Στην εργασία που ακολουθεί μελετήθηκε η χρήση μεθόδων της υπολογιστικής νοημοσύνης στην πρόβλεψη της κίνησης της ισοτιμίας νομισμάτων. Για να γίνει αυτό αναπτύχθηκε ένας υβριδικός αλγόριθμος που χρησιμοποιεί νευρωνικά δύκτια και γενετικούς αλγόριθμους. Στο Πρώτο Κεφάλαιο παρουσιάζεται η ϑεωρία των νευρωνικών δικτύων, οι αρχιτεκτονικές και οι μέθοδοι εκπαίδευσής τους. Επιπλέον παρουσιάζονται οι γενετικοί αλγόριθμοι και ο γενικός τρόπος λειτουργίας τους. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο εξετάζεται το πρόβλημα της πρόγνωσης, από την σκοπιά των νευρωνικών δικτύων, καθώς και η προβλεψιμότητα των οικονομικών χρονοσειρών. Επιπλέον παρουσιάζονται υβριδικά συστήματα που χρησιμοποιούνται για την πρόβλεψη χρονοσειρών και επεξηγείται ο τρόπος λειτουργίας του αλγορίθμου που αναπτύχθηκε εδώ. Επιπλέον παρατίθενται τα αποτελέσματα της χρήσης του λογισμικού που αναπτύχθηκε, στην πρόγνωση της μεταβολής της ισοτιμίας νομισμάτων. Στο Παράρτημα παρέχεται ο πλήρης κώδικας που αναπτύχθηκε σε MATLAB. / --

Το πρόβλημα της εκτίμησης θέσης και του προσανατολισμού της κάμερας από τις γνωστές 3D συντεταγμένες n σημείων της σκηνής και των 2D προβολών τους στο επίπεδο της εικόνας, είναι γνωστό στην βιβλιογραφία ως "Perspective n Point(PnP)" πρόβλημα. Το πρόβλημα αυτό συναντάται σε πολλά σημαντικά επιστημονικά πεδία όπως αυτά της υπολογιστικής όρασης, της ρομποτικής, της αυτοματοποιημένης χαρτογραφίας, της επαυξημένης πραγματικότητας κ.α, και μπορεί να θεωρηθεί ως μια ειδική περίπτωση του προβλήματος βαθμονόμησης της κάμερας. Η ανάγκη για την ανάπτυξη ρωμαλέων και χαμηλής πολυπλοκότητας μεθόδων για την επίλυση του "PnP" προβλήματος σε πραγματικό χρόνο έχει αναδειχθεί από πολλούς ερευνητές τα τελευταία χρόνια. Στο πλαίσιο της προτεινόμενης διπλωματικής μελετήθηκαν σε βάθος οι πιο σημαντικές μέθοδοι που έχουν προταθεί στην διεθνή βιβλιογραφία μέχρι σήμερα. / The perspective camera pose estimation problem, given known 3D coordinates in the world coordinate system and their correspondent 2D image projections, is known as "Perspective n Point(PnP)" problem. It has many applications in Photogrammetry, Computer Vision, Robotics, Augmented Reality and can be considered as a special case of camera calibration problem. The need for development of robust and simultaneously low computational complexity real time solutions for the PnP problem is very strong as it has attracted much attention in the literature during the last few years. In this master thesis, most significant as well as state of the art techniques which provide solutions to camera pose estimation problem have been thoroughly studied.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η αξιολόγηση ενός αυτόματου συστήματος ποσοτικοποίησης της έκτασης της διάμεσης νόσου με απεικονιστικά κριτήρια, όπως την σύγκριση με την ημιποσοτική αξιολόγηση των ακτινολόγων και με την συνεχή αξιολόγηση από ακτινολόγους βασιζόμενη στον χειρωνακτικό σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών. Τα αποτελέσματα του αυτοματοποιημένου συστήματος συγκρίθηκαν και με την υποβοηθηση από το σύστημα. Για την οπτικοποίηση της διασύγκρισης των συστημάτων μεταξύ τους χρησιμοποιήθηκαν οι καμπύλες συμφωνίας. Τέλος, μελετήθηκε η συσχέτιση του συστήματος και των ημιποσοτικών εκτιμήσεων των ακτινολόγων με εργαστηριακούς απεικονιστικούς δείκτες, τις πνευμονικές δοκιμασίες. Υλικά και Μέθοδοι Για την εκπόνηση της διατριβής χρησιμοποιήθηκε μια δεξαμενή 47 περιστατικών με νόσο του κολλαγόνου και 4 φυσιολογικών ασθενών. Από αυτήν 14 περιστατικά χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη και εκπαίδευση του συστήματος και 37 περιστατικά επελέγησαν για την αξιολόγηση του συστήματος, με απεικονιστικά πρότυπα θαμβής υάλου (ggo) και δικτυωτού προτύπου (reticular). Το πρωτόκολλο σάρωσης ήταν χαμηλής δόσης απεικόνιση με MDCT 16 ανιχνευτών, που επέτρεπε την λήψη τρισδιάστατων δεδομένων. Αρχικά αναπτύχθηκε το αυτόματο σύστημα σε γλώσσα προγραμματισμού MATLAB (ΜΑΤLAB 7.5 R 2007b) και εκπαιδεύτηκε από τους ακτινολόγους ως προς τα διάφορα στάδια ολοκλήρωσης: (1) Προεπεξεργασία (preprocessing): Τμηματοποίηση πνευμονικών πεδίων και αφαίρεση αγγειακού δέντρου, (2) Ταξινόμηση-Αναγνώριση και χαρακτηρισμός προτύπων διάμεσου ιστού. Το σύστημα αξιολογήθηκε σε δείγμα διαφορετικό από της εκπαίδευσης από την πρώτη δεξαμενή περιστατικών με δείκτες απόδοσης Volume Overlap, ΤPF, FPF. Κατόπιν, το τρισδιάστατο (3D) σύστημα αξιολογήθηκε στο κλινικό δείγμα 37 ασθενών με τις 3D ημιποσοτικές αξιολογήσεις δύο ακτινολόγων (Α΄ Κύκλος Πειραματικού σχεδιασμού). Στην αξιολόγηση αυτή συσχετίστηκαν τα τρισδιάστατα αποτελέσματα ποσοτικοποίησης του CAD ως προς την συνολική έκταση νόσου, την έκταση του ground glass και του reticular προτύπου με τις εκτιμήσεις από δύο ξεχωριστούς έμπειρους ακτινολόγους και του μέσου όρου αυτών ημιποσοτικά στους όγκους των σαρώσεων (περίπου 250 τομές ανά σάρωση ασθενούς) με στατιστική μέθοδο Spearman rank order. Επίσης μελετήθηκαν οι διαφορές μεταξύ των εκτιμήσεων, αναλύθηκαν με Blant –Altman διαγράμματα και boxplots (R1vs. CAD, R2vs.CAD, Rmvs.CAD, R1 vs.R2, R1 vs.R1s). Μετρήθηκε επίσης η συμφωνία ενδο κα μεταξύ των ακτινολόγων. Για τον B΄ κύκλο πειραματικού σχεδιασμού αξιολογήθηκε το 2D σύστημα σε 185 εγκάρσιες τομές (37 σαρώσεις ασθενών) για το ποσοστό της συνολικής έκτασης και της έκτασης του ground glass και του reticular προτύπου. Σαν βάση αναφοράς χρησιμοποιήθηκε η consensus αξιολόγηση δύο έμπειρων ακτινολόγων με σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών σε μια τράπεζα σχεδιασμού (Wacom Intuos 3 Tokyo, Japan) με τη βοήθεια μιας γραφικής επιφάνειας διεπαφής (GUI). Επίσης αναλύθηκαν οι ίδιες τομές και αξιολογήθηκαν ημιποσοτικά in consensus από τους ακτινολόγους. Τέλος αξιολογήθηκε στο ίδιο δείγμα το υποβοηθούμενο CAD ως προς την βάση αναφοράς. Συσχετίστηκαν οι 2D εκτιμήσεις του συστήματος και των ακτινολόγων in consensus (1) ημιποσοτικά (CADvsSQRcons) και (2) ποσοτικά με σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών pixel-wise (CADvsRref). Οι συσχετίσεις πραγματοποιήθηκαν με Intraclass Correlation Coefficient (ICC) και τα αντίστοιχα 95% Confidence Intervals (CI). Μετρήθηκε επίσης η συμφωνία ενδο κα μεταξύ των ακτινολόγων. Οι διαφορές στην έκταση της νόσου για τις διαφορετικές αξιολογήσεις (CAD - Rref, CAD+Rcons-Rref και SQRcons - Rref) απεικονίστηκαν με Bland-Altman ανάλυση για την συνολική έκταση της νόσου και για τα επιμέρους πρότυπα: το ggo και το reticular. Επίσης υπολογίστηκε η μέση διαφορά (mean difference MD) και το 95% των διαφορών (μέση τιμή±1.96SD), που ονομάζεται όρια συμφωνίας (limits of agreement (LoA95). Για να οπτικοποιηθούν τα αποτελέσματα των αξιολογήσεων της έκτασης νόσου και να διευκολυνθεί η διασύγκριση μεταξύ τους , δημιουργήθηκε μια απεικόνιση με καμπύλες συμφωνίας για κάθε σύστημα αξιολόγησης σε συνάρτηση με την βάση αναφοράς Τέλος συσχετίστηκαν οι τρισδιάστατοι όγκοι των 37 ασθενών σε ότι αφορά (1) την συνολική έκταση της νόσου (2) την έκταση του ggo και (3) την έκταση του reticular όπως εκτιμώνται από το 3DCAD και με την ημιποσοτική αξιολόγηση των ακτινολόγων 3DSQRconsRcons με τις φυσιολογικές παραμέτρους σπειρομέτρησης. ατόπιν συσχετίστηκαν τα 2D δεδομένα στις 185 εγκάρσιες τομές (μέσες τιμές των 5 τομών ανά σάρωση από τους 37 ασθενείς ) για το 2D CAD και την αντίστοιχη ημιποσοτική αξιολόγηση σε 2D SQ . Συγκρίθηκαν οι συσχετίσεις 2DCADvs2DCAD και 3DSQvs2DSQ. με δείκτες συσχέτισης Pearson correlation coefficient (R). Αποτελέσματα Η στατιστική ανάλυση της απόδοσης του συστήματος για την τμηματοποίηση των πνευμονικών πεδίων εκτιμάται ως εξής: (1) Volume overlap: 0.954±0.023, (2)d mean: 1.080±0.364 (3) drms: 1.407±0.735 (4) d max : 4.944±3.492. Η στατιστική ανάλυση της απόδοσης του συστήματος για την τμηματοποίηση του αγγειακού δέντρου και στα δύο πνευμονικά πεδία εκτιμάται ως εξής: (1) Volume overlap: 0.931±0.027, (2 ) ΤPF:0.935±0.036 (3) FPF:0.074±0.03. Η απόδοση του συστήματος στην αναγνώριση και χαρακτηρισμό των παθολογικών προτύπων της διάμεσης νόσου στα περιστατικά που χρησιμοποιήθηκαν για την εκπαίδευση είναι: Για το πρότυπο ground glass: (1) Volume overlap : 0.794±0.038, (2) ΤPF:0.812±0.045, (3) FPF: 0.163±0.017. Για το reticular πρότυπο οι δείκτες απόδοσης είναι: 1) Volume overlap: 0.883±0.037, (2) ΤPF:0.972±0.013 (3) FPF :0.0971±0.012. Οι ανάλογοι δείκτες για την συμφωνία των ακτινολόγων ενδο και μεταξύ- έχουν ως εξής: Για την συμφωνία των ακτινολόγων (ενδο-): Για το πρότυπο ground glass: (1) Volume overlap: 0.47±0.20, (2) ΤPF :0.972±0.01, (3) FPF : 0.0971±0.012. Για το reticular πρότυπο οι δείκτες απόδοσης είναι: (1) Volume overlap : 0.53±0.19, (2)ΤPF: 0.715±0.20, (3)FPF: 1.72±1.05. Για την συνολική έκταση της νόσου, οι αντίστοιχες τιμές είναι: (1) Volume overlap: 0.54 ± 0.18, (2) ΤPF : 0.74 ± 0.18,(3) FPF :1.19±1.85. Για την συμφωνία των ακτινολόγων (μεταξύ-): Για το πρότυπο ground glass: (1) Volume overlap: 0.33±0.22, (2) ΤPF: 0.58±0.27, (3)FPF: 2.48±2,74. Για το reticular πρότυπο οι δείκτες απόδοσης είναι: (1)Volume overlap: 0.51±0.11, (2)ΤPF: 0.72±0.19, (3) FPF:1.36±1.33. Για την συνολική έκταση της νόσου, οι αντίστοιχες τιμές είναι: (1)Volume overlap: 0.51±0.21, (2)ΤPF: 0.69±0.22, (3) FPF: 1.21±0.89. Για τον Α΄ κύκλο πειραματικού σχεδιασμού σε 3D, τα αποτελέσματα δείχνουν στατιστικά σημαντική συσχέτιση της ποσοτικοποίησης του CAD και των ημιποσοτικών εκτιμήσεων των ακτινολόγων (ως βάση αναφοράς), σε ότι αφορά στην συνολική έκταση της νόσου και την έκταση του reticular προτύπου (R=0.949, p=<0.0001, R= 0.915, p=<0.0001, αντίστοιχα), ενώ μέτρια ήταν η συσχέτιση για το ggo πρότυπο (0.806, p=0.0009). Οι ανάλογοι δείκτες για την συμφωνία των ακτινολόγων ενδο και μεταξύ- έχουν ως εξής: Για την συμφωνία των ακτινολόγων (ενδο-): Συνολική έκταση της νόσου: R=0.903, p=<0.0001, έκταση του reticular προτύπου: R= 0.966, p=<0.0001 και έκταση του ggo προτύπου: 0.766, p=<0.0001. Για την συμφωνία των ακτινολόγων (μεταξύ-): Συνολική έκταση της νόσου: 0.838, p=0.0018, έκταση του reticular προτύπου: R= 0.895, p=0.0006 και έκταση του ggo προτύπου: R= 0. 655, p=0.0017. Από την μελέτη των διαφορών όπως απεικονίζονται από τις αναλύσεις Blant Altman και boxplots, οι διαφορές στην έκταση της νόσου μεταξύ ακτινολόγων και CAD (R1 vs.CAD, R2vsCAD, RmvsCAD) και ακτινολόγων μεταξύ τους (R1 vs. R2, R1 vs. R1s) δεν ήταν στατιστικά σημαντικές (two-tailed Wilcoxon signed-rank test, p>0.05). Το εύρος της συσχέτισης κυμαίνεται εντός της μεταβλητής ένδο- και μεταξύ- παρατηρητών, καταδεικνύοντας ένα αξιόπιστο αυτόματο σύστημα ποσοτικοποίησης της διάμεσης νόσου με παρόμοια απόδοση με τους ακτινολόγους. Ωστόσο, η συμπεριφορά των διαφορών CAD vs. R1, CAD vs. R2, CAD vs Rm σε σύγκριση τις διαφορές R1 vs. R2 και R1 vs. R1’ μελετώντας τις median and IQR τιμές δεν είναι όμοια, καταδεικνύοντας ένα αυτόματο σύστημα συμπεριφέρεται με διαφορετικό τρόπο συγκριτικά με την ημιποσοτική εκτίμηση. Οι μέγιστες median and IQR τιμές (3.6% και 32.6%, αντιστοίχως), εμφανίζονται μεταξύ CAD and R2, και αποδίδονται πρωτίστως στην διαφορετική εμπειρία των ακτινολόγων. Τέλος, από τα διαγράμματα Blant Altman παρατηρείται ότι σε όλα τα ζεύγη διαφορών CADvs. R1, CADvsR2, CADvsRm, R1vsR2, R1 vsR1’ οι μεγαλύτερες διαφορές προκύπτουν καθώς αυξάνεται η έκταση της νόσου, ιδίως για έκταση νόσου >20%. Από τα δύο πρότυπα, το reticular πρότυπο παρουσιάζει την μεγαλύτερη μεταβλητότητα της μέσης τιμής. Λαμβάνοντας υπόψιν την διαφρορετική συμπεριφορα στην ποσοτικοποίηση της έκτασης της νόσου μεταξύ του συστήματος CAD και της ημιποσοτικής μεθόδου, αναζητήθηκε μια ακριβέστερη βάση αναφοράς , που στηρίχτηκε στον χειρωνακτικό σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών οδηγώντας στον Β’ κύκλο του πειραματικού σχεδιασμού. Για τον B΄ κύκλο πειραματικού σχεδιασμού της διατριβής, το σύστημα παρουσιάζει τόσο με τις ημιποσοτικές όσο και με τις ποσοτικές μετρήσεις, με καλύτερη την συσχέτιση με τις ποσοτικές μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκε στην φάση αυτή της διατριβής σαν βάση αναφοράς (ICC =0.809 [0.599-0.894] , 0.851 [0.795-0.891]). Για τα επιμέρους πρότυπα η ποσοτικοποίηση του ground glass από το σύστημα συσχετίζεται λιγότερο με τις εκτιμήσεις των ακτινολόγων ( και με τις δύο μεθόδους, ημιποσοτικά και ποσοτικά) από το reticular. Σε κάθε περίπτωση η ποσοτική αξιολόγηση των ακτινολόγων που θεωρητικά αποτελεί καλύτερη βάση αναφοράς συσχετίζεται σταθερά καλύτερα με το CAD για όλα τα πρότυπα. Η συμφωνία μεταξύ ακτινολόγων είναι παρόμοια και για τις δύο μεθόδους (ICC =0.856 [0.811-0.891], 0.856 [0.806-0.893]). Η ίδια τάση παρατηρείται και για τα δυο πρότυπα (reticular και ground glass). Από την μελέτη των διαφορών όπως απεικονίζονται από τις αναλύσεις Blant Altman, το σύστημα παρουσιάζει ένα μικρό βαθμό υπερεκτίμησης της έκτασης νόσου συγκριτικά με την βάση αναφοράς: Συνολική έκταση νόσου (MD: 2.5%; LoA95: -14.3%, 19.3%), έκταση ground glass: (MD: 1.3%; LoA95: -10.9%, 13.5%) έκταση reticular: (MD: 1.2%; LoA95: -12.7%, 15.1%) και σημαντική συμφωνία με την νέα βάση αναφοράς: 86.5%, 75.1% και 81.6% αντίστοιχα. Οι ημιποσοτικές μετρήσεις παρουσιάζει μεγαλύτερη υπερεκτίμηση με τη βάση αναφοράς: Συνολική έκταση νόσου MD: 9.2%; LoA95: -12.8%, 31.2%, έκταση ground glass: MD: 4.6%; LoA95: -9.8%, 19.0% και έκταση reticular: MD: 4.6%; LoA95: -10.0%, 19.3% και σαφώς μικρότερη συμφωνία με την βάση αναφοράς (69.2%, 70.8%, 70.3%, αντίστοιχα). Τέλος η συμφωνία με την βάση αναφοράς βελτιώνεται ελάχιστα με την χρήση υποβοηθούμενου CAD σε σύγκριση με το CAD σύστημα μόνο του, ιδίως για το ground glass πρότυπο (88.1%, 78.4% and 81.6%, αντίστοιχα). Προτείνεται επίσης στην παρούσα διατριβή η χρήση των καμπυλών συμφωνίας, όπου οπτικοποιείται η διασύγκριση μεταξύ τους, αποδεικνύοντας το υποβοηθούμενο CAD ως το βέλτιστο σύστημα, ακολουθούμενο με μικρή διαφορά από το CAD , ενώ η ημιποσοτικές μετρήσεις διαφέρουν σημαντικά από τα άλλα δύο και από την χειρωνακτική βάση αναφοράς. Oι καμπύλες τονίζουν επίσης την διάσταση των δυο διαφορετικών μεθόδων αξιολόγησης από τους ακτινολόγους ημιποσοτικής-χειρωνακτικού σχεδιασμού, επιβεβαιώνοντας τα αποτελέσματα της πρώτης φάσης της διατριβής. Η εφαρμογή διαφορετικών διαστημάτων διαφορών ±5% ή ±25 % σε συνάφεια με το βήμα ±5% της ημιποσοτικής κλίμακας κατά Desai ή 25% της κλίμακας Likert στην εκτίμηση της έκτασης της νόσου, δείχνουν τα εξής: ‘Οσο πιο λεπτομερές(±5%) είναι το βήμα της ποσοτικοποίησης τόσο μεγαλύτερα τα σφάλματα ποσοτικοποίησης και ιδίως με την ημιποσοτική μέθοδο. Αντίθετα, ενώ για αδρό βήμα 25% οι διαφορετικές μέθοδοι ποσοτικοποίησης συμφωνούν μεταξύ τους και οι μεταξύ τους διαφορές δεν είναι αντιληπτές. Τέλος, το 3D σύστημα συσχετίζεται αρνητικά με όλους τους πνευμονικούς δείκτες για την συνολική έκταση νόσου με με καλύτερη την συσχέτιση με τους δείκτες FEV1. και DLCO ( R=-0.545 p=<0.0001, R=-0.567 p=<0.0001, αντίστοιχα). Για το reticular η συσχέτιση ήταν μέτρια για όλους τους δείκτες με καλύτερη την συσχέτιση FEV1, TLC και DLCO (R=-0.602p=<0.0001, R=-0.615 p=<0.0001 αντίστοιχα), ενώ για το ggo το σύστημα παρουσιάζει μη στατιστικά σημαντική συσχέτιση για όλους τους δείκτες. Tο 2D σύστημα παρουσιάζει μέτρια αρνητική συσχέτιση με τις πνευμονικές δοκιμασίες για την συνολική έκταση νόσου και το reticular πρότυπο, με καλύτερη την μέτρια αρνητική συσχέτιση με τον DLCΟ (R=-0.485, p= 0.002, R=-0.601 p=<0.001 αντίστοιχα). Για το ggo πρότυπο, το 2D σύστημα παρουσιάζει επίσης μη στατιστικά σημαντική συσχέτιση για όλους τους δείκτες, όπως και το 3D σύστημα. Οι ημιποσοτικές μετρήσεις των ακτινολόγων για την συνολική έκταση νόσου 3DSQRconsRcons και 2DSQ παρουσιάζουν στατιστικά σημαντική συσχέτιση, ωστόσο ασθενή μόνο με τον δείκτη DLCO (R=-0.382, p= 0.020, R=-0.398,p=<0.02 αντίστοιχα). Για την 3DSQRcons εκτίμηση στο reticular πρότυπο παρατηρείται στατιστικά σημαντική ασθενής συσχέτιση για όλους τους δείκτες εκτός από τον TLC (FVC: R=-0.331, p= 0.045, FEV1: R=-0.393, p=0.016, DLCO : R=-0.392, p= 0.016). Για την 2DSQ εκτίμηση στο reticular πρότυπο παρατηρείται στατιστικά σημαντική ασθενής έως μέτρια συσχέτιση για όλους τους δείκτες (FVC: R=-0.360, p= 0.029, FEV1: R=-0.411, p=0.012, TLC : R=-0.326, p= 0.049, DLCO : R=-0.485, p= 0.002). Για το ground glass η συσχέτιση είναι μη στατιστικά σημαντική για όλους τους πνευμονικούς δείκτες τόσο για την 3DSQRcons όσο και για την 2DSQ εκτίμηση. Συμπεράσματα Αξιολογήθηκε ένα σύστημα ποσοτικοποίησης της διάμεσης νόσου από CT θώρακος, που βασίζεται σε μεθόδους ανάλυσης υφής, το οποίο ποσοτικοποιεί τα βασικά απεικονιστικά πρότυπα της νόσου, το ggo και το reticular πρότυπο. Αρχικά αξιολογήθηκε σε κάθε βήμα από δύο έμπειρους ακτινολόγους με ικανοποιητική απόδοση. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε ο 3D αλγόριθμος ποσοτικοποίησης σε διαφορετικό κλινικό δείγμα 37 ασθενών, προκειμένου να γίνει και κλινική αξιολόγηση της απόδοσης του με βάση ημιποσοτικές κλίμακες ποσοτικοποίησης, που χρησιμοποιούνται στην βιβλιογραφία, με πολύ καλή συσχέτιση. Με αναλυτικότερη μελέτη προέκυψε μια μεγαλύτερη απόκλιση των τιμών CAD και ημιποσοτικών αξιολογήσεων από τις ημιποσοτικές αξιολογήσεις μεταξύ τους. Το γεγονός αυτό οδήγηση στην περαιτέρω αξιολόγηση του CAD συστήματος με μια χειρωνακτική βάση αναφοράς σε 2D επίπεδο και σύγκριση με τις ημιποσοτικές μετρήσεις. Το σύστημα παρουσίαζε σημαντική συσχέτιση με την βάση αναφοράς και με τις ημιποσοτικές μετρήσεις. Ωστόσο επιβεβαιώθηκε ότι οι ημιποσοτικές μετρήσεις υπολείπονται συγκριτικά με την χειρωνακτική βάση αναφοράς από τους ακτινολόγους στην αξιολόγηση του CAD, όπως είναι φανερό και από τις καμπύλες διασύγκρισης των συστημάτων. Από τη διατριβή αυτή προκύπτει επίσης ένας αριθμός δευτερογενών συμπερασμάτων: Πρώτον, η ποσοτικοποίηση της διάμεσης νόσου παρουσιάζει αυξημένη μεταβλητότητα για όλα τα συστήματα αξιολόγησης , όσο αυξάνεται η έκταση της νόσου. Δεύτερον, από τα δύο πρότυπα, η ποσοτικοποίηση του ggo προτύπου παρουσίαζε τις μεγαλύτερες δυσκολίες. Τρίτον, η αξιολόγηση με υποβοηθηση CAD βελτιώνει ελάχιστα το αποτέλεσμα του συστήματος, και κυρίως διορθώνει το ggo πρότυπο. Τέταρτον, το σύστημα συσχετίζεται με τις πνευμονικές δοκιμασίες, περισσότερο από τις ημιποσοτικές εκτιμήσεις των ακτινολόγων. Ιδίως το reticular πρότυπο μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μόνο του ως δείκτης πνευμονικής δυσλειτουργίας. Συνοψίζοντας, το σύστημα CAD που αναπτύχθηκε είναι ένα αξιόπιστο εργαλείο ποσοτικοποίησης, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βιολογικός δείκτης σταδιοποίησης της διάμεσης νόσου. / The aim of this thesis was the evaluation of an automated system in 3D quantification of interstitial lung disease extent in CT compared to semiquantitative scoring method and with continuous extent assessments by radiologists based on manual segmentations of abnormal areas. The CAD system output was also compared to extent assessments by radiologists assisted by CAD. To facilitate intercomparison among different evaluation assessments curve representations of extent assessments is proposed. Finally the system output semiquantitative assessment by radiologists were correlated with laboratory markers of ILD, meaning pulmonary function tests (PFTs) indexes. Materials and Methods A dataset of 47 patients with interstitial lung disease secondary to collagen vascular disease were recruited for this thesis as well as 4 normal patients. Out of the dataset, 14 cases were used to train the system and 37 cases were selected to evaluate the system. The above cases presented with ground glass and reticular patterns. A low-dose MDCT scanner (16 detectors) protocol was utilized to obtain volumetric system output. Initially, the automated quantification system was developed using MATLAB (ΜΑΤLAB 7.5 R 2007b) and was trained by radiologists in different development stages: (1) Preprocessing: Segmentation of lung fields and vessel tree segmentation, (2) Identification and Classification of interstitial lung disease. The evaluation performance of the system was evaluated in terms of volume overlap, ΤPF, FPF. Following, the system was evaluated in a case sample of 37 patient scans with semiquantitative scoring by two experienced radiologists (A’ cycle of experimental design). In this evaluation, correlation between 3D system output and 3D semiquantitative evaluations of volumetric scans (approximately 200 slices per patient scan) was performed by two expert radiologists and average of the two evaluations, regarding total disease, ground glass and reticular pattern extent, using Spearman rank order. The differences in extent assessment (R1vsCAD, R2vsCAD, RmvsCAD, R1vsR2, R1vsR1s) were also analyzed using Blant–Altman plots and box plots. Statistic evaluation was performed using two-tailed Wilcoxon signed-rank test for paired data. Intra and interobserver agreement was also measured. At the B’ cycle of experimental design the 2D system output was evaluated, out of 185 axial slices (37 patient scans) regarding total disease, ground glass and reticular pattern extent, As reference standard in consensus evaluation by two expert radiologists was used by drawing disease area segments on a drawing tablet (Wacom Intuos 3 Tokyo, Japan), utilizing a home-developed graphical-user interface (GUI). The same slices were also assessed semiquantitatively by radiologists in consensus. Finally, the same slices were assessed with assisted CAD and compared to reference standard. The 2D CAD output was correlated with semiquantitative evaluation by radiologists (CADvsSQRcons) and quantitatively by drawing disease area segments pixel-wise (CADvsRref). Correlations were performed with Intraclass Correlation Coefficient (ICC) and 95% Confidence Intervals (CI). Intra and interobserver agreement was also measured. Differences in extent assessment for different evaluations (CAD- Rref, CAD+Rcons -Rref and SQRcons -Rref) were plotted using Bland-Altman analysis were assessed for total disease, ground glass and reticular pattern extent. The mean difference (MD) and 95% of the differences (mean±1.96 standard deviation), called limits of agreement (LoA95), were calculated. A curve representation is proposed to visualize agreement and facilitate agreement inter-comparison for various evaluations, as a function of reference. Finally, volumetric system output of 37 patient scans were correlated regarding total disease, ground glass and reticular pattern extent (3DCAD) and volumetric semiquantitative evaluation by radiologists (3DSQRcons) were correlated with physiologic parameters, pulmonary function tests, in terms of Pearson correlation (R). The same correlations were performed for 185 axial slices (average of 5 slices per patient scan) for 2DCAD and 2DSQ. Comparison of 3DCAD vs2D CAD and 3DSQvs2DSQ was also performed. Results Performance evaluation of segmentation of lung fields was measured: (1) Volume overlap: 0.931±0.027, (2) ΤPF: 0.935±0.036 (3) FPF: 0.074±0.03. Performance evaluation of segmentation of vessel tree was measured: (1) Volume overlap: 0.931 ±0.027, (2) ΤPF: 0.935±0.036 (3)FPF: 0.074±0.03. Performance evaluation in identification and characterization of ILD patterns was measured: For ground glass pattern: (1) Volume overlap: 0.794±0.038, (2) ΤPF: 0.812±0.045 (3) FPF: 0.163±0.017. For reticular patterns: (1) Volume overlap: 0.883 ± 0.037, (2) ΤPF: 0.972±0.013(3) FPF: 0.0971±0.012. Performance evaluation of intraobserver agreement was: For ground glass pattern: (1) Volume overlap : 0.47±0.20, (2) ΤPF: 0.972±0.013 (3) FPF: 0.0971±0.012. For reticular patterns: (1) Volume overlap: 0.53±0.19, (2) ΤPF: 0.715±0.20 (3) FPF: 1.72±1.05. For total disease extent: (1) Volume overlap: 0.54±0.18, (2) ΤPF: 0.74±0.18(3) FPF: 1.19±1.85. Performance evaluation of interobserver agreement was: For ground glass pattern: (1) Volume overlap: 0.33±0.22, (2) ΤPF: 0.58±0.27, (3) FPF: 2.48±2,74. For reticular patterns: (1) Volume overlap: 0.51±0.11, (2) ΤPF: 0.72± .19,(3) FPF: 1.36±1.33. For total disease extent: (1)Volume overlap: 0.51±0.21, (2)ΤPF: 0.69±0.220, (3)FPF: 1.21±0.89. The A’ cycle of experimental design in 3D quantification, results show statistically significant correlation of CAD quantification output and semiquantitative evaluation by radiologists (reference standard), regarding total and reticular disease extent (R=0.949, p=<0.0001, R= 0.915, p=<0.0001, respectively), while moderate correlation regarding ground glass pattern (R=0.806, p=0.0009). Intra and interobserver agreement were as follows: For Intra observer agreement: For total disease extent: R=0.903, p=<0.0001, reticular pattern: R=0.966, p=<0.0001 and ground glass pattern and R : 0.766, p=<0.0001. For Interobserver agreement: For total disease extent: R=: 0.838, p=0.0018, reticular pattern: R= 0.895, p=0.0006 and ground glass pattern: R= 0. 655, p=0.0017. Observed differences in extent assessment as plotted at Blant Altman και boxplot representation, between radiologists and CAD (R1 vs. CAD, R2 vs. CAD, Rm vs. CAD), radiologists themselves (R1 vs. R2, R1 vs. R1s) were not statistically significant (two-tailed Wilcoxon signed-rank test for paired data, p>0.05). Results indicate that the CAD tool analyzed demonstrates similar performance to radiologists semiquantitative assessment, ranging within inter- και intra- observer variation and can be considered as a reliable independent reader of lung abnormalities in ILD. However, differences of extent assessment between radiologists and CAD are (CADvsR1, CADvsR2, CADvsRm ) differ significantly to those obtained between radiologists (R1vsR2 ) and radiologist second opinion (R1vsR1s) in terms of median and IQR values. This implies that the automated system compared to the semiquantitative radiologist assessment, does not behave in an identical manner, as indicated by decreased variability of inter- and intraobserver data. The maximum median and IQR values (3.6% and 32.6%, respectively), were obtained between CAD and R2, probably attributed to experience differences between experts. Finally. Blant Altman plots indicate that in all differences in extent CADvsR1, CADvsR2, CADvsRm, R1vsR2, R1vsR1’ increasing differences occur in increasing extent assessments, especially> 20%. Out of the two patterns, reticular presents greater variability of mean values. Considering the different behavior in extent assessment between CAD system and semiquantitative scoring, we considered a more accurate reference standard based on manual drawing of abnormal areas, leading to the B’ cycle of experimental design. In B’ cycle of experimental design, the system shows significant correlation to semiquantitative and quantitative extent assessments (ICC =0.809 [0.599-0.894], 0.851 [0.795-0.891]). Correlation to quantitative extent assessments was slightly better and was used as a reference standard for this phase of thesis. For the constituent patterns quantification of ground glass by CAD system correlates less with radiologists assessments (both semi quantitatively and quantitatively) than reticular pattern. In every case quantitative evaluation by radiologists correlates better in all patterns with CAD system. Interobserver agreement is similar for both evaluation methods (ICC =0.856 [0.811-0.891], 0.856 [0.806-0.893]). The same trend is observed for both patterns (reticular and ground glass). Analyzing the differences as plotted by Blant Altman, the system depicts a small degree of overestimation of extent assessment as compared to reference standard. Total disease extent: (MD: 2.5%; LoA95: -14.3%, 19.3%), ground glass extent (MD: 1.3%; LoA95: -10.9%, 13.5%), reticular pattern extent (MD: 1.2%; LoA95: -12.7%, 15.1%). The system shows substantial agreement to pixel-wise (reference): 86.5%, 75.1% και 81.6%, for total lung disease, ground glass and reticular pattern, respectively. Semiquantitative scoring demonstrates higher degree of disease extent overestimation to reference: Total disease extent: MD: 9.2%; LoA95: -12.8%, 31.2%, ground glass extent: MD: 4.6%; LoA95: -9.8%, 19.0% and reticular extent: MD: 4.6%; LoA95: -10.0%, 19.3%) and achieves significantly lower agreement to reference (69.2%, 70.8%, 70.3%, respectively). Finally, agreement to reference achieved by assisted CAD, is slightly improved compared to CAD alone, especially for ground glass pattern (88.1%, 78.4% and 81.6%, respectively). The utilization of curve representation of the degree of agreement is proposed in this thesis, in an effort to visualize agreement of extent assessments and to facilitate agreement inter-comparison. These curves indicate assisted CAD as the best system, presenting with the higher agreement to reference, with CAD alone nearby, while semiquantitative scoring differs significantly from the manually drawn reference. CAD system and assisted CAD. These curves depict distinctively the differences in agreement between the two evaluation approaches by radiologists: semiquantitative and pixel-wise, confirming the observations of the first part of the thesis. On these curves difference interval ±5% ή ±25 % in extent assessment can be applied, according to 5% step used in semiquantitative scoring by Desai et al. or 25% in Likert scaling. Τhe more detailed (±5%) the quantification step is the greater the quantification errors are. Οn the contrary for wider step 25% the different the differences among them are not perceivable Finally, comparison of volumetric system output (3D) with PFTs yields strong negative correlations for total disease with all indexes, with better correlation with FEV1 and DLCO (R=-0.545 p=<0.0001, R=-0.567 p=<0.0001, respectively). For reticular pattern, correlation was moderate to all PFT indexes with better correlation with FEV1 and DLCO (R=-0.602, p=<0.0001, R=-0.615 p=<0.0001, respectively). For ground glass pattern there is no statistical correlation to neither of PFT indexes. For 2D system output, negative correlation was shown to PFTs for total disease and reticular pattern. Best moderate negative correlation was shown with DLCΟ (R=-0.485, p= 0.002, R=-0.601 p=<0.001 respectively). For ggo pattern, 2D system output showed no statistically significant correlation to all indexes, as in 3D system output. Semiquantitative scoring 3DSQRconsRcons and 2DSQ showed for total disease statistically significant negative correlations to PFTs, albeit weak, only with index DLCO (R=-0.382, p= 0.020, R=-0.398p=<0.02, respectively).. For 3DSQRcons semiquantitative scoring, reticular pattern showed statistically significant weak negative correlation to PFTs (not included to TLC) (FVC: R=-0.331, p= 0.045, FEV1: R=-0.393, p=0.016, DLCO : R=-0.392, p= 0.016). For 2DSQ semiquantitative scoring, reticular pattern showed statistically significant weak to moderate negative correlation to all PFTs (FVC: R=-0.360, p= 0.029, FEV1: R=-0.411, p=0.012, TLC : R=-0.326, p= 0.049, DLCO: R=-0.485, p= 0.002). For ground glass there was no statistically significant correlation for all indexes regarding 3DSQRcons and 2DSQ valuation. Conclusions In conclusion, an automated quantification system for ILD extent in CT was assessed, based on texture features, quantifying the two major imaging patterns of the disease, ggo and reticular pattern. Initially the system was evaluated by two experiences radiologists with performance within interobserver variability. Accordingly, the 3D system output was evaluated in a different dataset of 37 patients in order to evaluate the results with semiquantitative scoring published in literature. The correlation was very good. Further analysis of differences showed greater deviation of CAD and semiquantitative quantification, compared to semiquantitative quantification by radiologists (interobserver agreement). This remark led to further evaluation of CAD with a reference standard in 2D, based on manual drawings by radiologists and comparison with semiquantitative quantification. The 2D system output showed significant correlation to the reference standard and semiquantitative scoring. However semiquantitative quantification are less accurate in assessment of CAD quantification systems than quantitative quantification by manual drawing by radiologists. This is depicted in curve representation of different scoring systems compared to reference. From this thesis a number of secondary conclusion are drawn: First, in all systems, quantification variability augments with augmentation of extent. Second, between the two patterns analyzed quantification of ground glass is more difficult. Moreover, assisted CAD slightly improves the system output and mostly the ground glass pattern is corrected. Finally, the system correlates better to PFTs than semiquantitative quantification by radiologists. Especially reticular pattern by itself can be used as a reliable marker of pulmonary dysfunction. Overall, the system analysed is a useful disease extent quantification tool, than could act as a biomarker for staging and follow up of interstitial lung disease.

Η ανάπτυξη που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της εξόρυξης υδρογονανθράκων οδήγησε στην υιοθέτηση όλο και πιο σύγχρονων τεχνικών διαχωρισμού των προϊόντων στην πηγή. Οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές είναι η πιο επιτυχημένη και διαδεδομένη εφαρμογή. Σε αυτή την γκάμα, έρχεται να προστεθεί και ο πρότυπος φυγοκεντρικός διαχωριστής που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση προσπαθεί να ισορροπήσει μεταξύ μίας «αυστηρά επιστημονικής» ανάλυσης του στροβιλώδους πεδίου διφασικής ροής μέσα στο διαχωριστή και μιας πιο «πρακτικής» ανάλυσης της απόδοσης της συγκεκριμένης συσκευής. Η πρώτη είναι απαραίτητη λόγω της πρωτοτυπίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο και της έλλειψης προγενέστερων μελετών που να καλύπτουν το θέμα, ενώ η δεύτερη είναι επιβεβλημένη λόγω της «πρακτικότητας» που προσδοκούμε να έχει το τελικό αποτέλεσμα. Ο προσδιορισμός του προβλήματος που θέτει προς επίλυση η παρούσα εργασία και η ανασκόπηση βιβλιογραφίας που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η έρευνα, γίνεται στο 1ο κεφάλαιο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθείται η τυπική διαδικασία εξέλιξης ενός βιομηχανικού προϊόντος σε τέσσερα στάδια. Στο 1ο στάδιο αρχικά αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται. Στο 2ο στάδιο γίνεται αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστή Ρευστομηχανική. Στο 3ο στάδιο γίνεται πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Τέλος, στο 4ο στάδιο γίνεται επιβεβαίωση – πιστοποίηση της τεχνικής προσομοίωσης. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των εξισώσεων που διέπουν τη ροή των ρευστών. Οι εξισώσεις κίνησης αναπτύσσονται και εξηγείται πως διαμορφώνονται μετά την ανάπτυξη της τύρβης. Στο σημείο αυτό γίνεται αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίλυσή τους με αναλυτικές μεθόδους αλλά με αριθμητικές. Αυτή είναι και η απαρχή της εισόδου των αριθμητικών μεθόδων στη μηχανική ρευστών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίζεται η ανάλυση των διφασικών ροών αλλά και των στροβιλωδών ροών, έννοιες που συναντώνται στα επόμενα κεφάλαια. Η θεωρητική ανάλυση ολοκληρώνεται στο 4ο κεφάλαιο με την εμβάθυνση στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του 2ου κεφαλαίου. Αρχίζουμε με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, επικεντρώνοντας στη μέθοδο που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα προσομοίωσης ροών επικεντρώνοντας στις διφασικές ροές. Επειδή το αντικείμενο αυτό περιλαμβάνει εκτεταμένες μαθηματικές αναλύσεις, μεταφέρθηκαν αρκετά τμήματα στο παράρτημα 1, ώστε το κυρίως κείμενο της εργασίας να παρουσιάζει ομοιογένεια και να διατηρεί την ισορροπία μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και της πρακτικής – ερευνητικής προσέγγισης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Από το 5ο κεφάλαιο ξεκινά η παρουσίαση του καθαρά ερευνητικού έργου και ακολουθείται η λογική και χρονολογική σειρά που αναλύθηκε πριν, με τα τέσσερα στάδια εξέλιξης του «προϊόντος». Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται και παρουσιάζονται σχέδια από την Η ανάπτυξη που σημειώθηκε τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα της εξόρυξης υδρογονανθράκων οδήγησε στην υιοθέτηση όλο και πιο σύγχρονων τεχνικών διαχωρισμού των προϊόντων στην πηγή. Οι φυγοκεντρικοί διαχωριστές είναι η πιο επιτυχημένη και διαδεδομένη εφαρμογή. Σε αυτή την γκάμα, έρχεται να προστεθεί και ο πρότυπος φυγοκεντρικός διαχωριστής που παρουσιάζεται στην παρούσα εργασία. Η ανάλυση προσπαθεί να ισορροπήσει μεταξύ μίας «αυστηρά επιστημονικής» ανάλυσης του στροβιλώδους πεδίου διφασικής ροής μέσα στο διαχωριστή και μιας πιο «πρακτικής» ανάλυσης της απόδοσης της συγκεκριμένης συσκευής. Η πρώτη είναι απαραίτητη λόγω της πρωτοτυπίας που παρουσιάζει το συγκεκριμένο επιστημονικό πεδίο και της έλλειψης προγενέστερων μελετών που να καλύπτουν το θέμα, ενώ η δεύτερη είναι επιβεβλημένη λόγω της «πρακτικότητας» που προσδοκούμε να έχει το τελικό αποτέλεσμα. Ο προσδιορισμός του προβλήματος που θέτει προς επίλυση η παρούσα εργασία και η ανασκόπηση βιβλιογραφίας που καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την κατεύθυνση που θα ακολουθήσει η έρευνα, γίνεται στο 1ο κεφάλαιο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθείται η τυπική διαδικασία εξέλιξης ενός βιομηχανικού προϊόντος σε τέσσερα στάδια. Στο 1ο στάδιο αρχικά αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται. Στο 2ο στάδιο γίνεται αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστή Ρευστομηχανική. Στο 3ο στάδιο γίνεται πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Τέλος, στο 4ο στάδιο γίνεται επιβεβαίωση – πιστοποίηση της τεχνικής προσομοίωσης. Στο 2ο κεφάλαιο γίνεται μία θεωρητική ανάλυση των εξισώσεων που διέπουν τη ροή των ρευστών. Οι εξισώσεις κίνησης αναπτύσσονται και εξηγείται πως διαμορφώνονται μετά την ανάπτυξη της τύρβης. Στο σημείο αυτό γίνεται αντιληπτό ότι δεν είναι δυνατή η επίλυσή τους με αναλυτικές μεθόδους αλλά με αριθμητικές. Αυτή είναι και η απαρχή της εισόδου των αριθμητικών μεθόδων στη μηχανική ρευστών. Στο 3ο κεφάλαιο παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίζεται η ανάλυση των διφασικών ροών αλλά και των στροβιλωδών ροών, έννοιες που συναντώνται στα επόμενα κεφάλαια. Η θεωρητική ανάλυση ολοκληρώνεται στο 4ο κεφάλαιο με την εμβάθυνση στην αριθμητική επίλυση των εξισώσεων του 2ου κεφαλαίου. Αρχίζουμε με μία σύντομη παρουσίαση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, επικεντρώνοντας στη μέθοδο που χρησιμοποιούμε στην παρούσα εργασία. Στη συνέχεια παρατίθενται διάφορα μοντέλα προσομοίωσης ροών επικεντρώνοντας στις διφασικές ροές. Επειδή το αντικείμενο αυτό περιλαμβάνει εκτεταμένες μαθηματικές αναλύσεις, μεταφέρθηκαν αρκετά τμήματα στο παράρτημα 1, ώστε το κυρίως κείμενο της εργασίας να παρουσιάζει ομοιογένεια και να διατηρεί την ισορροπία μεταξύ της θεωρητικής ανάλυσης και της πρακτικής – ερευνητικής προσέγγισης που αναφέρθηκε προηγουμένως. Από το 5ο κεφάλαιο ξεκινά η παρουσίαση του καθαρά ερευνητικού έργου και ακολουθείται η λογική και χρονολογική σειρά που αναλύθηκε πριν, με τα τέσσερα στάδια εξέλιξης του «προϊόντος». Σε αυτό λοιπόν το κεφάλαιο αναλύεται η ιδέα –concept- λειτουργίας και η θεωρία πάνω στην οποία βασίζεται και παρουσιάζονται σχέδια από την σχεδίασή του στο AUTOCAD. Εκτός από αυτό όμως, κρίθηκε σκόπιμο να προχωρήσουμε ένα ακόμη βήμα, με τη δόμηση του πλέγματος του πεδίου ροής του διαχωριστή. Ο λόγος είναι καθαρά τεχνικός και έγκειται στην παραπλήσια μορφή των εξής δύο εργασιών: της σχεδίασης στο AUTOCAD και της σχεδίασης της γεωμετρίας στο GAMBIT. Το πλέγμα ακολούθησε αμέσως μετά, για να μην επανερχόμαστε στη χρήση του GAMBIT στο επόμενο κεφάλαιο. Στο 6ο κεφάλαιο γίνεται η αρχική διερεύνηση λειτουργίας του διαχωριστή, με προσομοίωση της ροής με Υπολογιστική Ρευστομηχανική. Ουσιαστικά ολοκληρώνεται η φάση της μοντελοποίησης, με την επεξεργασία του πλέγματος στο FLUENT σε επίπεδο post processing αλλά και με το «στήσιμο» της προσομοίωσης. Τέλος, με το «στήσιμο» του μοντέλου, είμαστε σε θέση να διεξάγουμε την προμοίωση και να συλλέξουμε αποτελέσματα στη συνέχεια. Στην ανάλυση που γίνεται, ακολουθείται η ροή: θεωρητική τεκμηρίωση, υλοποίηση προσομοίωσης ροής και συλλογή – επεξεργασία αποτελεσμάτων. Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης προκύπτει ότι η απόδοση αυξάνει με την ταχύτητα εισόδου του μίγματος κάτι που είναι επιστημονικά σωστό – αποδεκτό. Επιτεύχθηκε σύγκλιση της λύσης και παρήχθησαν εικόνες της ροής μέσα στο διαχωριστή που μας δίνουν μια ποιοτική αποτίμηση του πεδίου ροής. Επειδή τα εξαγόμενα της εργασίας εδώ είναι κυρίως εικόνες από το FLUENT που περιγράφουν τη ροή, αυτές παρατίθενται στο παράρτημα 2 για να διευκολυνθεί η ροή της διατριβής. Στο 7ο κεφάλαιο γίνεται η πειραματική – παραμετρική ανάλυση της λειτουργίας του διαχωριστή. Στην ανάλυση αυτή, ακολουθείται και πάλι η ροή: θεωρητική τεκμηρίωση, διεξαγωγή πειράματος και συλλογή – επεξεργασία αποτελεσμάτων. Διερευνήθηκαν οι επιδράσεις των ανεξαρτήτων παραμέτρων συνδυασμένες σαν κλάσμα όγκου αέρα, στην απόδοση του διαχωριστή. Η συσκευή παρουσίασε καλή απόδοση σε συγκεκριμένες περιοχές λειτουργίας κάτι που υποδεικνύει ότι υπάρχει δυναμική για περαιτέρω έρευνα και βελτίωση. Σε αυτό το κεφάλαιο, δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην περιγραφή της πειραματικής εγκατάστασης, η οποία δεν προϋπήρχε, αλλά σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από το μηδέν για την παρούσα εργασία. Σχέδια από τη φάση της σχεδίασης της εγκατάστασης στο AUTOCAD αλλά και λεπτομέρειές της, παρουσιάζονται αναλυτικά στο παράρτημα 3 μαζί με χαρακτηριστικές εικόνες από τη λειτουργία της. Το πρώτο εξαγόμενο από το πείραμα, είναι η ανάλυση της απόδοσης της συσκευής όπως παρουσιάστηκε στο 7ο κεφάλαιο. Το δεύτερο εξαγόμενο, -εξίσου σημαντικό- είναι η πιστοποίηση της μοντελοποίησης που έγινε στο 6ο κεφάλαιο. Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα στο 8ο κεφάλαιο. Το εξαγόμενο εδώ, είναι η τυποποίηση των ρυθμίσεων της υπολογιστικής διαδικασίας με τέτοιο τρόπο, ώστε στον επόμενο κύκλο (loop) πιστοποίησης του προϊόντος να έχουμε περισσότερα και πιο αξιόπιστα αποτελέσματα από το πρώτο στάδιο. Η ακρίβεια της πρόβλεψης με το υπολογιστικό πρόγραμμα, προέκυψε από την καλή αντιστοιχία που επιτεύχθηκε μεταξύ των αποτελεσμάτων της προσομοίωσης με το βέλτιστο μοντέλο, με τα πειραματικά αποτελέσματα τόσο σε σχέση με την παροχή αέρα στην έξοδο, όσο και με την απόδοση διαχωρισμού της συσκευής. Τέλος, στο 9ο κεφάλαιο κατατίθεται σύντομα –και με την εμπειρία που αποκτήθηκε- μία σειρά από δυνατότητες βελτίωσης του διαχωριστή. Είμαστε στο σημείο που αφήνουμε την ακαδημαϊκή ανάλυση του πεδίου ροής που ολοκληρώθηκε με επιτυχία και επικεντρωνόμαστε στην πιο πρακτική πτυχή, της βελτίωσης της απόδοσης της συσκευής. / The growth experienced in recent decades in the extraction of hydrocarbons, led to the adoption of increasingly modern technical products towards the phase separation near the source. The centrifugal separator is the most successful and widespread application. In this range of products, belongs the novel centrifugal separator presented in the present study. The analysis tries to balance between a "strictly scientific" analysis of the turbulent two-phase flow field in the separator and a more "practical" analysis of the performance of this device. The first is necessary because of the originality that has the particular scientific field and the lack of previous studies covering the issue; while the latter is essential because of the "practicality" we expect the final result to have. The problem that the present work is trying to solve, and the literature review that determines the direction to be followed by the research team, are presented in the 1st chapter. To tackle this problem, we follow a standard procedure of an industrial product development in four stages. In the first stage, the concept of function and the theory on which it is based are discussed. In the second stage, an initial investigation of the separator running a CFD simulation is performed. In the third step, an experimental - parametric analysis of the separator’s performance is being held. Finally, the fourth step is a confirmation - verification of CFD simulation. The 2nd chapter, is a theoretical analysis on the development of the governing equations of fluid flow. The equations of motion are developed and the transformation after the turbulence development is explained. At this point it is understood that it is not possible to solve them by analytical methods but with numerical. This is the beginning of the entry of numerical methods in fluid mechanics. The 3rd chapter, outlines the theoretical background upon which the analysis of two-phase flows and of turbulent flows is based. The theoretical analysis is completed in the 4th chapter by deepening in the numerical solution of equations of the second chapter. We begin with a brief presentation of the methods developed in recent decades, focusing on the method used in this work. Several simulation models focusing on the two-phase flow are presented here. Because this topic includes extensive mathematics, several sections were carried in Annex 1 to allow for consistency to the body of work, and maintain a balance between theoretical analysis and practice - research approach mentioned earlier. The presentation of pure research project starts in the 5th chapter, following the logical and chronological sequence that was analyzed before, with four stages in the “product development”. In this chapter, we discussed the concept of function and the theory on which it is based, and presented drawings of the design procedure in AUTOCAD. Apart from this however, it was decided to go a step further by building the grid of the flow field inside separator geometry. The reason is purely technical and is the similarity of the following two tasks: the design in AUTOCAD and geometry and mesh generation in GAMBIT. So the grid was generated in order not to revert to the use of GAMBIT in the next chapter. In the 6th chapter, we investigate the operation of the separator, by conducting an initial CFD simulation. An investigation of air-water separation process has been conducted using Υπολογιστική και Πειραματική Ανάλυση Διφασικής Ροής Αέρα – Νερού σε Φυγοκεντρικούς Διαχωριστές xi numerical simulation. Separator performance has been analyzed in terms of separation efficiency and pressure drop along the water flow path. The results of the analysis show that the performance increases with the inflow speed of the mixture which is scientifically correct - acceptable. Having achieved a converged solution and having produced images of the flow inside the separator we give a qualitative assessment of the flow field. Because the extracted work here is mostly pictures of the FLUENT describing the flow, these are listed in Annex 2 to facilitate the flow of the thesis. In the 7th chapter, the experimental - parametric analysis of the separator’s performance is conducted. New experimental data are reported, on the onsets of gas (air) and liquid (water) entrainment, mass flow rate and separation performance for the two-phase flow through the novel compact phase separator under various conditions. These data series cover the ranges of hmmhmwater/4/1303≤≤− and %90%4≤≤airvf. Influences of the independent parameters airm−0 and waterm−0 combined as air volume fraction vfair on the performance n, were considered. In this chapter, special emphasis is placed on describing the experimental setup, which did not exist, but was designed and built from scratch for this work. Designs from the design stage of the installation in AUTOCAD and its details are presented in detail in Annex 3 along with typical images of the operation. The first outcome of the experiment is the analysis of device’s performance as presented in chapter 7. The second outcome, -equally important- is the certification of modeling technique applied in chapter 6. This process takes place in the 8th chapter. The outcome, is to standardize the configuration of the computational process in such a way, that in the next development loop of the product, we have more and more reliable results than in the first stage. Finally, in chapter 9 (deposited soon after the experience gained), a series of possible improvements in the separator are presented. We leave it to the point that the academic analysis of the flow field was completed successfully and focus on more the practical aspect of improving the device’s performance.

Μια γρήγορη επίλυση του Delaunay Τριγωνισμός (DT) πρόβληματος αποτελεί ένα από τα βασικά συστατικά σε πολλές θεωριτικές και πρακτικές εφαρμογές. Οι υπάρχουσες μονάδες επεξεργασίας γραφικών (GPU), με βάση τις εφαρμογές των αλγορίθμων DT πάσχουν από δύο σοβαρά μειονεκτήματα. Το πρώτο σχετίζεται με την εξάρτηση του αλγορίθμου καθοδήγηση της GPU από την CPU για τους υπολογισμούς. Το δεύτερο πιο σοβαρό μειονέκτημα είναι η εξάρτησή τους από τη διανομή του σημειοσύνολου εισόδου. Οι περισσότεροι αλγορίθμοι για GPU έχουν καλή απόδοση μόνο με ομοιόμορφες κατανομές σημειοσύνολον. Προτείνουμε ένα καινούριο αλγόριθμο που δεν πάσχουν από τα παραπάνω προβλήματα. / A Fast solver of Delaunay Triangulation (DT) problem constitutes one of the basic ingredients in many practical and sientific applications. Existing Graphics Processing Units (GPU) based implementations of DT algorithms suffer from two serious drawbacks. The first is related to the dependency of the CPU guidance algorithm on GPU calculations. Albeit the modern GPUs have high computational throughput, if the feedback from CPU is necessary for the algorithmic evolution, the overhead caused by CPU-GPU communication can seriously degrade the performance. The second most serious drawback is their dependency on the distribution of the given point-set. Most of the GPU-based implementations can optimally run only on uniformly distributed point-sets, however, in many practical applications this is not the case.

The current thesis concerns Dual Energy Computed Tomography and specifically the physical principles and methods it is based on. Dual Energy CT offers the potential of not only anatomical, but also functional information from Computed Tomography (CT) exams. This is achieved by utilizing the energy dependence of X-rays’ attenuation within matter. In this way, materials are divided into those that are characterized by energy-dependent attenuation (strong spectral behavior), due to strong photoelectric effect contribution to total attenuation, and those that do not exhibit important photoelectric attenuation at radiological energies and therefore they attenuate X-rays in a much less energy dependent way. This information is useful for the identification of materials that, despite the fact that they are completely different as far as their chemical composition is concerned, they have the same or similar CT number values at a particular kVp level. The energy dependence of attenuation leads to the determination of a polychromatic linear attenuation coefficient. This coefficient may be approximated either by considering an equivalent monoenergetic attenuation coefficient that is characterized by the same half value layer as the the polyenergetic beam, or by a local linear attenuation coefficient that is determined by knowledge of the local x-ray spectrum. The energy dependence of attenuation is the cause of beam hardening effects. The basic fields where dual energy CT has become feasible and its current clinical applications are described in the thesis. The utility of DECT ranges from artifact elimination (beam hardening, metal artifacts) to tissue discrimination, material selective images and “conventional CT acquisition” equivalent images. The implementations of dual energy CT are also presented in the thesis and include consecutive scans at two different kVp values, fast kV-switching, dual source CT and dual layer CT. / Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά στην τομογραφία διπλής ενέργειας και ειδικότερα τις φυσικές αρχές και μεθόδους στις οποίες βασίζεται. H τομογραφία διπλής ενέργειας δίνει την προοπτική της απόκτησης όχι μόνο ανατομικής, αλλά και λειτουργικής πληροφορίας από τις εξετάσεις αξονικής τομογραφίας. Αυτό το επιτυγχάνει χρησιμοποιώντας την εξάρτηση της εξασθένησης των ακτίνων X μέσα στην ύλη από την ενέργεια των φωτονίων. Με αυτό τον τρόπο, τα υλικά διαχωρίζονται σε αυτά που εξασθενούν τα φωτόνια με πολύ διαφορετικό τρόπο σε διαφορετικές ενέργειες λόγω έντονου φωτοηλεκτρικού φαινομένου και σε αυτά που η ενεργειακή εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης τους είναι λιγότερο έντονη (λιγότερη συμμετοχή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου στη συνολική εξασθένηση). Η πληροφορία αυτή είναι χρήσιμη για την ταυτοποίηση της σύστασης υλικών, που ενώ είναι εντελώς διαφορετικά σε χημική σύσταση, έχουν τον ίδιο αριθμό CT (CT number) σε συγκεκριμένη τάση λειτουργίας της πηγής ακτίνων X. Στην εκτεταμένη περίληψη αυτής της εργασίας, αρχικά γίνεται σύντομη αναφορά στην εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης από την ενέργεια και πώς αυτή επηρεάζει τον ορισμό του συντελεστή γραμμικής εξασθένησης για πολυχρωματικές ακτινοβολίες. Στη συνέχεια ακολουθεί μια συνοπτική περιγραφή υλοποιήσεων της τομογραφίας διπλής ενέργειας καθώς επίσης και των αλγορίθμων και των κλινικών εφαρμογών που είναι διαθέσιμες σήμερα. Τέλος, περνώντας στην περιγραφή του κυρίως μέρους της διπλωματικής, ακολουθεί συνοπτική περιγραφή της θεωρητικής και πειραματικής μελέτης της συμπεριφοράς διπλής ενέργειας του ιωδίου, του ασβεστίου, του οστού και υλικών που προσομοιάζουν το μαλακό και λιπώδη ιστό. Στη θεωρητική περιγραφή, η διπλωματική εστιάζει στις εξαρτήσεις του συντελεστή γραμμικής εξασθένησης, πρώτα από τα χαρακτηριστικά του ίδιου του υλικού (πυκνότητα, χημική σύσταση) και έπειτα από την ενέργεια των φωτονίων. Ο προβληματισμός σχετικά με την εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης με την ενέργεια έχει οδηγήσει συχνά σε τρόπους προσέγγισης και ορισμού ενός συντελεστή γραμμικής εξασθένησης που να ανταποκρίνεται σε πολυενεργειακές δέσμες, όπως αυτές που χρησιμοποιεί ο αξονικός τομογράφος. Ο συντελεστής γραμμικής εξασθένησης μιας πολυενεργειακής δέσμης από ένα συγκεκριμένο υλικό, προσδιορίζεται είτε μέσω ενός ισοδύναμου μονοενεργειακού συντελεστή εξασθένησης που να χαρακτηρίζεται από το ίδιο half value layer (HVL) με την πολυενεργειακή δέσμη είτε μέσω ενός «τοπικού» συντελεστή εξασθένησης. που για να προσδιοριστεί απαιτείται γνώση του φάσματος στην συγκεκριμένη θέση και στο συγκεκριμένο υλικό. Η εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης από την ενέργεια των φωτονίων ευθύνεται για τεχνήματα σκλήρυνσης δέσμης (beam hardening artifacts).

Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη συγκριτική μελέτη λέξεων στην Αγγλική και τη Νέα Ελληνική που περιέχουν δεσμευμένα μορφολογικά στοιχεία, δηλαδή μορφήματα που δεν απαντώνται ανεξάρτητα στο λόγο. Στην Αγγλική οι λέξεις αυτές είναι γνωστές με τον όρο «νεοκλασικά σύνθετα», καθώς τα δεσμευμένα στοιχεία που περιέχουν έχουν αρχαιοελληνική ή λατινική προέλευση. Στη Νέα Ελληνική πρόκειται για μία κατηγορία ρηματικών συνθέτων, που περιέχουν ένα δεσμευμένο θέμα ρηματικής προέλευσης σε τελική θέση. Σημαντικό χαρακτηριστικό των εν λόγω λέξεων είναι ότι ένα μεγάλο ποσοστό αυτών ανήκει σε ειδικά επιστημονικά και τεχνικά λεξιλόγια. Στόχος της μελέτης είναι ο άμεσος συσχετισμός των λέξεων αυτών στις δύο γλώσσες από μορφολογική άποψη, με απώτερο σκοπό τη βέλτιστη υπολογιστική τους επεξεργασία. Για τις ανάγκες της παρούσας συγκροτήθηκαν δύο σώματα δεσμευμένων θεμάτων που εμφανίζονται σε τελική θέση μέσα σε λέξεις της Αγγλικής και της Νέας Ελληνικής, τα οποία αποτέλεσαν τα κύρια γλωσσικά δεδομένα, τόσο για την θεωρητική ανάλυση, όσο και για την υπολογιστική επεξεργασία των υπό εξέταση λέξεων. Λαμβάνοντας υπόψη τις θεωρητικές απόψεις που έχουν διατυπωθεί, τα δεδομένα που προέκυψαν από την εξέταση των σωμάτων δεσμευμένων στοιχείων, καθώς και την παρουσία των λέξεων με δεσμευμένα στοιχεία κατά τη διάρκεια εξέλιξης της κάθε γλώσσας, πραγματοποιείται η μορφολογική τους ανάλυση, που έχει ως αποτέλεσμα τον άμεσο συσχετισμό τους με την αναγνώριση αντίστοιχων δομών στις εν λόγω λέξεις. Με βάση τα συμπεράσματα της θεωρητικής ανάλυσης επιχειρείται η δημιουργία ενός συστήματος υπολογιστικής μορφολογικής επεξεργασίας των εν λόγω λέξεων, που διέπεται από κοινές αρχές και κοινούς κανόνες για τις δύο γλώσσες, με στόχο την όσο το δυνατόν αποτελεσματικότερη και οικονομικότερη περιγραφή του φαινομένου, για χρήση σε ένα πλήθος εφαρμογών της γλωσσικής επεξεργασίας. Ο φορμαλισμός που χρησιμοποιείται αποτελεί έναν λεξιλογικό μεταγλωττιστή (LEXC) που είναι ιδιαίτερα κατάλληλος για τον ορισμό λεξιλογίων φυσικών γλωσσών και βασίζεται στις μεθόδους πεπερασμένων καταστάσεων. / This PhD thesis deals with the comparative study of words containing bound morphological stems in English and Modern Greek (MG) and their computational processing. A great number of these words, also known as neoclassical compounds, belong to technical and scientific terminologies. The linguistic database used for the theoretical analysis and the computational processing proposed in this study, consists of two corpora, especially built for and appended in the current study, containing bound stems as final elements in words of English and MG. According to the theoretical analysis proposed, compounds with bound stems in the two languages share similar structures. The proposed system for the computational processing of these words, based on the the conclusions of the theoretical analysis, makes use of finite state methods, specifically the Xerox Lexical Compiler (LEXC) and offers an efficient way of implementing the phenomenon of neoclassical compounding in modern languages.

Τα τροχαντήρια ενδομυελικά εμφυτεύματα τύπου Fi χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις μη σταθερών διατροχαντήριων καταγμάτων του ισχίου. Από κλινικής άποψης, δύο βασικά προβλήματα που αφορούν την αποτελεσματικότητα της χρήσης του ενδομυελικού εμφυτεύματος τύπου Fi είναι: ποια είναι η βέλτιστη θέση εισαγωγής της περιφερικής βίδας και το εάν πρέπει να χρησιμοποιηθεί μία περιφερική βίδα ή ένα ζεύγος περιφερικών βιδών. Προκειμένου να μελετηθούν οι επιδράσεις αυτών των δύο παραμέτρων, ένα σύνολο απλοποιημένων και πλήρως ολοκληρωμένων μοντέλων μοντέλων αναπτύχθηκαν και αναλύθηκαν με τη Μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων (ΜΠΣ). Η ανάλυση με χρήση της Μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων (ΜΠΣ) μπορεί να δώσει σημαντικές πληροφορίες που αφορούν στην ευαισθησία της συμπεριφοράς του εμφυτεύματος σε σχέση με τα άλλα τμήματα της κατασκευής του εμφυτεύματος (ήλος, lag βίδα, περιφερική βίδα). Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η εύρεση της επίδρασης της θέσης της περιφερικής βίδας (των θέσεων των περιφερικών βιδών) στη μηχανική συμπεριφορά του συναρμολογήματος μηριαίου οστού/ενδομυελικού ήλου, όταν: 1.έχει ολοκληρωθεί η ενδομυελική οστεοσύνθεση 2.έχει διαγνωσθεί τυπικό διατροχαντήριο κάταγμα τύπου 31-Α1.3 κατά Müller AO/ASIF. / Trochanteric Fi-nail intramedullary fixation devices are used in cases of unstable intertrochanteric hip fractures. From a clinical point of view, two questions of high importance concerning the efficiency of the Fi-nail approach refer to where to put the distal screws and whether a single distal screw or a pair of distal screws should be used. In order to disclose the effect of those two parameters, a series of models were developed and then analyzed with the Finite Element Method (FEM). Finite element analysis can offer valuable information concerning the sensitivity of the implant’s behaviour in relation to the other parts of the implant’s structure (nail, lag screw, distal screw). The aim of this study is to examine the influence of the distal screw’s position in the mechanical behaviour of the femur/Fi-nail assembly: 1.when the intramedullary osteosynthesis has already been completed (case of healed femur) 2.when a typical intertrochanteric fracture (type 31-Α1.3, according to Müller AO/ASIF) has been diagnosed.

Είναι πλέον αποδεκτό ότι οι αγγειακές βιολογικές διαδικασίες επηρεάζονται από την τοπική αιμοδυναμική. Πειράματα in vivo, in vitro και αριθμητικές μελέτες επιβεβαίωσαν ότι τα μοντέλα της ροής στην αρτηριοφλεβική αναστόμωση (ΑΦΑ) είναι αυστηρά εξαρτημένα από τη γεωμετρία της περιοχής. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε το πεδίο ροής του αίματος σε "εικονικές γεωμετρίες" των ΑΦΑ μέσω μεθόδων υπολογιστικής ρευστομηχανικής. Με τον όρο "εικονική γεωμετρία" καλούμε μια γεωμετρία που δεν προσδιορίζεται από μετρήσεις σε πραγματικές αναστομώσεις αλλά προσομοιάζει προσεγγιστικά σ'αυτή. Ως οριακές συνθήκες του προβλήματος ετέθησαν κατανομές ταχύτητας που είχαν μετρηθεί σε συγκεκριμένες θέσεις εισόδου στο επίπεδο αρτηρίας και φλέβας της ΑΦΑ. Η μελέτη του πεδίου ροής περιλαμβάνει την κατανομή ταχυτήτων σε όλη την περιοχή της ΑΦΑ, τον προσδιορισμό και μελέτη των περιοχών ανακυκλοφορίας, κατανομή των πιέσεων και των διατμητικών τάσεων στο τοίχωμα της ΑΦΑ. Η μελέτη του πεδίου ροής περιλαμβάνει τη σύγκριση των υπολογιστικά λαμβανομένων μεγεθών με τα αντίστοιχα αποτελέσματα εκ της βιβλιογραφίας. Σε ένα ξεχωριστό μέρος της εργασίας αναλύονται οι ΑΦΑ και οι τεχνικές τους, οι επιπλοκές τους καθώς και τα εμβιομηχανικά χαρακτηριστικά τους. Επίσης αναλύεται η συσχέτιση των αιμοδυναμικών διαταραχών με την ανάπτυξη ινομυϊκής υπερπλασίας. / It is widely accepted that the vascular biological procedure is influenced by the local hemodynamics. Experiments in vivo, in vitro and numerical studies have confirmed that the flow models in Arteriovenous Anastomosis (AVA) depend strongly on the area geometry. This project goes through the flow distribution in “virtual geometries”of AVA using computational fluid dynamics (CFD). The term “virtual geometry” refers to a type of geometry which is not determined by calculations of real anastomosis but roughly simulates it. The boundary conditions of the problem were the velocity distributions that were calculated in specific entrance points in artery and vein of the AVA. The study of the flow distribution encompasses the velocity distribution in the whole area of the AVA, the specification and investigation of back flow areas, the distribution of pressure and shear stress in the AVA walls. It also encompasses the comparison of computated results to the equivalent measurements accumulated from the international bibliography. A separate chapter of this study refers to different kinds of AVA and their techniques, complications and biomechanical characteristics. Furthermore, it elaborates the correlations of the hemodynamical disorders and intimal hyperplasia.

Στη συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αναλύεται το πρόβλημα του εντοπισμού ομάδων σε σύνολα δεδομένων (ομαδοποίηση δεδομένων). Δίνεται μια σύντομη ανασκόπηση των μεθόδων που χρησιμοποιούνται σήμερα στην ομαδοποίηση δεδομένων και ιδιαίτερα στην ολοένα και αυξανόμενη χρήση Εξελικτικών Αλγόριθμων (ΕΑ) στην ομαδοποίηση. Οι ΕΑ έχουν αποδειχθεί ιδιαίτερα αποτελεσματικοί σε μια πληθώρα προβλημάτων βελτιστοποίησης. Η χρήση ΕΑ είναι αναμενόμενη, καθώς η ομαδοποίηση δεδομένων μπορεί να εκφραστεί και ως πρόβλημα βελτιστοποίησης. Επιπρόσθετα, παρουσιάζεται μια μέθοδος αντιμετώπισης της (συνήθως) μεγάλης διάστασης των προβλημάτων ομαδοποίησης, κάτι που επιβαρύνει ιδιαίτερα τους ΕΑ. Αναλυτικότερα, το πρώτο μέρος της διπλωματικής εργασίας παρέχει μια σφαιρική εικόνα του προβλήματος της ομαδοποίησης καθώς και των κατηγοριών των αλγορίθμων, που έχουν προταθεί για τον εντοπισμό ομάδων. Επιπλέον, παρουσιάζονται δομές δεδομένων που χρησιμοποιούνται από αλγόριθμους ομαδοποίησης για την επιτάχυνσή τους, όπως είναι τα Range Trees και τα BBD Trees. Εν συνεχεία, παρουσιάζονται αναλυτικά οι ΕΑ και ο τρόπος εφαρμογής τους σε προβλήματα ομαδοποίησης δεδομένων, αναλύοντας τρόπους αναπαράστασης του προβλήματος ομαδοποίησης, έτσι ώστε να είναι δυνατή η χρήση ΕΑ καθώς επίσης και οι μορφές των αντικειμενικών συναρτήσεων. Εισάγεται μια νέα προσέγγιση της εφαρμογής των ΕΑ σε προβλήματα ομαδοποίησης με σκοπό την πλήρη αποδέσμευση της διαδικασίας από εκτιμήσεις του πλήθους των ομάδων. Η διπλωματική εργασία κλείνει με τη σύγκριση υπάρχοντων αλγορίθμων ομαδοποίησης, που εφαρμόζουν την καθιερωμένη προσέγγιση της εφαρμογής των ΕΑ σε προβλήματα ομαδοποίησης, ένα νέο τρόπο εφαρμογής των ΕΑ, καθώς και κλασικούς αλγόριθμους όπως ο k-means και ο DBSCAN. Η σύγκριση γίνεται σε τεχνητά σύνολα δεδομένων, το κάθε ένα με διαφορετικές ιδιαιτερότητες. / In this master thesis, the problem of finding groups in data sets (data clustering) is analyzed. Data clustering methods in general and, more specifically, Evolutionary Algorithms (EA) based methods are shortly reviewed. EA's have proven to be effective in a extensive number of optimization problems. Since data clustering can be formulated as an optimization problem, EA can be utilized. Additionally, a method of reducing the (usually) large dimensionality of clustering problems is presented, since this hinders the performance and stability of EAs. The first part of this thesis provides an introduction to clustering as well as to existing clustering algorithms. Additionally, data structures used by clustering algorithms such as Range trees and BBD trees are described. After that, EA is described thoroughly as well as approaches of applying them on clustering problems, by analyzing forms of presenting a clustering problem in a way than an EA can be used, as well as and possible objective functions. A new approach of applying EAs on clustering problems is introduced, in an attempt to automatically determine the number of clusters present in a data set. Finally, an existing EA-based method and well known clustering algorithms such as k-means and DBSCAN are compared to the proposed approach. This comparison is made on artificial data sets, each one with its own characteristics.