The current thesis is focused on the study of tomosynthesis techniques applied on breast imaging, in order to improve the detection of breast lesions. Breast Tomosynthesis (BT) is a pseudo-three-dimensional (3D) x-ray imaging technique that provides reconstructed tomographic images from a set of angular projections taken in a limited arc around the breast, with dose levels similar to those of a two-view conventional mammography. Simulation studies and clinical trials suggest that BT is very useful for imaging the breast in an attempt to optimize the detection and characterization of lesions particularly in dense breasts and has the potential to reduce the recall rate. Reconstruction algorithms and acquisition parameters are critical for the quality of reconstructed slices. The aim of this research is to explore tomosynthesis modalities for breast imaging and evaluate them against existing mammographic techniques as well as to investigate the effect of reconstruction algorithms and acquisition parameters on the image quality of tomosynthetic slices. A specific aim and innovation of the study was to demonstrate the feasibility of combining BT and monochromatic radiation for 3D breast imaging, an approach that had not been studied thoroughly yet. For the purposes of this study a computer-based platform has been developed in Matlab incorporating reconstruction algorithms and filtering techniques for BT applications. It is fully parameterized and has a modular architecture for easy addition of new algorithms. Simulations studies with the XRayImaging Simulator and experimental work at ELETTRA Synchrotron facilities in Trieste, Italy, have been performed using software and complex hardware phantoms, of realistic shape and size, consisting of materials mimicking the breast tissue. The work has been carried out in comparison to conventional BT and mammography and demonstrates the feasibility of the studied new technique and the potential advantages of using BT with synchrotron modality for the detection of breast low- and high-contrast breast lesions such as masses and microcalcifications (μCs). Evaluations of both simulation and experimental tomograms demonstrated superior visibility of all reconstructed features using appropriately optimized filtered algorithms. Moreover, image quality and evaluation metrics are improved with extending the acquisition length for the masses. The visualization of μCs was found less sensitive to this parameter due to their high inherent contrast. Breast tomosynthesis shows advantages in visualizing features of small size within phantoms of increased thickness and especially in bringing into focus and localizing low-contrast masses hidden in a highly heterogeneous background with superimposed structures. Monochromatic beams can result in better tissue differentiation and in combination with BT can lead to improvement of features’ visibility, better detail and higher contrast. Monochromatic BT provided improved image quality at lower incident exposures, compared to conventional mammography, concerning mass detection and visibility of borders, which is important for their characterization, especially when they are spiculated. Overall it has been proved that while reducing the radiation dose, monochromatic beams combined with BT, result in an improvement of image quality. These findings are encouraging for the development of a tomosynthesis system based on monochromatic beams. / Η συγκεκριμένη διατριβή εστιάζει στη μελέτη των τεχνικών της τομοσύνθεσης όπως αυτές εφαρμόζονται στην απεικόνιση του μαστού, με στόχο την βελτίωση της ανίχνευσης των αλλοιώσεων του μαστού. Η τομοσύνθεση του μαστού είναι μια τεχνική ψευδό-τρισδιάστατης απεικόνισης με ακτίνες-χ που ανακατασκευάζει τομογραφικές εικόνες χρησιμοποιώντας μια σειρά προβολικών λήψεων υπό διαφορετικές γωνίες σε περιορισμένο τόξο γύρω από το μαστό και με δόσεις ακτινοβολίας παρόμοιες με εκείνες που απαιτούνται για τις δύο τυπικές λήψεις της κλασικής μαστογραφία. Μελέτες προσομοίωσης και κλινικές δοκιμές δείχνουν πως η τομοσύνθεση του μαστού βελτιώνει την απεικόνιση του μαστού, με αποτέλεσμα την καλύτερη ανίχνευση των αλλοιώσεων ειδικά σε πυκνούς μαστούς και αναμένεται ότι η εφαρμογή της θα μπορούσε να μειώσει την ανάγκη επανάληψης της εξέτασης. Οι αλγόριθμοι ανακατασκευής και οι παράμετροι λήψης των προβολικών εικόνων είναι μεγάλης σημασίας για την ποιότητα των ανακατασκευασμένων τομογραφικών εικόνων. Ο στόχος αυτής της έρευνας είναι να μελετήσει τεχνικές που βασίζονται στην τομογραφική απεικόνιση του μαστού και να τις συγκρίνει με υπάρχουσες τεχνικές μαστογραφίας καθώς και να διερευνήσει την επίδραση των αλγορίθμων ανακατασκευής και των παραμέτρων λήψης στην ποιότητα της ανακατασκευασμένης τομογραφικής εικόνας. Ένας συγκεκριμένος στόχος και καινοτομία αυτής της μελέτης ήταν να διερευνήσει πιθανά πλεονεκτήματα και να επιδείξει την σκοπιμότητα του συνδυασμού της τομοσύνθεσης του μαστού με μονοχρωματική ακτινοβολία που παράγεται από σύγχροτρον για την τρισδιάστατη απεικόνιση του μαστού, μία προσέγγιση που δεν είχε ακόμα μελετηθεί εκτενώς. Για τις ανάγκες αυτής της μελέτης αναπτύχθηκε στο Matlab μια πλατφόρμα που ενσωματώνει αλγορίθμους ανακατασκευής και τεχνικές φιλτραρίσματος για τομοσύνθεση μαστού. Η εφαρμογή είναι πλήρως παραμετροποιημένη και σχεδιασμένη ώστε να είναι εύκολη η προσθήκη νέων αλγορίθμων. Προσομοιώσεις με τη χρήση του προσομοιωτή XRayImagingSimulator καθώς και πειραματικές μελέτες στις εγκαταστάσεις σύγχροτρον ELETΤRA, στην Τεργέστη της Ιταλίας έχουν πραγματοποιηθεί, με χρήση απλών και σύνθετων ομοιωμάτων μαστού, μιμούμενα τις ιδιότητες του ιστού του μαστού, με ρεαλιστικό μέγεθος και σχήμα. Οι μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί σε σύγκριση με την τυπική τομοσύνθεση μαστογραφία και δείχνουν πόσο εφικτή είναι η νέα τεχνική και τα δυνητικά πλεονεκτήματα της τομοσύνθεσης του μαστού με χρήση μονοχρωματικής ακτινοβολίας για την εύρεση χαμηλής και υψηλής αντίθεσης αλλοιώσεων όπως μάζες και μικροαποτιτανώσεις. Εκτιμήσεις των τομογραφικών εικόνων που έχουν προκύψει τόσο από προσομοιώσεις όσο και από πειράματα δείχνουν βελτιωμένη απεικόνιση όλων των ανακατασκευασμένων στοιχείων ενδιαφέροντος με χρήση κατάλληλων βελτιστοποιημένων φίλτρων. Επιπλέον, η ποιότητα της εικόνας βελτιώνεται με τη διεύρυνση του τόξου λήψης για τις μάζες, ενώ η απεικόνιση των μικροαποτιτανώσεων βρέθηκε να είναι λιγότερο ευαίσθητη σε αυτή τη παράμετρο λόγω της υψηλότερης αντίθεσης που έχουν σε σχέση με τον περιβάλλοντα φυσιολογικό ιστό του μαστού. Η τομοσύνθεση του μαστού φάνηκε να έχει πλεονεκτήματα στην απεικόνιση αλλοιώσεων μικρού μεγέθους και πιο συγκεκριμένα στο να διακρίνει και να ανιχνεύει χαμηλής αντίθεσης μάζες, μέσα σε πυκνούς μαστούς με έντονα ετερογενή σύσταση, μετριάζοντας τα προβλήματα επικάλυψης. Η μονοχρωματική ακτινοβολία μπορεί να προσφέρει καλύτερη διαφοροποίηση των ιστών του μαστού και σε συνδυασμό με την τομοσύνθεση μπορεί να οδηγήσει στην βελτίωση της απεικόνισης των αλλοιώσεων και στην παραγωγή εικόνων με καλύτερη λεπτομέρεια και υψηλότερη αντίθεση. Γενικά βρέθηκε ότι η μονοχρωματική τομοσύνθεση του μαστού παρέχει βελτιωμένη ποιότητα εικόνας, σε σύγκριση με την κλασική μαστογραφία, όσον αφορά την ανίχνευση όγκων και την ορατότητα των περιγραμμάτων τους, που είναι σημαντική για τον χαρακτηρισμό των μαζών, ειδικά όταν δεν έχουν καλώς καθορισμένα όρια. Συνολικά η μελέτη αυτή έδειξε ότι ακόμα και με μικρότερη δόση ακτινοβολίας, η χρήση μονοχρωματικής ακτινοβολίας σε συνδυασμό με την τομοσύνθεση του μαστού, έχουν ως αποτέλεσμα την βελτίωση της εικόνας, γεγονός που είναι ενθαρρυντικό για την ανάπτυξη ενός συστήματος τομοσύνθεσης βασισμένο σε ακτίνες-χ μονοχρωματικής δέσμης.

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να εξετάσουμε πως οι παράμετροι σάρωσης και ανακατασκευής επηρεάζουν την ποιότητα της εικόνας. Καθόσον, ορισμένες από τις παραμέτρους, αυξάνουν την δόση στον εξεταζόμενο, μελετήσαμε σε ποιες περιπτώσεις θα πρέπει να τις τροποποιήσουμε, άλλοτε για λόγους ακτινοπροστασίας και άλλοτε για την βελτιστοποίηση της ποιότητα της εικόνας. Υλικό και μέθοδος : Το πείραμα μας έγινε σε ελικοειδή Υ .Τ (Philips 5000SR), χρησιμοποιώντας πρόγραμμα συμβατικής σάρωσης (τομής-τομής) και ελικοειδούς σάρωσης σε ομοίωμα που χρησιμοποιείται για τον ποιοτικό έλεγχο. Σαρώσαμε τα διαφορετικά τμήματα του ομοιώματος, εφαρμόζοντας όλους τους δυνατούς συνδυασμούς των παραμέτρων σάρωσης και ανακατασκευής. Μετρήσαμε σε όλες τις εικόνες τον θόρυβο, την χωρική διακριτική ικανότητα (Χ.Δ.Ι ) και την αντιθετική διακριτική ικανότητα. Αποτελέσματα: Η Χ.Δ.Ι μεταβάλλεται περισσότερο από το πάχος τομής και τον αλγόριθμο ανακατασκευής, ενώ οι παράμετροι έκθεσης την επηρεάζουν λιγότερο σε εξεταζομένους με φυσιολογικές διαπλάσεις. Ο θόρυβος της εικόνας είναι μεγαλύτερος στο κέντρο της εικόνας και αυξάνει περισσότερο όταν μειώνουμε τους παράγοντες έκθεσης. Η αντιθετική διακριτική ικανότητα βελτιώνεται με αύξηση των παραμέτρων έκθεσης και με εφαρμογή κατάλληλου αλγόριθμου ανακατασκευής. Συμπέρασμα: Η σωστή επιλογή των παραμέτρων σάρωσης και ανακατασκευής μπορεί να οδηγήσει στην βελτίωση της ποιότητας της εικόνας ή στην βέλτιστη εικόνα με την λιγότερη δυνατή δόση στον εξεταζόμενο. / The purpose of the present study is to examine how the scanning and reconstruction parameters effect the quality imaging. While, some of the parameters increase the dose to the patient, we studied in which cases we have to modify them either for the benefit of the radiation protection or for the optimization of the quality imaging. Material and method. Our experiment was put into practice in conventional spiral CT (Philips 5000SR), using conventional scanning software ( slice-slice) and helical scanning at a phantom situable for quality control. We scanned the different parts of the phantom, by appling all the various combinations of the scanning and reconstruction parameters. We measured in all the images the noise, the spacial resolution and the low contrast resolution. Results. The spacial resolution is mainly influenced by the slice thickness and the reconstuction algorithm, while is less affected by the exposure parameters as far as it concerns patients with normal body mass. The noise of the image is greater at the center of the image and increases mostly when the exposure parameters are reduced. The low contrast resolution is improved by the increase of the exposure parameters and by the application of the suitable reconstruction algorithm. Conclusion. The reasonable choice of the scanning and reconstruction parameters results in the optimization of the quality imaging or in the best image with the less possible dose for the patient.

In positron emission tomography (PET) the current trend is to use the fully 3D capabilities of the scanner to increase sensitivity, hence improve the quality of data or reduce the scanning time. However, some difficulties have to be resolved. In 3D PET, the largest contributor to image degradation is Compton scatter since the scattered photons may comprise more than 50% out of all coincidences in the whole body studies. Much progress has been achieved the last few years by the use of scatter correction algorithms, such as the single scatter simulation (SSS). In this work, a model-based scatter simulation (MBSS) algorithm has been implemented in a software library called STIR (i.e. Software for Tomographic Image Reconstruction) initially based on SSS. The aim of the current work is to validate the MBSS implementation; investigate the influence of several parameters; and, if possible extend the existing algorithm. The results are compared with both SimSET Monte Carlo simulation package and measured data. The comparison shows that SSS is in excellent agreement with the single scatter distribution produced by SimSET and in several cases can also approximate accurately the total scatter. However, SSS is just an attempt to estimate the total Compton scatter effect, as it is possible that both photons may scatter, and potentially more than once. As shown, the single scatter distribution may have different shape from the total scatter distribution. How accurate this approximation is, it depends on how many detected photons are scattered multiple times. Multiple scatter is more likely to happen if the attenuation medium has large volume, hence it is more severe in 3D studies of the torso than the brain. In this work, the methodology used for the single scatter simulation algorithm is extended to handle twice-scattered events. Detailed description on how to implement the double scatter simulation (DSS) together with a preliminary evaluation is included. The results are promising even if the required computational time for DSS is much higher than for SSS, though not being prohibited. Finally, at the end of the thesis, an efficient recursive formula is proposed to estimate the rest multiple scatter distribution. / Κατά την τομογραφική απεικόνιση εκπομπόμενων ποζιτρονίων είναι αρκετά διαδεδομένη η χρήση της τρισδιάστατης ανίχνευσης, ώστε να βελτιωθεί η ευαισθησία και η ποιότητα των δεδομένων, αλλά και να μειωθεί ο συνολικός χρόνος εξέτασης. Για να είναι αυτά εφικτά πρέπει πρωτίστως να αντιμετωπιστούν αποτελεσματικά κάποιες δυσκολίες. Συγκεκριμένα, ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες που υποβαθμίζουν την ποιότητα της εικόνας είναι η σκέδαση Compton, διότι, εξαιτίας αυτής, τα σκεδαζόμενα φωτόνιων που ανιχνεύονται μπορούν να ξεπεράσουν το 50% των συνολικών ανιχνεύσεων σε αρκετές μελέτες του ανθρώπινου κορμού. Σημαντική πρόοδος έχει επιτευχθεί τα τελευταία χρόνια με τη χρήση αλγόριθμων διόρθωσης σκέδασης και, κυρίως, με τη χρήση του αλγόριθμου προσομοίωσης μίας και μόνο σκέδασης (ΠΜΣ). Στην παρούσα μελέτη, ένας αλγόριθμος βασισμένος σε αυτό το μοντέλο δημιουργήθηκε σε μια βιβλιοθήκη λογισμικού για ανακατασκευή τομογραφικής εικόνας. Ο στόχος αυτής της εργασίας είναι να πιστοποιήσει τη σωστή λειτουργία του αλγόριθμου, να μελετήσει την επίδραση διαφόρων παραμέτρων και, εάν είναι εφικτό, να τη βελτιώσει. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων έδειξε πως ο ΠΜΣ επιβεβαιώνεται με Μόντε Κάρλο προσομοιώσεις. Ωστόσο, ο αλγόριθμος ΠΜΣ είναι μια προσέγγιση του συνολικού ποσοστού φωτονίων σκέδασης Compton. Υπάρχει πάντα πιθανότητα και τα δύο φωτόνια να σκεδαστούν μία ή και περισσότερες φορές. Όπως αποδεικνύεται στην παρούσα μελέτη, η κατανομή μίας και μόνο σκέδασης έχει διαφορετική μορφή σε σύγκριση με τη συνολική κατανομή της. Πόσο ακριβής είναι αυτή η προσέγγιση εξαρτάται από τον αριθμό των πολλαπλά σκεδαζόμενων φωτονίων που έχουν ανιχνευτεί. Το φαινόμενο πολλαπλής σκέδασης είναι πιθανότερο εάν το μέσον απορρόφησης ακτινοβολίας καταλαμβάνει μεγάλον όγκο και συνεπώς κατά τις τρισδιάστατες μελέτες του κορμού, παρά του εγκεφάλου. Στην παρούσα εργασία η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για τον αλγόριθμο προσομοίωσης μίας και μόνο σκέδασης επεκτάθηκε, ώστε να συμπεριλάβει και γεγονότα διπλής σκέδασης. Μια αναλυτική περιγραφή παρουσιάζεται για το πώς μπορεί να υλοποιηθεί η προσομοίωση διπλής σκέδασης (ΠΔΣ), που ακολουθείται από μία προκαταρκτική αξιολόγηση. Τα αποτελέσματα είναι αρκετά ενθαρρυντικά ακόμη και αν ο απαιτούμενος υπολογιστικός χρόνος για την ΠΔΣ είναι αρκετά μεγαλύτερος από την ΠΜΣ, χωρίς να την καθιστά απαγορευτική. Στο τέλος της διπλωματικής εργασίας προτείνεται ένας ολοκληρωμένος αναδρομικός αλγόριθμος για τον αποδοτικό υπολογισμό του συνολικού ποσοστού σκεδάσεων.

Στην παρούσα διπλωματική εργασία, σχεδιάζονται και υλοποιούνται συστήματα με βάση τη πλατφόρμα του Arduino. Το πρώτο σύστημα αφορά ένα Wireless Persistence of Vision Display, ουσιαστικά μία οθόνη, σχήματος δίσκου, που αποτελείται από μία περιστρεφόμενη στήλη LEDs. Συνεχίζουμε με το σχεδιασμό ενός συστήματος ικανού για γρήγορη πρόβλεψη και ανακατασκευή σημάτων, με σκοπό τη μελλοντική χρήση του στο συγχρονισμό ενεργειακών δικτύων. Ύστερα προχωράμε στην υλοποίηση ενός συστήματος εντοπισμού διεύθυνσης πηγής ήχου, μέσα από την ψηφιακή επεξεργασία ηχητικών σημάτων. Τέλος, η εμπειρία που αποκομίσθηκε με βάση το Arduino μας οδήγησε στη μελέτη μιας εκπαιδευτικής πλατφόρμας βασισμένη σε FPGA, το «F-Penguino», που ως στόχο έχει να αναδείξει την ευελιξία και ταχύτητα συστημάτων βασισμένα σε υλοποίηση με περιγραφή υλικού / In this thesis, we design and implement various systems based on the Arduino platform. The first system is a Wireless Persistence of Vision Display, which is actually a round screen, made of a rotating column of LEDs. We also design a system capable of fast prediction and reconstruction of signals, with an utter goal, its future use in effectively connecting different power networks. Furthermore, we implement a sound source localization system, using DSP techniques and fundamental robotics. Finally, the experience obtained using the Arduino, led us to involve with an FPGA based platform, the “F-Penguino”, the goal of which is to indicate the versatility and speed of systems based on hardware-description implementations.