function (MTF), Normalized Noise Power Spectrum (NNPS), Detective Quantum Efficiency (DQE), Noise Equivalent Quanta (NEQ) and Information Capacity (IC) covering the mammography and general radiography energy ranges. The CMOS sensor was coupled to two Gd2O2S:Eu scintillator screens with coating thicknesses of 33.3 and 65.1 mg/cm2, respectively, which were placed in direct contact with the photodiode array. The CMOS photodiode array, featuring 1200x1600 pixels with a pixel pitch of 22.5 m , was used as an optical photon detector. In addition to frequency dependent parameters (MTF, NPS, DQE) characterizing image quality, image information content was assessed through the application of information capacity (IC). The MTF was measured using the slanted-edge method to avoid aliasing while the Normalized NPS (NNPS) was determined by two-dimensional (2D) Fourier transforming of uniformly exposed images. Both parameters were assessed by irradiation under the RQA-5 protocol (70kVp digital-radiography) recommended by the International Electrotechnical Commission Reports 62220-1 and the W/Rh, W/Ag beam qualities (28kVp digital-mammography). The DQE was assessed from the measured MTF, NNPS and the direct entrance surface air-Kerma (ESAK) obtained from X-ray spectra measurement with a portable cadmium telluride (CdTe) detector. The spectral matching factor between the optical spectra emitted by the Gd2O2S:Eu and the Gd2O2S:Tb screens and the CMOS optical sensor, evaluated in the present study, was 1 and 0.95 respectively. The ESAK values ranged between 11.2-87.5 Gy , for RQA-5, and between 65.8-334 Gy , for W/Rh, W/Ag beam qualities. It was found that the detector response function was linear for the exposure ranges under investigation. Under radiographic conditions the MTF of the present system was found higher than previously published MTF data for a 48 m CMOS sensor, in the low up to medium frequency ranges. DQE was found comparable, while the NNPS appeared to be higher in the frequency range under investigation (0–10 cycles/mm). NEQ reached a maximum (73563 mm-2) in the low frequency range (1.8 cycles/mm), under the RQA 5 (ESAK: 11.2 Gy ) conditions. IC values were found to range between 1730-1851 bits/mm2. Under mammographic conditions MTF, NNPS and NEQ were found comparable to data previously published for the 48 m CMOS sensor while the DQE was found lower. The corresponding IC values were found ranging between 2475 and 2821 bits/mm2. The imaging performance of europium (Eu3+) activated Gd2O2S screens in combination to the CMOS sensor, investigated in the present study, was found comparable to those of Terbium (Tb) activated Gd2O2S screens (combined with the CMOS sensor). It can be thus claimed that red emitting phosphors could be suitably used in digital imaging systems, where the Silicon (Si) based photodetectors are more sensitive to longer wavelength ranges, and particularly in the red wavelength range. / -

Breast cancer screening and diagnosis in X-ray mammography rely on the detection and visualization of microcalcifications (μCs) and soft tissue masses. The early detection of breast cancer has been shown to decrease breast cancer mortality. The μCs are composed mainly of calcium with attenuation coefficients greater than that of soft tissue. The detection and visualization of μCs are relatively easy over a uniform tissue background, but limited by the ‘‘clutter’’ due to overlapping tissue background present on the mammogram. The clutter in tissue background arises from the structures of glandular tissue, vessels, and soft tissue masses in the breast. However, depending upon their size and location, the visualization of calcifications in mammograms may be limited by the superimposed anatomical structures even when the calcifications have adequate contrast-to-noise ratio (CNR). Dual-energy subtraction imaging techniques offer an alternative approach to the detection and visualization of μCs. With this technique, high- and low-energy images are separately acquired and ‘‘subtracted’’ from each other in a weighted fashion to cancel out the cluttered tissue structure so as to decrease the obscurity from overlapping tissue structures. In this study, computer simulations were developed in order to compute SNR as a function of various imaging parameters (X-ray spectra, μC size, breast thickness, and total exposure- 2 different cases) in Dual Energy Calcification images. Emphasis was placed on the monochromatization of the X-ray spectra with the use of K-edge filtering technique. Also, simulations provided values for various quality parameters of the spectra. Optimization was based on maximization of SNRtc while reducing total entrance exposure of the breast or Coefficient of Variation of the incident photons (CVIinc). / Ο καρκίνος του μαστού, ο οποίος είναι μια κοινή αιτία θανάτου μεταξύ των γυναικών του πληθυσμού, μπορεί να εκδηλωθεί μέσω μικροαποτιτανώσεων. Στη μαστογραφία, η ιατρική διάγνωση (συμπεριλαμβανομένων των τεχνικών ελέγχου) βασίζεται στην ανίχνευση και απεικόνιση αυτών των μικροαποτιτανώσεων (μCs) ή/ και της μάζας των μαλακών ιστών. Η έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου έχει αποδειχθεί ότι μειώνει τη θνησιμότητα λόγω καρκίνου του μαστού. Οι μCs αποτελούνται κυρίως από ασβέστιο (Ca), με αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη εξασθένηση της ακτινοβολίας σε σχέση με τον μαλακό ιστό. Η ανίχνευση και η απεικόνιση των μικροαποτιτανώσεων είναι σχετικά εύκολη για έναν ομοιόμορφο μαστό. Ωστόσο, η απεικόνιση περιορίζεται από την ανομοιομορφία του υγιούς επικείμενου ιστού, που προκύπτει από τον αδενώδη ιστό, τις φλέβες και τους μαλακούς ιστούς στο μαστό. Ανάλογα με το βαθμό της ανομοιομορφίας, την αντίθεση των μCs, και τον τρόπο της επικάλυψης του ιστού, μπορεί να είναι δύσκολο να εντοπιστεί μια μικροαποτιτάνωση, παρόλο που ενδέχεται να υπάρχει επαρκής λόγος αντίθεσης προς θόρυβο (CNR). Η απεικόνιση με αφαιρετική τεχνική διπλής ενέργειας προσφέρει μια εναλλακτική προσέγγιση για την ανίχνευση και απεικόνιση των μCs. Με την τεχνική αυτή, αποκτώνται ξεχωριστά εικόνες υψηλής και χαμηλής ενέργειας και στη συνέχεια αφαιρείται η μια από την άλλη, με σκοπό να μειωθεί η ασάφεια από τις επικαλυπτόμενες δομές του ιστού. Στη παρούσα μελέτη, αναπτύχθηκε αλγόριθμος προσομοίωσης για τον υπολογισμό του SNR για διάφορους παράγοντες απεικόνισης (φάσματα ακτίνων-Χ, μέγεθος αποτιτάνωσης, πάχος μαστού και συνθήκες έκθεσης). Έμφαση δόθηκε στη τροποποίηση των φασμάτων ακτίνων-Χ ώστε να αποκτηθούν όσο το δυνατόν πιο «μονοχρωματικά» φάσματα με τη χρήση της τεχνικής K-edge. Η επιλογή των βέλτιστων φασμάτων υψηλής και χαμηλής ενέργειας βασίστηκε στην αύξηση του SNRtc με ταυτόχρονη μείωση της έκθεσης εισόδου στην επιφάνεια του μαστού ή τη μείωση του συντελεστή διακύμανσης των προσπιπτόντων φωτονίων στην είσοδο του μαστού (CVIinc).

Η παρούσα εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια, τα οποία έχουν την εξής δομή: Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στο πρόβλημα του καρκίνου του μαστού, κάνοντας αρχικά μία παρουσίαση της ανατομίας και της φυσιολογίας του μαστού. Στη συνέχεια γίνεται μια αναφορά στο πως αναπτύσσεται ο καρκίνος του μαστού, ποιοι προδιαθεσιακοί παράγοντες υπάρχουν και πως αντιμετωπίζεται. Επίσης περιγράφονται και τα διάφορα είδη καρκινικών ευρημάτων. Αναλύονται τα διάφορα διαγνωστικά μέσα δίνοντας έμφαση στη μαστογραφία ως μέσο απεικόνισης του καρκίνου, στον τρόπο που παράγεται, ψηφιοποιείται και ερμηνεύεται. Τέλος γίνεται αναφορά στα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση του υπολογιστή στη μαστογραφική μελέτη. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στις μεθόδους ψηφιακής επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας που εφαρμόζονται στη μαστογραφία. Αναλύονται μια σειρά από τεχνικές βελτίωσης της ποιότητας των ψηφιακών μαστογραφιών, δίνοντας έμφαση στην έννοια του ιστογράμματος εικόνας και στις διάφορες τεχνικές τροποποίησης του. Τέλος γίνεται αναφορά στην υφή της εικόνας και στις διάφορες παραμέτρους που χρησιμοποιούνται στην ψηφιακή ανάλυση ενός μαστογραφήματος όπως επίσης και στην διαδικασία κατάταξης των διαφόρων περιοχών του σε υγιή και μη φυσιολογικά. Στο κεφάλαιο 3 αναλύεται μια άλλη ομάδα μεθόδων ανάλυσης εικόνας μαστογραφιών η οποία μπορεί να περιγραφεί ως τεχνικές ανίχνευσης ανωμαλιών. Αυτές οι μέθοδοι προσπαθούν να εντοπίσουν συγκεκριμένες ανωμαλίες, όπως οι μικροαποτιτανώσεις, οι οζώδεις σκιάσεις, ή οι αλλοιώσεις της δομής των γειτονικών ιστών μέσα στις εικόνες μαστογραφιών. Αυτές οι μέθοδοι ταξινομούνται στην ερευνητική περιοχή της επεξεργασίας εικόνας για τον εντοπισμό των ανωμαλιών στις μαστογραφίες. Στο κεφάλαιο 4 της διπλωματικής εργασίας γίνεται παρουσίαση της συγκριτικής ανάλυσης που χρησιμοποιείται για την ερμηνεία των ψηφιακών μαστογραφημάτων. Γίνεται αναφορά στα είδη της, στα στάδια από τα οποία αποτελείται καθώς και στις δυσκολίες που παρουσιάζονται κατά την εφαρμογή της. Αναλύεται η διαδικασία της συστοίχισης μαστογραφημάτων, που είναι ένα από τα πιο βασικά αλλά και συνάμα από τα πιο πολύπλοκα στάδια της συγκριτικής ανάλυσης και τέλος γίνεται εκτενής αναφορά στο συντελεστή ετεροσυσχέτισης ως μέσο για την αναγνώριση και τη συστοίχιση δισδιάστατων προτύπων. Στο κεφάλαιο 5 αναλύονται τα συστήματα ταξινόμησης προτύπων που χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση των υπόπτων περιοχών στα ψηφιακά μαστογραφήματα. Δίνεται έμφαση στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, που αποτελούν τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα συστήματα απόφασης στο χώρο αυτό, και ιδιαίτερα στα δίκτυα ακτινικών συναρτήσεων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διπλωματική εργασία. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφονται τρεις ξεχωριστές μελέτες. Αρχικά μελετήθηκε το πρόβλημα της συστοίχισης ψηφιακών μαστογραφιών. Το πρώτο στάδιο της συγκριτικής ανάλυσης μαστογραφημάτων, είτε αυτή είναι δίπλευρη είτε πρόσκαιρη, είναι η συστοίχιση των αντίστοιχων μαστογραφημάτων. Στο σύστημα που υλοποιήθηκε, επιδιώκουμε τη συστοίχιση μαστογραφημάτων μέσω της εξαγωγής του περιγράμματος κάθε μαστού και της ελαχιστοποίησης της διαφοράς των εμβαδών τους. Βρίσκοντας την ελάχιστη τιμή του εμβαδού μετατοπίζοντας στο χώρο την μια μαστογραφία υπολογίζουμε ταυτόχρονα και τη θέση του καλύτερου ταιριάσματος των δύο μαστογραφημάτων. Έπειτα μελετήθηκαν διάφορες τοπολογίες νευρωνικών δικτύων ακτινικών συναρτήσεων. Ως παραμέτρους –εισόδους στο νευρωνικό δίκτυο- χρησιμοποιήσαμε στατιστικούς περιγραφείς της υφής. Οι πιο απλές τεχνικές περιγραφής της υφής, με πολύ καλή απόδοση, είναι οι στατιστικές τεχνικές που βασίζονται στα ιστογράμματα των περιοχών, τις επεκτάσεις τους και τις ροπές τους. Πραγματοποιήθηκαν αξιολογήσεις του συστήματος αναγνώρισης για ροπές από 1ης έως και 15ης τάξης ώστε να βρεθεί ο αριθμός που μας εξασφαλίζει την καλύτερη απόδοση. Η καλύτερη τοπολογία του δικτύου χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη ενός συστήματος ανίχνευσης υπόπτων περιοχών σε ψηφιακές μαστογραφίες. Τέλος αναπτύσσεται διεξοδικά σύστημα ανίχνευσης υπόπτων περιοχών σε ψηφιακά μαστογραφήματα Η ταξινόμηση πραγματοποιείται με στατιστικούς περιγραφείς της υφής ενώ ο έλεγχος γίνεται μέσω χρήσης νευρωνικού δικτύου ακτινικών συναρτήσεων. Το σύστημα ανίχνευσης δίνει ως αποτέλεσμα τα αρχικά μαστογραφήματα σηματοδοτημένα με τις πλέον ύποπτες περιοχές για την ύπαρξη νεοπλασίας. Παρουσιάζονται αναλυτικά τα στάδια που ακολουθήθηκαν για τη υλοποίηση του συστήματος, τα πειραματικά αποτελέσματα, τα προβλήματα που αντιμετωπίστηκαν και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν. / -

Ο μαζικός αδένας σχηματίζεται την 6η εμβρυϊκή εβδομάδα ως πάχυνση του εξωδέρματος (μαζική ακρολοφία), ενώ κατά τον 5ο εμβρυϊκό μήνα αναπτύσσονται από τις αρχικές επιθηλιακές καταβολές, συμπαγείς χορδές κυττάρων στο υποκείμενο χόριο. Ο μαστός ως εξωκρινής αδένας φέρει υποδοχείς, μέσω των οποίων υπόκειται σε ορμονικό έλεγχο τόσο κατά τη διάρκεια του έμμηνου κύκλου, όσο και κατά τη διάρκεια της κύησης και της γαλακτοφορίας, η οποία αποτελεί και το σκοπό ύπαρξης του μαστού. Όμως ο μαστός αποτελεί ένα από τα όργανα του ανθρώπινου σώματος το οποίο υφίσταται καρκινική εξαλλαγή, αφού αποτελεί την 1η αιτία θανάτου από καρκίνο μεταξύ των γυναικών. Υπολογίζεται πως ο ετήσιος κίνδυνος για να προσβληθεί μία γυναίκα από καρκίνο του μαστού είναι 1: 37.000 μεταξύ των ηλικιών 30-40, ενώ ο αριθμός αυτός αυξάνει σε 1: 200-235 σε ηλικίες άνω των 70 ετών. Σημαντικοί τρόποι προληπτικού ελέγχου, και αυτοί οι οποίοι θα μελετηθούν, προκειμένου να διαγιγνώσκεται έγκαιρα μια κακοήθης αλλοίωση του μαστού είναι η μαστογραφία, που με τη βοήθεια πάντα του υπερηχογραφήματος και του έγχρωμου Doppler είναι σε θέση να εντοπίζει αλλοιώσεις μεγέθους ακόμα και 2 mm, οι οποίες δεν έχουν δώσει ακόμα κλινική σημειολογία. Όταν η μάζα γίνει ψηλαφητή αυτό σημαίνει ότι θα είναι ήδη μεγέθους 2 cm και θα έχει διηθήσει τους γύρω ιστούς. Το υπερηχογράφημα θα μειώσει τον αριθμό των γυναικών οι οποίες θα χρειαστεί να υποβληθούν σε βιοψία, καθώς δίνει τη δυνατότητα καθορισμού της κυστικής ή συμπαγούς σύστασης της απεικονιζόμενης στη μαστογραφία αλλοίωσης. Σκοπός του screening με τις απεικονιστικές αυτές μεθόδους είναι να μειωθεί ακόμα περισσότερο η θνητότητα και η θνησιμότητα από καρκίνο του μαστού καθώς ιάσιμη νόσος είναι αυτή η οποία δεν έχει δώσει ακόμα κλινική σημειολογία. / The mammary gland is formed during the 6th week of fetal life, as an exoderma thickening, while during the 5th month compact cords are being developed subcutaneously. The mammary gland as an exocrine gland, carries receptors through which is subject to hormonal control. Not only does this occur during menstrual circle, but also during gestation and lactation, which is the purpose of its existence. Statistics show that the mammary gland is among the human organs, which are most susceptible to cancerous transmutation, since breast cancer is the first cause of death from cancer among women. It is estimated that the annual risk a woman runs to be affected by breast cancer is 1: 37.000 between the ages 30-40, while this risk increases to 1: 200-235 to women above 70 years of age. Mammography along with ultrasonography and color Doppler are significant preventive measures, in order to obtain a prompt diagnosis of a malignant breast lesion. They are capable of pinpointing a lesion as small as 2mm, before this can be clinically detected. When it reaches the point of being palpable, it measures more than 2cm and will have already infiltrated the surrounding tissue. Ultrasonography will reduce the number of women who will need to undergo biopsy in order to distinguish the cystic or solid nature of a suspicious lesion detected in a mammogram. The aim of screening mammography along with ultrasonography is to decrease the morbidity of breast cancer, since breast cancer is curable only at the stage when clinical examination cannot detect it.