Στα πλαίσια της συγκεκριμενης διδακτορικής διατριβής, δύο μοντέλα προσομοίωσης Monte Carlo επεκτάθηκαν ώστε να συμπεριλάβουν γεωμετρίες μεγέθυνσης και διάφορες περιεκτικότητες μαστού σε μαζικό αδένα, και χρησιμοποιήθηκαν με σκοπό τη βελτιστοποίηση των μεγεθυντικών λήψεων στη μαστογραφία. Με τα μοντέλα αυτά έγιναν δοσιμετρικές μελέτες, καθώς επίσης και μελέτες για την ποιότητα εικόνας. Πιο συγκεκριμένα, η δοση στο μαζικό αδένα του μαστού, η οποία συνδέεται άμεσα με την πιθανότητα καρκινογέννεσης κατά τη διάρκεια της μαστογραφίας, βρέθηκε να αυξάνει με το βαθμό μεγέθυνσης κυρίως λόγω του νόμου αντιστρόφου τετραγώνου της απόστασης. Ο λόγος αντίθεσης προς το θόρυβο επίσης αυξάνει με το βαθμό μεγέθυνσης. Ωστόσο, ο ρυθμός αύξησης είναι μεγαλύτερος για μεγέθυνση μέχρι 1.4. Με την εισαγωγή ενός δείκτη απόδοσης ο οποίος είναι συνάρτηση του επιθυμητού κέρδους (εκφραζόμενο από το CNRν) και του κόστους (εκφραζόμενο από τη δόση) διάφορες παράμετροι έκθεσης (βαθμός μεγέθυνσης και φάσμα) αποτιμήθηκαν υπό συνθήκες μεγέθυνσης. Ο βαθμός μεγέθυνσης 1.3 βρέθηκε να έχει την καλύτερη απόδοσηγια όλους τους συνδυασμούς υλικών ανόδου/φίλτρου που μελετήθηκαν. Διάφοροι συνδυασμοί όπως οι W/0.050mmAl, Rh/0.51mmAl, W/0.030mmRh, Rh/0.029mmRh, Rh/0.030mmRu και Mo/0.029mmRh θα μπορούσαν να ανταγωνιστούν το Mo/0.030mmMo σε γεωμετρίες επαφής. Ωστόσο, όταν εφαρμόζεται η τεχνική της μεγέθυνσης και ειδικά βαθμός μεγαλύτερος από 1.3, το Mo/0.030mmMo έχει τη μεγαλύτερη συνολική απόδοση μεταξύ των συνδυασμών που μελετήθηκαν. Επιπλεον, μελετήθηκε η επίδραση του μεγέθους της εστίας και της κατανομής εκπεμπόμενης ακτινοβολίας ακτίων-χ στη χωρική διακριτική ικανότητα υπό συνθήκες μεγέθυνσης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της αιχμής. Εστίες μεγαλύτερες από 0.12 mm θα έπρεπε να χρησιμοποιούνται μόνο για προληπτικές μαστογραφίες, ειδικά όταν συνδυάζονται με ομοιόμορφες ή κανονικές κατανομές διπλής κορυφής. Εστίες των 0.04 mm ή και ακόμα μικρότερες, συνδυασμένες με κανονικές κατανομές μονής κορυφής και μικρής τυπικής απόκλισης οδηγούν σε αποδεκτές τιμές διακριτικής ικανότητας με βάση τους διεθνείς κανονισμούς, ακόμα και σε μεγάλους βαθμούς μεγέθυνσης. Τέλος, βρέθηκε ότι η διακριτική ικανότητα υποβαθμίζεται με τη μεγέθυνση λόγω της γεωμετρικής ασάφειας. / In the framework of this doctorate thesis, two simulation models based on Monte Carlo were expanded in order to include magnification geometries and various breast compositions, and were utilized aiming to study and optimize the magnification views in mammography. With the use of these models, dosimetric as well as image quality characteristics were evaluated and combined in order to come into conclusions. More specifically, the dose in the glandular tissue of the breast, which is directly associated with the carcinogenic risk during mammography, was found to increase with the degree of magnification, mainly due to the inverse square law. Contrast to Noise Ratio also increases with magnification. However, the increase rate is higher for magnification up to 1.4. With the introduction of a Performance Index, which is a function of the desirable benefit (expressed by the (CNR)ν) and the cost (expressed by the dose), several exposure and design parameters (degree of magnification, spectrum) were evaluated under magnification conditions. Degree of magnification 1.3 was found to have the best overall performance for all the anode/filter combinations considered. Several combinations like W/0.050mmAl, Rh/0.51mmAl, W/0.030mmRh, Rh/0.029mmRh, Rh/0.030mmRu and Mo/0.029mmRh can compete with the Mo/0.030mmMo under contact geometry. However, when magnification is performed and especially degree higher than 1.3, Mo/0.030mmMo has the best overall performance between the anode/filter combinations considered. Moreover, the effect of focal spot size and x-ray intensity distribution on the spatial resolution was studied under magnification, using the edge method. Focal spots larger than 0.12 mm should be utilized only for screening mammography, especially when combined with uniform or double Gaussian intensity distributions. Small focal spots of 0.04 mm or less, combined with Gaussian distribution result in acceptable values of spatial resolution, according to the international regulations, even for high degrees of magnification. Finally, a degradation of the spatial resolution was found with the degree of magnification, which is mainly caused by the geometrical unsharpness.

In the framework of this thesis, a simulation model, based on Monte Carlo techniques, was developed for the study of breast imaging using Synchrotron Radiation (SR). The basic core of the model was developed in previous dissertations of our Department for conventional mammography. The existing model was expanded to include SR physical and geometrical characteristics and test the potential of SR for further optimization in breast imaging. The SR model was validated against experimental data from SYRMEP beamline of the Elettra Synchrotron Light Facility. The alterations of the new model comparing to the one for conventional mammography mostly concerned the geometry used (source-to-slit distance 22m), the narrow gaussian almost monoenergetic beam, and the scanning of the region of interest by a uniform movement of the phantom and the detector. Besides the generation of an image, the model was enriched with dose parameters (incident air kerma, backscatter radiation, entrance surface air kerma-Ke), in order to evaluate SR for both image quality and dose. The validation showed excellent results for 16-28 keV, for both image quality (subject contrast-SC) and dose (incident air kerma and corresponding number of photons) indices. In the case of SC, Pearson's correlation R was calculated 0.996, while in the case of dose validation, R was equal to 1. Regarding the backscatter, the validation was based on published data and the deviation did not exceed 2% for 20 keV. The performance of SR was then evaluated with mathematical phantoms designed to simulate difficult imaging tasks; the first experiment concerned a 4cm-thick phantom made of adipose tissue with embedded spheres of PMMA, glandular tissue and water of increasing diameter; the second one concerned a step wedge of 0-75% glandularity in a 5cm-thick background of adipose tissue and small calcifications in each step. The first experiment was used to compare SR energies (16-25 keV) to conventional mammographic spectra (Mo/Mo, Mo/Rh, Rh/Rh, W/Mo, W/Rh, W/Nb and W/Pd at 28 kVp) in terms of SC and CNR (Contrast-to-Noise Ratio). The results demonstrate that there is an energy range where CNR maximized (18-21 keV). The image quality indices are highly affected by the size and composition of the lesion, with PMMA showing a slightly degraded CNR compared to the same size glandular tissue inhomogeneity. SR energies between 18-21 keV demonstrate improved imaging performance compared to conventional spectra. For the second experiment, a Figure of Merit (FOM=CNR^2/Ke), was used as an index of the overall perfomance. The energy on the detector was kept constant at 7μGy for SR energies 19-25 keV (for 20 keV, the corresponding Ke was 1.5mGy). The results showed that the best performance (highest FOM), is observed in higher energies. However, taking into consideration the contrast-detail visibility, the best performance was observed at 21-22 keV. Synchrotron Radiation seems promising for breast imaging, since it shows better performance in cases where conventional mammography faces limitations. However, further exhaustive performance studies, in terms of resolution and dose, are necessary in order to consider it as a reliable alternative for mammographic applications. / Στα πλαίσια της διατριβής αυτής, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης με βάση τις τεχνικές Monte Carlo για την υπολογιστική μελέτη της εφαρμογής της Ακτινοβολίας Συγχρότρου (ΑΣ) στην απεικόνιση μαστού. Μια βάση για το σχεδιασμό του μοντέλου είχε διαμορφωθεί στο Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής για κλασική μαστογραφία. Το νέο μοντέλο σχεδιάστηκε και πιστοποιήθηκε ως προς την ακρίβεια των αποτελεσμάτων του, με βάση πειραματικές μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν με τη δέσμη SYRMEP του Elettra Synchrotron Light Facility στην Τεργέστη. Οι διαφορές του μοντέλου για ΑΣ σε σχέση με το προηγούμενο που είχε αναπτυχθεί για κλασική μαστογραφία παρατηρήθηκαν κυρίως στη διάταξη (απόσταση πηγής-σχισμής 22m), στη στενή gaussian μορφή της σχεδόν μονοενεργειακής δέσμης, αλλά και στην σάρωση της περιοχής ενδιαφέροντος από τη δέσμη, που πραγματοποιείται στην πράξη με την ομοιόμορφη κίνηση του συστήματος ομοίωμα-ανιχνευτής. Εκτός από τη δημιουργία εικόνας, στο μοντέλο προστέθηκαν και παράμετροι για τον υπολογισμό δοσιμετρικών στοιχείων (προσπίπτον kerma στην επιφάνεια του ομοιώματος, οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία, kerma εισόδου στην επιφάνεια του μαστού-Ke), για τη συνολική εκτίμηση της απόδοσης της ΑΣ στην απεικόνιση μαστού. Η πιστοποίηση του μοντέλου ως προς την ακρίβεια των παραγόμενων αποτελεσμάτων είχε εξαιρετικά αποτελέσματα, τόσο για την ποιότητα εικόνας (αντίθεση υποκειμένου-subject contrast), όσο και για τη δόση (προσπίπτον kerma και αντίστοιχος αριθμός φωτονίων). Ο συντελεστής συσχέτισης του Pearson, R, μεταξύ των δεικτών ποιότητας πειραματικής και προσομοιωμένης εικόνας, βρέθηκε 0.996, ενώ στην περίπτωση της επαλήθευσης της δόσης, ο συντελεστής R άγγιξε το 1. Για την οπισθοσκεδαζόμενη ακτινοβολία, η επαλήθευση πραγματοποιήθηκε με βάση βιβλιογραφικά στοιχεία και τα αποτελέσματα έδωσαν απόκλιση μικρότερη του 2% για 20 keV. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν πειράματα προσομοίωσης για την αξιολόγηση της ΑΣ με χρήση μαθηματικών ομοιωμάτων; στο πρώτο πείραμα σχεδιάστηκε ομοίωμα πάχους 4cm από λιπώδη ιστό με σφαιρικές ανομοιογένειες τριών διαφορετικών διαμέτρων και τριών διαφορετικών πυκνοτήτων (PMMA, αδενώδης ιστός και νερό); το δεύτερο πείραμα αφορά σε ομοίωμα αδενώδους ιστού αυξανόμενου πάχους (step wedge) 0-75% glandularity μέσα σε λιπώδη ιστό πάχους 5cm και με ενσωματωμένες αποτιτάνωσεις σε κάθε βήμα. Στο πρώτο πείραμα, συγκρίθηκαν ενέργειες ΑΣ (16-25 keV) με τα συνήθη μαστογραφικά φάσματα (Mo/Mo, Mo/Rh, Rh/Rh, W/Mo, W/Rh, W/Nb and W/Pd) στα 28 kVp ως προς το Subject Contrast (SC) και το Contrast-to-Noise Ratio (CNR). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι υπάρχει ένα εύρος ενεργειών (18-21 keV) όπου το CNR γίνεται βέλτιστο. Οι δείκτες ποιότητας εικόνας εξαρτώνται σημαντικά από το μέγεθος και τη σύνθεση της ανομοιογένειας με το PMMA να εμφανίζει ελαφρώς υποβαθμισμένο CNR σε σχέση με το αντίστοιχο μέγεθος ανομοιογένειας από αδενώδη ιστό. Οι ενέργειες ΑΣ στο εύρος 18-21 keV παρουσίασαν καλύτερη απόδοση από τα συμβατικά φάσματα. Για το δεύτερο πείραμα, χρησιμοποιήθηκε ένας δείκτης συνολικής απόδοσης (Figure of Merit - FOM=CNR^2/Ke). Για εύρος ενεργειών 19-25 keV, διατηρήθηκε σταθερή η ενέργεια στον ανιχνευτή (7 μGy), που αντιστοιχεί σε Ke=1.5mGy για 20 keV. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι την καλύτερη απόδοση (υψηλότερο FOM) παρουσίασαν οι υψηλότερες ενέργειες ΑΣ. Λαμβάνοντας όμως υπόψη και την ανιχνευσιμότητα των αποτιτανώσεων, η καλύτερη απόδοση παρατηρήθηκε στα 21-22 keV. Η Ακτινοβολία Συγχρότρου φαίνεται εξαιρετικά υποσχόμενη στην απεικόνιση μαστού, καθώς έχει καλύτερη απόδοση σε περιπτώσεις όπου η συμβατική μαστογραφία παρουσιάζει περιορισμούς. Εντούτοις, πρέπει να υποβληθεί σε περισσότερες μελέτες απόδοσης, ώστε να θεωρηθεί ως αξιόπιστη εναλλακτική για τις μαστογραφικές εφαρμογές.

Breast cancer is the prime factor of women mortality in the developed countries. During the recent years however, many techniques in breast imaging have been developed and applied, with X-ray mammography been perhaps the most widely used of cancer diagnostic tests. Nevertheless, X-ray mammography although still remains the frontline diagnostic technique in the fight against breast cancer and has been a contributing factor in the steady decline in deaths from breast cancer, it has certain drawbacks which range from false-positive results to missed lesions and the risk of carcinogenesis. Mammography, whether conventional or digital, has been thoroughly documented as missing between 25% and 40% of breast cancers, with a higher miss rate among women with dense breasts, which constitute 40% of the female population. Because the mammogram is a projected image of superimposed breast structures, it is generally more difficult to detect cancer in a breast with a dense (i.e. lighter in appearance on a mammogram) pattern. As a result, mammography appears low sensitivity (ranging from 24.5% to 37%), especially in women with dense breasts. This is due to the fact that it only images anatomic detail and provides no functional information which is essential for early and accurate diagnosis of breast cancer and can be expected to significantly reduce the number of unnecessary biopsies. The special properties of light could help optical imaging "see" what other diagnostic methods, including conventional x-ray mammography, may miss. One of the newest techniques on the scene is CT laser mammography (CTLM), a computed tomographic laser light-based scanner for the breast, which is able to detect greater blood flow that is a sign of cancer, with a radiation free energy source. The Computed Tomography Laser Mammography (CTLM®) system uses laser to image the breast in a non-invasive procedure. Unlike x-ray mammography, CTLM images blood hemoglobin and the process of neoangiogenesis or new vessel formation which is often associated with breast cancer. The CTLM functions somewhat like a conventional CT scanner in that an energy source, a near-infrared (NIR) laser, scans the breast; a computer reconstructs cross-sectional images based on measured optical data. The measured optical values are directly related to the optical effective transport coefficient of the breast tissue. Like CT, the images may be viewed as single slices or as 3D volumes. The Computed Tomography Laser Mammography method is a rather new breast imaging technique, yet studies from diagnostic centers all over the world present it as a promising tool in the imaging of the breast either alone or as an adjunctive to conventional mammography. When applying laser light to biological tissue, the occurrence of a variety of interaction mechanisms is multiple. This diversity is due to specific tissue characteristics as well as laser parameters. Laser radiations induce biological damage in tissues via photochemical, photothermal, and photomechanical interactions. During the CTLM technique of the NIR laser irradiation of the breast tissue, thermal effects take place, which were studied in this thesis with the aid of a Monte Carlo simulation code, the MCSLTT (Monte Carlo Simulation of Light Transport in Tissue) code. With the assistance of the MCSLTT code the simulation of the photon propagation inside the breast tissue and the skin was performed and graphics (appearing the temperature rise (°C) as a function of the depth that the laser light penetrates inside the tissue) and results that concerned the parameters under investigation (the total heat, the maximum photon depth when using different input powers and different medium thicknesses) were extracted. The combination of those results, led to the extraction of useful information and to the quantification of the thermal effects induced on skin and breast tissue and to the quantification of the influence of several parameters on breast’s temperature, when being irradiated with laser beams. Photochemical interactions, photoablation, plasma-induced ablation and photodisruption could as well be examined with the development of a new Monte Carlo simulation code, giving interesting results about the interaction mechanisms observed during the CTLM’ s laser beam irradiation of the breast tissue as an aspect of future work. / Ο καρκίνος του μαστού αποτελεί τον πρωταρχικό παράγοντα θνησιμότητας των γυναικών στις ανεπτυγμένες χώρες. Κατά την διάρκεια των τελευταίων χρόνων, εντούτοις, αρκετές τεχνικές στην απεικόνιση του μαστού έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί, με την μαστογραφία ακτινών Χ να αποτελεί ίσως την πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη από τις διαγνωστικές μεθόδους καρκίνου. Παρόλο που η μαστογραφία ακτινών Χ ακόμη παραμένει η κύρια διαγνωστική τεχνική στην μάχη κατά του καρκίνου του μαστού και αποτελεί έναν συνεισφέρων παράγοντα στην σταδιακή μείωση των θανάτων από καρκίνο του μαστού, παρουσιάζει συγκεκριμένα μειονεκτήματα τα οποία ποικίλλουν από ψευδή-θετικά αποτελέσματα έως χαμένες αλλοιώσεις καθώς και το ρίσκο της καρκινογένεσης. Έχει εκτενώς τεκμηριωθεί ότι η μαστογραφία, συμβατική ή ψηφιακή, “χάνει” το 25% - 40% των καρκίνων του μαστού, με το ποσοστό να αυξάνει μεταξύ γυναικών με πυκνούς μαστούς οι οποίες και αποτελούν το 40% του γυναικείου πληθυσμού. Εφόσον η μαστογραφία αποτελεί μια προβολική απεικόνιση υπερτιθέμενων δομών μαστού είναι γενικότερα δυσκολότερο να ανιχνευτεί καρκίνος σε έναν μαστό με πυκνή μορφή. Σαν αποτέλεσμα η μαστογραφία παρουσιάζει χαμηλή ευαισθησία (κυμαίνεται από 24.5% έως 37%) ειδικά σε γυναίκες με πυκνούς μαστούς. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι απεικονίζει μόνο ανατομική λεπτομέρεια και δεν παρέχει λειτουργική πληροφορία που είναι απαραίτητη για την πρώιμη και ακριβή διάγνωση του καρκίνου του μαστού και αναμένεται να μειώσει σημαντικά τον αριθμό των μη απαραίτητων βιοψιών. Οι ειδικές ιδιότητες του φωτός μπορούν να βοηθήσουν την οπτική απεικόνιση να “δει” αυτά που οι άλλες διαγνωστικές μέθοδοι, συμπεριλαμβανομένης και της συμβατικής μαστογραφίας ακτινών Χ, μπορεί να χάσουν. Μία από τις νεότερες τεχνικές στο προσκήνιο, είναι η μαστογραφία laser με μεθόδους υπολογιστικής τομογραφίας (CTLM), ένας υπολογιστικός, τομογραφικός, βασιζόμενος σε ακτινοβολία laser ανιχνευτής για τον μαστό, που μπορεί να ανιχνεύει μεγαλύτερη ροή αίματος (η οποία αποτελεί ένδειξη καρκίνου), χρησιμοποιώντας μία μη ιοντίζουσα πηγή ενέργειας. Το σύστημα CTLM χρησιμοποιεί laser για να απεικονίσει τον μαστό σε μία μη διηθητική διαδικασία. Αντίθετα με την μαστογραφία ακτινών Χ, το σύστημα CTLM απεικονίζει την αιμογλοβίνη του αίματος και την διαδικασία της νέο-αγγειογέννεσης ή του σχηματισμού νέων αγγείων που συχνά σχετίζεται με τον καρκίνο του μαστού. Το CTLM λειτουργεί σαν ένας συμβατικός ανιχνευτής υπολογιστικής τομογραφίας εφόσον η πηγή ενέργειας, ένα laser που εκπέμπει στο εγγύς υπέρυθρο ανιχνεύει τον μαστό και ένας υπολογιστής αναδομεί εικόνες από εγκάρσιες τομές που βασίζονται σε μετρήσιμα οπτικά δεδομένα. Οι μετρήσιμες οπτικές τιμές σχετίζονται απευθείας με τον οπτικό δραστικό συντελεστή μεταφοράς του μαστού. Όπως στην υπολογιστική τομογραφία, οι εικόνες μπορούν να απεικονιστούν σαν ατομικές τομές ή ως τρισδιάστατοι όγκοι. Η μαστογραφία laser με μεθόδους υπολογιστικής τομογραφίας (CTLM) είναι μια σχετικά νέα τεχνική απεικόνισης του μαστού, παρόλα αυτά μελέτες διαγνωστικών κέντρων από όλο τον κόσμο την παρουσιάζουν ως μία πολλά υποσχόμενη μέθοδο στην απεικόνιση του μαστού είτε μόνη της είτε βοηθητικά στην συμβατική μαστογραφία. Κατά την εφαρμογή ακτινοβολίας η μαστογραφία laser με μεθόδους υπολογιστικής τομογραφίας laser σε βιολογικό ιστό, η εμφάνιση διαφόρων μηχανισμών αλληλεπίδρασης είναι πολλαπλή. Η ποικιλία αυτή οφείλεται στα ειδικά χαρακτηριστικά του ιστού καθώς και στις παραμέτρους του laser. Η ακτινοβολία laser προκαλεί βιολογική καταστροφή σε ιστούς μέσω φωτοχημικών, φωτοθερμικών και φωτομηχανικών αλληλεπιδράσεων. Κατά την διάρκεια της NIR laser ακτινοβολίας του μαστού της τεχνικής CTLM, θερμικά φαινόμενα λαμβάνουν χώρα, τα οποία μελετήθηκαν σε αυτή την διπλωματική εργασία με την βοήθεια ενός Monte Carlo κώδικα προσομοίωσης, του κώδικα MCSLTT (Monte Carlo Simulation of Light Transport in Tissue). Με την βοήθεια του συγκεκριμένου κώδικα πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση της διάδοσης των φωτονίων εντός του ιστού και του δέρματος του μαστού και ελήφθησαν γραφικές που παρουσίαζαν την αύξηση της θερμοκρασίας (°C) ως συνάρτηση του βάθους που η ακτινοβολία laser φτάνει εντός του ιστού και αποτελέσματα που αφορούσαν τις παραμέτρους υπό διερεύνηση (συνολική θερμότητα, μέγιστο βάθος φωτονίων με χρήση διαφορετικών ισχύων εισόδου και διαφορετικών παχών μέσου). Ο συνδυασμός αυτών των αποτελεσμάτων οδήγηση σε χρήσιμες πληροφορίες και στην ποσοτικοποίηση των θερμικών φαινομένων στο δέρμα και στον ιστό του μαστού καθώς και στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης αρκετών παραμέτρων στην θερμοκρασία του μαστού όταν αυτός ακτινοβολείται από δέσμες laser. Οι φωτοχημικές αλληλεπιδράσεις, η φωτοαποκόλληση, η αποκόλληση επαγόμενη από πλάσμα και η φωτοδιάσπαση θα μπορούσαν να μελετηθούν σε μία μελλοντική εργασία με την ανάπτυξη ενός νέου Monte Carlo κώδικα προσομοίωσης, οδηγώντας στην εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης κατά την διάρκεια της CTLM μεθόδου ακτινοβόλησης του μαστού.

Magnification mammography is a special technique used in cases where breast complaints are noticed by a woman or when an abnormality is found in a screening mammogram. The carcinogenic risk in mammography is related to the dose deposited in the glandular tissue of the breast rather than the adipose, and Average Glandular Dose (AGD) is the quantity taken into consideration during a mammographic exam. Direct measurement of the AGD is not feasible during clinical practice and thus, the incident air Kinetic Energy Released per unit of MAss (KERMA) on the breast surface is used to estimate the glandular dose, with the help of proper conversion factors. Additional conversion factors adapted for magnification and tube voltage are calculated, using Monte Carlo simulation. The effect of magnification factor, tube voltage and various anode/filter material combinations on AGD, ESD and PDD is also studied. Results demonstrate that, for fixed glandularity, the estimation of AGD utilizing conversion factors depends on magnification factor, anode/filter combination and tube voltage applied. AGD was found to increase mainly with filter material’s kabsorption edge, filter’s Al thickness, anode material’s k-emission edge and tube voltage. Rh/Nb, W/Zr, W/Nb, W/Mo and Mo/Nb are combinations resulting in lower AGD and higher ESD, compared to the Mo/Mo one. / -

Ο στόχος της παρούσας εργασίας είναι η περαιτέρω κατανόηση και ποσοτική σύνδεση φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα σε πορώδη μέσα με τα αντίστοιχα φαινόμενα στην κλίμακα λίγων πόρων. Η επέκταση των αποτελεσμάτων από την κλίμακα πόρου στην κλίμακα του πορώδους μέσου δεν είναι προφανής και για το λόγο αυτό η τοπολογία και μορφολογία της πορώδους δομής αντιμετωπίζονται εδώ με δίκτυα πόρων, με έμφαση στα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στις διασταυρώσεις, αλλά και με ψηφιακές αναπαραστάσεις της δομής με βάση μικροφωτογραφίες δείγματος του υλικού. Συγκεκριμένα, στην εργασία αυτή εξετάζεται η διασπορά μορίων διαλυμένης ουσίας σε δίκτυα πόρων, παρουσιάζεται μία καινούργια τεχνική ανακατασκευής ανομοιογενών πορωδών υλικών και αναπτύσσεται μια μέθοδος προσομοίωσης της ροής αερίων δια μέσου ανακατασκευασμένων πορωδών υλικών στη μεταβατική περιοχή ροής όπου η μέση ελεύθερη διαδρομή των μορίων ενός αερίου είναι συγκρίσιμη με το μέγεθος των πόρων οπότε και παύει να ισχύει η συνήθης παραδοχή του συνεχούς. Η επίδραση της ανάμειξης μέσα σε πόρους ή στις διασταυρώσεις πόρων/ρωγμών στη διασπορά μορίων διαλυμένης ουσίας σε πορώδη μέσα ερευνήθηκε μέσα από την ανάπτυξη και χρήση διαφορετικών τεχνικών προσομοίωσης με έμφαση στις λεπτομέρειες της ροής και της μεταφοράς μάζας στην περιοχή της διασταύρωσης. Βρέθηκε ότι μία νέα μέθοδος τυχαίου περιπάτου αναπαράγει με καλή ακρίβεια το συντελεστή διασποράς σε χαμηλές και μεσαίες τιμές του Peclet, χάρη στο γεγονός ότι λαμβάνει υπ’ όψη την ανάντι της ροής κίνηση των σωματιδίων και τους διαφορετικούς χρόνους παραμονής μέσα σε κάθε κλάδο. Παράλληλα αναπτύχθηκε μία καινοτόμος μέθοδος ανακατασκευής πορωδών μέσων. Η τεχνική στηρίζεται στο διφασικό πρότυπο δικτύου Boltzmann, το οποίο περιγράφει την εξέλιξη συστημάτων υγρού-αερίου υπό την επίδραση της διεπιφανειακής τάσης. Ο μηχανισμός αυτός οδηγεί στη δημιουργία συσχετισμένων δομών, όπου τόσο η μορφολογία του πορώδους μέσου όσο και ο βαθμός συσχέτισής του καθορίζονται από τις λειτουργικές παραμέτρους του προτύπου. Η τεχνική εφαρμόστηκε επιτυχώς σε πραγματικό δείγμα εδάφους με αφετηρία την πληροφορία που δίνεται από μία μικροφωτογραφία μίας στατιστικά χαρακτηριστικής τομής του. Τέλος, μελετήθηκε η ροή αερίων σε πορώδη μέσα, σε πεπερασμένους αριθμούς Knudsen, όπου η μέση διάμετρος των πόρων είναι της ίδιας τάξης με τη μέση ελευθέρα διαδρομή των μορίων του αερίου. Η μελέτη έγινε με τη μεσοσκοπική μέθοδο DSMC. Ο έλεγχος της αξιοπιστίας της μεθόδου και της παρούσας υλοποίησής της έγινε μέσω της μελέτης της ισοθερμοκρασιακής ροής αερίου μεταξύ παραλλήλων πλακών. Παράλληλα υπολογίστηκε το δυναμικό ιξώδες αερίου σε συνθήκες υψηλής αραίωσης και παρουσιάστηκε η εξάρτησή του από τον αριθμό Knudsen. Βρέθηκε ότι τα αποτελέσματα προσεγγίζονται ικανοποιητικά από μία αναλυτική έκφραση τύπου Bosanquet που συσχετίζει το αποτελεσματικό ιξώδες με την τιμή του στο όριο του συνεχούς και με τον αριθμό Knudsen. Επιπρόσθετα μελετήθηκε για πρώτη φορά με τη μέθοδο DMSC η ροή αερίων σε υπολογιστικά ανακατασκευασμένες πορώδεις δομές. Επιβεβαιώθηκε το φαινόμενο του Klinkenberg και η γραμμική εξάρτηση του συντελεστή διαπερατότητας από την αντίστροφη πίεση. Τέλος χρησιμοποιήθηκε μια διαφορετική προσέγγιση στο πρόβλημα υπολογισμού της ροής στη μεταβατική περιοχή μέσω ανάπτυξης προτύπου δικτύου Boltzmann, κατάλληλα τροποποιημένου για ροές σε συνθήκες αραίωσης. Το πρότυπο δοκιμάστηκε τόσο στην περίπτωση ροής μεταξύ παραλλήλων πλακών όσο και σε ροή σε πορώδη μέσα όπου η συμφωνία με τη μέθοδο DSMC βρέθηκε πολύ ικανοποιητική. / The aim of the present study is the further understanding and quantification of transport phenomena in porous media and their connection with the phenomena in the scale of a few pores. The extension of the results from the pore-scale to the scale of the porous medium is not obvious and for this reason the representation of the porous medium is treated both with pore-networks and digital reconstruction. Specifically, in this study it is examined the dispersion of molecules of a solute in porous networks, a new reconstruction technique is presented for heterogeneous granular materials and also a methodology is developed for the study of gas flow in reconstructed porous media in the transient regime, where the mean free path of the gas molecules is comparable with the characteristic length of the pores and thus the continuum description is no longer valid. The effect of the mixing in the pores or the junctions of the pores on the dispersion of molecules of a solute in porous media is examined through various simulation techniques with emphasis on the details of the flow and mass transport in the area of the junction. It was found that a new random-walk technique is reproducing with good accuracy the dispersion coefficient for low and average values of the Peclet number, due to the fact that it takes into account the backwards, with respect to the main direction of the flow, movement of the molecules and the different residence time in each branch. Furthermore, a new reconstruction technique was developed for porous media. The technique is based on 2-phase lattice Boltzmann model, which describes the evolution of a gas-liquid system under the influence of the surface tension. This mechanism leads to the creation of correlated structures, where the morphology of the porous medium and the correlation factor are determined by the operating parameters of the model. The technique was applied successfully for the reconstruction of a real soil sample, starting from the information that is solely given from a microphotograph of a statistically adequate section of the material. Finally, the gas flow through porous media was examined at moderate Knudsen numbers, where the mean diameter of the pores is of the same order of magnitude with the mean free path of the gas molecules. The study was done mainly with the mesoscopic DSMC technique. The credibility of the technique was examined through the study of the isothermal gas flow through parallel plates. Additionally, the dynamic viscosity of a gas under rarefaction conditions was calculated and its dependence on the Knudsen number was shown. It was found that the results are approximated satisfactorily with an analytical Bosanquet-type equation that relates the effective viscosity with its value at the continuum limit and with the Knudsen number. Furthermore, it was studied for the first time with the DSMC method the gas flow through reconstructed porous media. The Klinkenberg effect was confirmed and the linear dependence of the permeability coefficient on the inverse pressure was shown. Finally an alternative approach was used for the calculation of gas flow though porous media in the transient regime through the development of a lattice Boltzmann model suitably modified for rarefied gas flows. The model was tested for the case of flow through parallel plates as well as for the case of flow through porous media and the agreement with the DSMC method was very satisfactory.

Dendrimers are a class of monodisperse polymeric macromolecules with a well defined and highly branched three-dimensional architecture. Their well-defined structure and structural precision makes them outstanding candidates for the development of new types of multifunctional super-molecules and materials with applications in medicine and pharmacy, catalysis, electronics, optoelectronics, etc. Liquid Crystalline Dendrimers (LCDrs) are a relatively new class of super-molecules which are based on the functionalization of common dendrimers with mesogenic (liquid crystalline) units. The combination of the fascinating molecular properties of the common dendrimers with the directionality of the mesogenic units have produced a novel class of liquid crystal forming super-mesogens (LCDRs) with unique molecular properties that allow novel ways of supramolecular self-assembly and self-organisation. This work is mainly concerned with the computational modelling of LCRs. A coarse grain strategy is adopted for the development of computational tractable models which take explicitly into account the specific architecture, the extended flexibility and the shape anisotropy of the mesogenic units of LCDRs. The developed force field applies easily to a variety of dendritic architectures. Utilizing Monte Carlo computer simulations we study the structural and conformational behavior of single LCDrs and of systems of LCDrs either in confined geometries or in the bulk. Special emphasis is given on the modeling of the response of LCDRS on externally applied alignment fields. External fields might be fictitious aligning potentials which mimic electric or magnetic fields or fields induced by the confining substrates. The surface alignment of liquid crystalline dendrimers (LCDrs) is a key factor for many of their potential applications. We present results from Monte Carlo simulations of LCDrs adsorbed on flat, impenetrable aligning substrates. A tractable coarse-grained force field for the inter-dendritic and the dendrimer-substrate interactions is introduced. The developed force field is based on modifications of well-known interaction potentials that can be used either with MC or with molecular dynamics simulations. We investigate the conformational and ordering properties of single, end-functionalized LCDrs under homeotropic, random (or degenerate) planar and nidirectional planar aligning substrates. Depending on the anchoring constrains to the mesogenic units of the LCDr and on temperature, a variety of stable ordered LCDr states, differing in their topology, are observed and analyzed. The influence of the dendritic generation and core functionality on the surface-induced ordering of the LCDrs are examined. The study has been extended to system of LCDrs confined in nano-pores of different shapes and sizes under several anchoring conditions. Two basic confining geometries (pores) considered in this work: slit and cylindrical pores. In each confining geometry, different anchoring conditions are imposed. The Isobaric-Isothermal (NPT) Monte Carlo Simulation is used to investigate the thermodynamic and structural properties of these nano-confined systems. The ransmission of orientational and positional ordering from the surface to the middle region of the pore depends on the size of the pore as well as on temperature and on anchoring strength. In the case of cylindrical pore, alignment propagation is short ranged compared to that of slit-pore. As a benchmark of our coarse-grained modelling strategy, we have extended and tested our coarse grained Force Field for the study of Janus-like dendrimers confined on planar substrates. The obtained results indicate the capability of our model to capture successfully the highly amphipilic nature of these class dendrimers and their self-organisation properties. / Τα δενδριμερή είναι μία κατηγορία μονοδιάσπαρτων πολυμερικών μακρομορίων με δενδρόμορφη τρισδιάστατη αρχιτεκτονική. Η μοριακή αρχιτεκτονική τους και η μονοδιασπορά τους καθιστούν τα δενδριμερή ιδανικά ως πολυλειτουργικά υπερ-μόρια με εφαρμογές στην ιατρική και τη φαρμακολογία, την κατάλυση, την ηλεκτρονική και οπτοηλεκτρονική κλπ. Τα Υγρό-Κρυσταλλικά Δενδριμερή (ΥΚΔ) είναι μια σχετικά νέα κατηγορία υπερ-μορίων που βασίζονται στη χημική τροποποίηση των κοινών δενδριμερών με μεσογόνες (υγρόκρυσταλλικές) μοριακές μονάδες. Ο συνδυασμός των ιδιαίτερων μοριακών ιδιοτήτων των κοινών δενδριμερών με την κατευθυντικότητα των μεσογόνων έχουν οδηγήσει σε μια νέα κατηγορία υπερ-μεσογόνων (ΥΚΔ) με μοναδικές μοριακές ιδιότητες που επιτρέπουν νέους τρόπους (υπερ)μοριακής αυτο-συναρμολόγησης και αυτο-οργάνωσης. Η εργασία αυτή ασχολείται με τη μοντελοποίηση και την υπολογιστική προσομοίωση ΥΚΔ. Εισάγονται οι αρχές για μια αδροποιημένη μοντελοποίηση ΥΚΔ που να λαμβάνει ρητά υπόψη την ειδική αρχιτεκτονική, την εκτεταμένη μοριακή ευκαμψία και την ανισοτροπία σχήματος των μεσογόνων του ΥΚΔ. Τα δυναμικά αλληλεπιδράσεων που εισάγονται επιτρέπουν τη μοντελοποίηση ποικίλων δενδριτικών αρχιτεκτονικών. Με την χρήση υπολογιστικών προσομοιώσεων Monte Carlo μελετώνται οι μοριακές ιδιότητες απλών ΥΚΔ διαφόρων γενεών και αρχιτεκτονικών καθώς και η θερμοδυναμική συμπεριφορά και οι μετατροπές φάσεων συστημάτων ΥΚΔ. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην μοντελοποίηση της απόκρισης των LCDRS σε εξωτερικά πεδία που μπορούν να προκαλέσουν ευθυγράμμισης των μεσογόνων ομάδων του ΥΚΔ. Τα εξωτερικά εφαρμοζόμενα πεδία μπορεί να είναι δυναμικά ευθυγράμμισης που μιμούνται τα ηλεκτρικά ή μαγνητικά πεδία ή πεδία που επάγονται από τους γεωμετρικούς περιορισμούς (συνοριακές συνθήκες) που επιβάλλονται στο υλικό όταν βρίσκεται κοντά σε επιφάνειες ή περιορισμένο εντός πόρων. Η δυνατότητα επίτευξης κοινού μοριακού προσανατολισμού στις μεσοφάσεις από ΥΚΔ αποτελεί βασικό παράγοντα για πολλές από τις πιθανές εφαρμογές τους. Παρουσιάζονται αποτελέσματα προσομοιώσεων Monte Carlo Μόντε ΥΚΔ σε επαφή με επίπεδο, αδιαπέραστο υπόστρωμα που έχει τη δυνατότητα προσρόφησης (αγκύρωσης) των μεσογόνων μονάδων του ΥΚΔ υπό επιθυμητό προσανατολισμό. Τα αποτελέσματα βασίζονται σε κατάλληλα αδροποιημένο πεδίο δυνάμεων για την περιγραφή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των δενδριμερών καθώς και του δενδριμερούς με το υπόστρωμα. Ανάλογα με τον τύπο μοριακής αγκύρωσης στην επιφάνεια και τη θερμοκρασία, μια ποικιλία από διαφορετικούς τρόπους οργάνωσης του ΥΚΔ στην επιφάνεια παρατηρούνται και αναλύονται. Η μελέτη έχει επεκταθεί επίσης σε συστήματα ΥΚΔ περιορισμένα σε νανο-πόρους διαφόρων σχήματα και μεγεθών κάτω από διάφορες συνθήκες μοριακής αγκύρωσης. Οι δύο βασικές γεωμετρίες περιορισμού (πόροι) που μελετούνται αναφέρονται σε παραλληλεπίπεδους και κυλινδρικούς πόρους. Σε κάθε γεωμετρία επιβάλλονται διαφορετικές συνθήκες αγκύρωσης. Οι προσομοιώσεις Monte Carlo έγιναν στην ισοβαρή συλλογή (ΝΡΤ) και διερευνήθηκε η θερμοδυναμική συμπεριφορά καθώς και η μοριακή οργάνωση των συστημάτων υπό νανο-εγκλεισμό. Τα συστήματα αυτά παρουσιάζουν πλούσια θερμοδυναμική συμπεριφορά. Η μοριακή οργάνωση καθώς και η μετάδοση του προσανατολισμού και της τάξης θέσεων από την επιφάνεια προς την μεσαία περιοχή των πόρων εξαρτάται το σχήμα και τι μέγεθος του πόρου, από τη θερμοκρασία καθώς και από τις συνθήκες μοριακής αγκύρωσης στις επιφάνειες του πόρου. Για έλεγχο της αποτελεσματικότητας της στρατηγικής αδροποιημένης μοντελοποίησης που αναπτύχθηκε μελετήθηκαν επίσης αμφίφυλα δενδριμερή τύπου Janus περιορισμένα σε επίπεδη επιφάνεια. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων έδειξαν την ικανότητα του μοντέλου μας να αποτυπώσει με επιτυχία το την αμφίφυλη φύση αυτών των δενδρομερών και να περιγράψει με επιτυχία διαφορετικούς τύπους αυτοργάνωσης που σχετίζονται με την αμφιφυλικότητα αυτών των μορίων και τον συνεπαγόμενο νανο-φασικό διαχωρισμό τους.