- / -

In current digital imaging systems, new components such as digital display, image compression, image processing, as well as film digitization and film printing are introduced, in addition to analogue or digital imaging modalities. Although the current trend is towards fully digital systems, analog images (films) represent a high percentage of the volume of medical image data in the interim transition period from analog to digital. Soft copy display of medical image using CRT monitors, which plays a critical role in diagnostic information extraction, is one of the most vulnerable to failure and performance degradation component of the display workstation. Medical film digitizers and film printers play an important transitory role as analog-to-digital bridges in current PACS. Lossless compression algorithms are widely used in digital medical imaging systems for efficient image storage, transmission, and display, while lossy ones, offering significantly higher compression ratios, are emerging. An important factor for the acceptance of lossy compression in clinical practice is the assessment of “visually lossless” compression thresholds. The above components, as well as the services involving them in telemedicine or PACS systems, introduce additional needs of performance evaluation. In this thesis a performance evaluation protocol, applicable to each of the new components of digital medical imaging systems, as well as to telemedicine or PACS services, is proposed. The proposed protocol is based on a set of transfer characteristics assessment, such as characteristic curve, high contrast transfer, low contrast transfer, noise, uniformity, and geometric distortion, common to all components, and additional component specific parameters (i.e. veiling glare for CRT monitors). The application of the protocol for each component is based on the use of digital test objects, designed using a software tool, which enables (a) user-driven selection of patterns, associated to evaluation parameters, to be included, and (b) user-driven pattern specifications, according to requirements of individual components. The protocol has been applied for the assessment of transfer characteristics of: (a) three film digitizers, (b) two CRT monitors, (c) two film printers, and (d) two compression algorithms, used or intended for use in digital medical imaging systems, to demonstrate its completeness with respect to evaluation parameters, its sensitivity (i.e., the capability to differentiate between components of the same category and with similar performance), and its adaptability with respect to the specifications of the individual component being tested. Of the three film digitizers tested two are CCD based, Lumiscan 20 and Agfa DuoScan, and one is laser based, Lumiscan 75. Measurements performed show superior performance of the Lumiscan 75 digitizer with respect to its characteristic curve and amount of noise introduced. The Agfa DuoScan has superior performance with respect to spatial resolution. For low contrast discrimination the Agfa DuoScan has superior performance for low optical densities, up to 1.8 o.d. units, while for higher optical densities the Lumiscan 75 digitizer show better performance. The Lumiscan 20 film digitizer has a linear characteristic curve and acceptable noise handling up to 2.8 o.d. units, but low spatial resolution. Of the two CRT monitors tested, Sony E500 and Samsung 950p, the former exhibits slight performance superiority, but they are both characterized by limited performance with respect to maximum luminance, resolution (high contrast response), and low contrast discrimination. Of the two film printers tested, AGFA DrayStar 2000 and Kodak DrayView 8100, the latter shows better performance with respect to characteristic curve, high contrast response and low contrast discrimination. The assessment results for the JPEG compression algorithm tested (OTE-TS implementation) indicate the compression ratio of 15:1, as a visually lossless threshold in case of low contrast lesion detection in x-ray chest images, in agreement with previous observer performance studies. The wavelet based compression algorithm tested (Pegasus Imaging Corp. implementation) is JPEG 2000 compatible with respect to the wavelet filters used. Its visually lossless threshold, derived from contrast threshold curves associated with microcalcification cluster detection in mammograms, is at compression ratio 35:1, and it is lowered at 30:1 if a perceptibility criterion for image quality degradation is applied. The validation study, based on ROC analysis of observers’ performance, confirmed these values, as the threshold for cluster detection is at compression ratio 40:1, and it is lowered to 25:1 by observers’ image quality grading. Component performance evaluation results indicate that the proposed protocol can be successfully used for comparative evaluation of film digitizers, film printers and CRT monitors. In case of compression algorithms, the proposed protocol can be used: (a) as a preliminary step for testing the algorithm during development, (b) for comparative evaluation of algorithms, and (c) in the efficient planning of a ROC study with respect to range of interest of compression ratios. The wide applicability of the proposed protocol is based on a generic set of common transfer characteristics with respect to components and services, and is also empowered by the userdriven design of the digital test objects used. Test objects design is flexible, due to their soft character, enabling adaptation of the design to the technical specifications of each type of individual component. / Η τρέχουσα τάση στην ιατρική απεικόνιση είναι τα πλήρη ψηφιακά απεικονιστικά συστήματα. Κύρια χαρακτηριστικά των ψηφιακών απεικονιστικών συστημάτων είναι πρώτον ο διαχωρισμός καταγραφής και παρουσίασης εικόνας, μέσω ψηφιακών ανιχνευτών και οθονών CRT αντίστοιχα, και δεύτερον η ψηφιακή επεξεργασία/ανάλυση και μετάδοση ιατρικής εικόνας, στα πλαίσια συστημάτων PACS και Τηλε-ιατρικής. Μεταβατικά, οι ψηφιοποιητές και οι εκτυπωτές ιατρικού φιλμ διαδραματίζουν ένα σπουδαίο ρόλο ως “γέφυρες” μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών συστημάτων. Η αποδοτική αποθήκευση, μετάδοση και παρουσίαση ψηφιακών ιατρικών εικόνων επέβαλλε τη χρήση αλγορίθμων συμπίεσης. Προς το παρόν, οι αντιστρέψιμοι αλγόριθμοι (lossless) είναι κλινικά αποδεκτοί, ενώ οι μη αντιστρέψιμοι (lossy), οι οποίοι χαρακτηρίζονται από μεγάλους λόγους συμπίεσης, αποτελούν τρέχον πεδίο έρευνας. Οι νέες συνιστώσες των ψηφιακών ιατρικών απεικονιστικών συστημάτων δημιουργούν την ανάγκη ανάπτυξης πρωτοκόλλων ελέγχου απόδοσης για τη διασφάλιση υψηλής ποιότητας ιατρικής εικόνας. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής αναπτύχθηκε ένα πρωτόκολλο ελέγχου απόδοσης, γενικής χρήσεως, ικανό να ανταποκρίνεται σε όλες τις ανωτέρω συνιστώσες και υπηρεσίες. Το πρωτόκολλο βασίζεται σε ένα σύνολο χαρακτηριστικών μεταφοράς, κοινό για όλες τις συνιστώσες, όπως η χαρακτηριστική καμπύλη, η μεταφορά υψηλής αντίθεσης, η μεταφορά χαμηλής αντίθεσης, ο θόρυβος, η ομοιογένεια και η γεωμετρική παραμόρφωση, καθώς και σε χαρακτηριστικά εξειδικευμένα για κάθε συνιστώσα. Η εφαρμογή του πρωτοκόλλου στηρίζεται στη χρήση ψηφιακών ομοιωμάτων (digital test objects) που σχεδιάζονται με χρήση λογισμικού που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Η εφαρμοσιμότητα του πρωτοκόλλου πιστοποιήθηκε σε: (α) τρεις ψηφιοποιητές ιατρικού φιλμ (Lumiscan 75, Lumiscan 20 και Agfa DuoScan), (β) δύο οθόνες ψηφιακής παρουσίασης (Sony E500 και Samsung 950p), (γ) δύο εκτυπωτές ιατρικού φιλμ (Agfa DrayStar 200 και Kodak DrayView 8100) και (δ) δύο αλγορίθμους συμπίεσης (OTE-TS JPEG και Pegasus wavelet-based), που χρησιμοποιούνται ή προτείνονται για χρήση σε ιατρικά απεικονιστικά συστήματα. Ειδικότερα ελέγχθηκαν: (ι) η πληρότητα του κοινού συνόλου χαρακτηριστικών μεταφοράς, (ιι) η ευαισθησία τους, δηλαδή η ικανότητα διαφοροποίησης μεταξύ συνιστωσών της ίδιας κατηγορίας και (ιιι) η προσαρμοστικότητα των ψηφιακών ομοιωμάτων στις τεχνικές προδιαγραφές των επιμέρους συνιστωσών. Από τους ψηφιοποιητές ιατρικού φιλμ που ελέγχθηκαν, ο Lumiscan 75 έχει καλύτερη απόδοση ως προς την χαρακτηριστική καμπύλη και το θόρυβο. Ο ψηφιοποιητής Agfa DuoScan έχει καλύτερη απόδοση ως προς την μεταφορά υψηλής αντίθεσης. Ως προς την μεταφορά χαμηλής αντίθεσης, ο ψηφιοποιητής Agfa DuoScan έχει καλύτερη απόδοση για χαμηλές οπτικές πυκνότητες, μέχρι 1.8. o.d. μονάδες, ενώ ο ψηφιοποιητής Lumiscan 75 έχει καλύτερη απόδοση για υψηλές οπτικές πυκνότητες. Ο ψηφιοποιητής Lumiscan 20, έχει γραμμική χαρακτηριστική καμπύλη και ικανοποιητικό χειρισμό θορύβου για οπτικές πυκνότητες μικρότερες από 2.8 o.d. μονάδες, αλλά χαρακτηρίζεται από χαμηλή απόδοση ως προς την μεταφορά υψηλής αντίθεσης. Σχετικά με την απόδοση οθονών η Sony E500 έχει καλύτερη απόδοση, όμως και οι δύο οθόνες χαρακτηρίζονται από χαμηλή απόδοση ως προς την χαρακτηριστική καμπύλη και την μεταφορά υψηλής και χαμηλής αντίθεσης. Σχετικά με την απόδοση εκτυπωτών ιατρικού φιλμ ο Kodak DrayView 8100 να έχει καλύτερη απόδοση ως προς την χαρακτηριστική καμπύλη και την μεταφορά υψηλής και χαμηλής αντίθεσης. Ως προς τους αλγορίθμους συμπίεσης, επιβεβαιώθηκε το οπτικά αντιστρέψιμο κατώφλι (visually lossless threshold) του αλγορίθμου JPEG (OTE-TS υλοποίηση), με λόγο συμπίεσης 15:1, που αντιστοιχεί σε ανίχνευση πνευμονικών αλλοιώσεων χαμηλής αντίθεσης στην ακτινογραφία θώρακος. Για τον αλγόριθμο wavelet που μελετήθηκε (Pegasus Imaging Corp. υλοποίηση), ο οποίος είναι συμβατός με το πρότυπο JPEG 2000 ως προς το φίλτρο wavelet, προτείνεται οπτικά αντιστρέψιμο κατώφλι με λόγο συμπίεσης 35:1, στην περίπτωση ανίχνευσης ομάδων αποτιτανώσεων στη μαστογραφία. Με τη χρήση κριτηρίου αντίληψης υποβάθμισης ποιότητας εικόνας (perceptibility criterion for image quality degradation) το κατώφλι μειώνεται σε 30:1. Τα κατώφλια επιβεβαιώθηκαν και με ανάλυση ROC, η οποία ανάδειξε το οπτικά αντιστρέψιμο κατώφλι για ανίχνευση ομάδων αποτιτανώσεων σε 40:1, ενώ με τη διαβάθμιση ποιότητας εικόνας από τους παρατηρητές, το κατώφλι μειώνεται σε 25:1. Τα αποτελέσματα συγκριτικής απόδοσης των ψηφιοποιητών, των οθονών και των εκτυπωτών ανάδειξαν ότι το προτεινόμενο πρωτόκολλο ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις των ανωτέρω συνιστωσών. Ως προς τους αλγόριθμους συμπίεσης, το προτεινόμενο πρωτόκολλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για: (α) βελτιστοποίηση των αλγορίθμων κατά τη διαδικασία ανάπτυξης, (β) συγκριτικό έλεγχο μεταξύ διαφορετικών αλγορίθμων, και (γ) αποδοτική σχεδίαση μελέτης ROC, μέσω του περιορισμού του εύρους των λόγων συμπίεσης. Η ευρεία εφαρμοσιμότητα του προτεινόμενου πρωτοκόλλου βασίζεται στο κοινό σύνολο χαρακτηριστικών μεταφοράς για συνιστώσες και υπηρεσίες, και ενδυναμώνεται με την χρήση ψηφιακών ομοιωμάτων. Ο σχεδιασμός των ψηφιακών ομοιωμάτων επιτρέπει την προσαρμογή τους στις ανάγκες του χρήστη και των τεχνικών προδιαγραφών της κάθε συνιστώσας.

Αρκετές έρευνες, παλαιές και πιο πρόσφατες, έχουν ασχοληθεί με την αξιολόγηση της ποιότητας της εικόνας των απεικονιστικών συστημάτων πυλαίας απεικόνισης (EPID). Έχουν επίσης, δημοσιεύσει αποτελέσματα ποιοτικών μετρήσεων όπως MTF, DQE, CNR και SNR. Ωστόσο, σε αυτές τις μελέτες η επίδραση των διαφόρων ενεργειών δεν αξιολογήθηκε συστηματικά[G.Jarry and F.Verhaegen, 2005]. Επιπλέον, ελάχιστες εργασίες έχουν χρησιμοποιήσει το ομοίωμα QC-3 για τις αντίστοιχες μελέτες ποιοτικής αξιολόγησης[Filipe Martins Garcia de Moura, 2008, Poonam Yadav et al, 2010]. Το προαναφερθέν ομοίωμα χρησιμοποιείται επί το πλείστον, κλινικά, για τον προσδιορισμό θέσης του ασθενούς[U. Ramm et al, 2013]. Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την πειραματική αξιολόγηση της ποιότητας της εικόνας των συστημάτων πυλαίας απεικόνισης (Portal Imaging). Η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ποιοτικών δεικτών όπως είναι, η Συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF), Φάσμα ισχύος θορύβου (NPS), Κανονικοποιημένο φάσμα ισχύος του θορύβου (NNPS), Σχετική Ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα (R-DQE), Λόγος αντίθεσης προς θόρυβο (CNR), Λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR), Δείκτης Ποιότητας Εικόνας (FIQ). To MTF υπολογίστηκε με χρήση του Συνάρτηση τετραγωνικής απόκρισης (SWRF), το NPS υπολογίστηκε μέσω του μετασχηματισμού Fourrier στην περιοχή ενδιαφέροντος της ακτινοβολούμενης εικόνας, το R-DQE υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας το MTF και το κανονικοποιημένο NPS, το SNR υπολογίστηκε από το κλάσμα, με αριθμητή τη τιμή του κάθε εικονοστοιχείου του σημείου ενδιαφέροντος της εικόνας και παρανομαστή την τυπική απόκλιση της αντίστοιχης περιοχής ενδιαφέροντος, το CNR υπολογίστηκε από την διαίρεση της αντίθεσης της περιοχής ενδιαφέροντος με τον στατιστικό θόρυβο, το FIQ υπολογίστηκε από το MTF της κάθε χωρικής συχνότητας διαιρούμενη με τον συντελεστή μεταβλητότητας (Coefficient of Variation (CV)). Οι προαναφερθέντες ποιοτικοί δείκτες χρησιμοποιήθηκαν σε ψηφιακές εικόνες DICOM χρησιμοποιώντας το εξειδικευμένο QC-3 test phantom. Πραγματοποιήθηκαν 48 απεικονίσεις, σε συνθήκες Ακτινοθεραπείας (20x20cm2, SSD=100cm), του εν λόγω φάντομ για έναν αριθμό από Monitor Units (MUs), για διάφορους Ρυθμούς δόσης (DR) και χρησιμοποιώντας 4 διαφορετικές ενέργειες. Συμπερασματικά διαπιστώθηκε ότι η ποιότητα της εικόνας βελτιώνεται όσο αυξάνουν τα MUs και τα DR, αλλά παρατηρήθηκε μία μικρή υποβάθμιση της εικόνας στις χαμηλές χωρικές συχνότητες. Για το ίδιο απεικονιστικό σύστημα, στα 6MV, με χαμηλές τιμές DR το CNR και το SNR είναι αυξημένο. Ενώ, συγκρίνοντας την ενέργεια δέσμης 6MV με 18MV, παρατηρήθηκε ότι το SNR και το CNR είναι υψηλότερα στα 6MV. Για τέσσερις διαφορετικές ενέργειες δέσμης φωτονίων παρατηρήθηκε παρόμοια συμπεριφορά του R-DQE στις τρεις ενέργειες(10MV, 15MV, 18MV), στα 6MV το R-DQE είχε φθίνουσα πορεία. Στα γραφήματα R-DQE για ίδιο DR υπήρξε μία μικρή διαφοροποίηση, αυξήθηκαν σε μικρό ποσοστό οι τιμές του R-DQE για τα 6MV και 18MV. / Several studies, older and more recent, have dealt with the evaluation of image quality of portal imaging systems (EPID). They also publish qualitative measurements such as MTF, DQE, CNR and SNR. However, in these studies the effect of different actions was not evaluated systematically [G.Jarry and F.Verhaegen, 2005]. Moreover, few works have used the QC-3 phantom for the respective quality evaluation studies [Filipe Martins Garcia de Moura, 2008, Poonam Yadav et al, 2010]. The phantom is used mostly clinically, for positioning the patient [U. Ramm et al, 2013]. This thesis concerns the experimental evaluation of the image quality of portal imaging systems (Portal Imaging). The evaluation was conducted using qualitative indicators such as the modulation transfer function (MTF), noise power spectrum (NPS), Normalized power spectrum of noise (NNPS), Relative detective quantum efficiency (R-DQE), contrast to noise ratio (CNR), Signal to Noise Ratio (SNR), Image Quality Index (FIQ). The MTF was calculated using the square wave response function (SWRF), the NPS was calculated via Fourrier transform the region of interest of the image radiated, the R-DQE was calculated using the MTF and the normalized NPS, the SNR calculated from the fraction with the numerator value of each pixel point of interest of the image and the denominator as the standard deviation of the corresponding region of interest, the CNR was calculated by dividing the contrast of the region of interest with the statistical noise, FIQ was calculated from the MTF of each spatial frequency divided by the coefficient of variation (Coefficient of Variation (CV)). The quality indicators were used in digital DICOM images using the specialized QC-3 test phantom. There were 48 displays, under Radiotherapy conditions (20x20cm2, SSD = 100cm), of that phantom for a variety of Monitor Units (MUs), for various dose rate (DR) and using 4 different energies. In conclusion, it was found that the image quality is improved by increasing the MUs and DR, but a small deterioration in the image was observed in low spatial frequencies. At the same imaging system at 6MV, low DR values the CNR and SNR were increased. While comparing the energy beam 6MV to 18MV, it was observed that the SNR and CNR were higher at 6MV. For four different photon energy beams were observed a similar behavior of R-DQE at three energy beams (10MV, 15MV, 18MV), at 6MV the R-DQE was declining. In the R-DQE graphs at the same DR there was a slight differentiation. The R-DQE was increased at small percentage rates for 6MV and 18MV.

Η ψηφιακή τομοσύνθεση στην τρισδιάστατη απεικόνιση μαστών, είναι μια μέθοδος ανακατασκευής οποιουδήποτε αριθμού τομογραφικών επιπέδων τυχαίου προσανατολισμού, στη βάση ψηφιοποιημένων προβολικών εικόνων της εξεταζόμενης περιοχής, που λαμβάνονται κατά την διάρκεια της περιστροφής του συστήματος ακτινολογική λυχνία-ενισχυτής εικόνας με κέντρο το ισόκεντρο του μηχανήματος και κατά το προεπιλεγμένο τόξο. Δυστυχώς, σε περιπτώσεις αυξημένης πυκνότητας μαστών, η ποιότητα των ανακατασκευασμένων επιπέδων επηρεάζεται από θόρυβο, λόγω των επιπροβαλλόμενων στοιχείων υπερκείμενων ή υποκείμενων επιπέδων. Το αντικείμενο που πραγματεύεται η εργασία, είναι η μελέτη διαφόρων τεχνικών επεξεργασίας των τομών, που θα μπορούσαν να αφαιρέσουν το θόρυβο από τα ανακατασκευασμένα επίπεδα και να βελτιώσουν την ποιότητά τους. Για αυτόν το λόγο, δημιουργήθηκαν τρία πειραματκά phantoms διαφορετικής πολυπλοκότητας, στα οποία προστέθηκαν δυσμορφίες που αντιπροσωπεύουν μικρές ασβεστοποιήσεις και μάζες χαμηλής αντίθεσης. Στη συνέχεια, υποβλήθηκαν στην προσομειωμένη απεικόνιση με ακτίνες Χ, προκειμένου να παραχθεί ένα σύνολο προβολικών εικόνων σε τόξο εύρους από -20° έως +20° κάθε 2°. Οι ακτινοβολημένοι όγκοι ανακατασκευάστηκαν μέσω του αλγόριθμου πολλαπλών προβολών (MPA), γραμμένο σε Matlab. Οι ανακατασκευασμένες φέτες έχουν πλάτος λιγότερο από 1mm, προκειμένου να ανιχνευθούν μικρές ασβεστοποιήσεις. Αναπτύχθηκαν και αξιολογήθηκαν πειραματικά δύο αλγόριθμοι για την περαιτέρω επεξεργασία των λαμβανόμενων τομών. Ο πρώτος είναι βασισμένος στην λογαριθμική μέθοδο αφαίρεσης δομών που βρίσκονται εκτός επιπέδου ενδιαφέροντος, συνδυάζοντας τεχνικές τονισμού της εικόνας. Η δεύτερη τεχνική εκτελεί το φιλτράρισμα της εικόνας, συγκρίνοντας τις τιμές των pixel, σε όλο τoν όγκο προς ανακατασκευή. Η ποιότητα της εικόνας καθορίστηκε μέσω της οπτικής αξιολόγησης των ανακατασκευασμένων επιπέδων καθώς και τον υπολογισμό του CNR. Και οι δύο αξιολογήσεις κατέδειξαν καλή διαχωριστική και αφαίρετική ικανότητα του τομογραφικού θορύβου. Το MPA σε συνδυασμό με τους προτεινόμενους αλγορίθμους αφαίρεσης θορύβου, μείωσε τον τομογραφικό θόρυβο στις ανακατασκευασμένες εικόνες και αύξησε το CNR. Περαιτέρω μελέτες θα περιλαμβάνουν την ανάπτυξη ενός γενικευμένου αλγορίθμου αφαίρεσης θορύβου που θα συνδυάσει τις προτεινόμενες δύο τεχνικές. / Digital tomosynthesis for breast imaging is a method of reconstructing any number of tomographic planes, by using a set of limited angle projections, acquired as the X-ray source moves in an arc around the breast. Unfortunately, in case of dense breasts, the quality of the reconstructed planes is affected by structured noise, due to blur from planes other than the fulcrum plane. The purpose of this project is to study different post-processing techniques that could remove the noise from the reconstructed planes and improve their quality. For this purpose, three software phantoms of different complexity with inserted abnormalities that represent small micro calcifications and low-contrast masses were created. Subsequently, they were subjected to x-ray imaging simulation in order to produce a set of projection images in the gantry arc from -200 to 200 every 20. The irradiated volumes were reconstructed with the Multiple Projections reconstruction Algorithm (MPA) written in Matlab. Reconstructed slices were with width of less than 1mm width, in order to detect the small microcalcifications. Two algorithms for removing unwanted structured noise were explored. The first one is based on the iterative logarithmic subtraction method of unrelated structures combined with image enhancement techniques. The second technique performs a filtering action based on a pixel intensity value comparison, throughout the phantom volume. Image quality was assessed by evaluation of the reconstructed planes in terms of both visual assessment and contrast to noise ratio (CNR). Both evaluations demonstrated good noise discrimination and elimination, followed by an improvement of the contrast and visibility of abnormalities in tomograms. The MPA followed by the proposed noise removal algorithms resulted in less noisy tomosynthesis images, higher CNR and feature contrast for both low- and high contrast details. Further studies include developing of a generalised noise removal algorithm that will combine the proposed two techniques.

- / -

- / -

Στη διπλωματική αυτή εργασία μελετάται η πιο απλή περίπτωση από τις νηματοποιήσεις του Hopf και παράλληλα η γεωμετρική δομή της τρισδιάστατης σφαίρας. Για το σκοπό αυτό εισάγονται οι έννοιες των κβατερνίων και βασικά στοιχεία από τη θεωρία πολλαπλοτήτων. / An introduction of the simplest Hopf fibration and an elementary study of the 3-sphere are the basic aims of this graduation thesis. Besides, quaternions and elements of manifold theory are widely used.

Η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (MRI) βασίζεται στο φυσικό φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR). Ενώ το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό από το 1950, η πρώτη μαγνητική τομογραφία σε άνθρωπο διενεργήθηκε μόλις το 1977. Η δεκαετία του '80 ήταν η δεκαετία που τα συστήματα MRI άρχισαν να εξελίσσονται ταχύτατα και η εξέλιξη αυτή συνεχίζεται ακόμη και σήμερα. Στις μέρες μας, τα σύγχρονα συστήματα MRI κάνουν πολύ περισσότερα από απλή απεικόνιση, με τη μαγνητική τομογραφία διάχυσης, τη φασματοσκοπία και τη λειτουργική μαγνητική τομογραφία να αποτελούν νέες και πολλά υποσχόμενες εφαρμογές. Τα συστήματα MRI δεν χρησιμοποιούν ιοντίζουσα ακτινοβολία, αλλά μαγνητικά πεδία και ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην περιοχή των ραδιοσυχνοτήτων. Αυτός είναι πιθανώς ο λόγος για τον οποίο τα συστήματα MRI δεν είχαν τύχει τόσης προσοχής όπως τα συστήματα υπολογιστικής τομογραφίας, όσον αφορά τους κανονισμούς που διέπουν την ασφάλεια της χρήσης τους για χρήση σε εξετάσεις ασθενών. Ωστόσο, δεδομένου ότι η απεικόνιση χρησιμοποιείται για τη διάγνωση και μια λανθασμένη διάγνωση μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένη θεραπεία ή την απουσία θεραπείας, τα οποία με τη σειρά τους μπορεί να οδηγήσουν σε μη αναστρέψιμη βλάβη για την υγεία των ασθενών ή ακόμα και στο θάνατο, η Αμερικανική Ένωση Φυσικών Ιατρικής (AAPM) είχε προτείνει μεθόδους για τον έλεγχο της ποιότητας εικόνας από τις αρχές της δεκαετίας του 1990. Το Αμερικανικό Κολλέγιο Ακτινολογίας (ACR), είχε επίσης συμβάλει στην προσπάθεια αυτή από την αρχή της νέας χιλιετίας, προτείνοντας μεθόδους ελέγχου της ποιότητας εικόνας για τη δημιουργία ενός προγράμματος πιστοποίησης για τις εγκαταστάσεις MRI. Το 2010 η AAPM δημοσίευσε μια έκθεση (AAPM report No. 100) με τίτλο «Έλεγχοι αποδοχής και διαδικασίες διασφάλισης ποιότητας για εγκαταστάσεις απεικόνισης μαγνητικής τομογραφίας», το οποίο περιγράφει τις διαδικασίες για τον έλεγχο της απόδοσης των μαγνητικών τομογράφων, αλλά και τις διαδικασίες που αφορούν άλλα ζητήματα ασφάλειας για τους ασθενείς και το προσωπικό. Στην Ελλάδα μέχρι πρόσφατα, οι εγκαταστάσεις MRI - σε αντίθεση με τους υπολογιστικούς τομογράφους και όλα τα άλλα ακτινολογικά συστήματα - ήταν εκτός της εποπτείας της Ελληνικής Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας (Ε.Ε.Α.Ε.) και της Ένωσης Φυσικών Ιατρικής Ελλάδος (Ε.Φ.Ι.Ε.). Ωστόσο, από τις αρχές του 2013, η E.E.A.E. έχει προτείνει ένα πρόγραμμα διαπίστευσης (με βάση την έκθεση AAPM Νο. 100) που πρέπει να εφαρμόζεται σε όλες τις καινούριες εγκαταστάσεις MRI. Αυτό το πρόγραμμα πιστοποίησης σταδιακά θα εφαρμοστεί και σε παλαιότερες εγκαταστάσεις. Ο στόχος είναι μέσα σε 5 χρόνια το πολύ, όλες οι εγκαταστάσεις MRI να είναι διαπιστευμένες όπως ισχύει εδώ και πολλά χρόνια για τις εγκαταστάσεις υπολογιστικής τομογραφίας. Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να συνοψίσει το βασικό θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο στηρίζεται η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, για να βοηθήσει τους Φυσικούς Ιατρικής οι οποίοι δεν έχουν εξειδικευτεί στα συστήματα αυτά, να κατανοήσουν τις αρχές της λειτουργίας τους, ιδίως εκείνες που σχετίζονται με τον τρόπο δημιουργίας των διαγνωστικών εικόνων. Στο επόμενο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η AAPM report No. 100 (μεταφρασμένη στα Ελληνικά), προκειμένου να θέσει τις βάσεις για την κατανόηση των διαδικασιών που χρησιμοποιούνται για τους ποιοτικούς ελέγχους (QC), αλλά και άλλα θέματα που αφορούν στην ασφάλεια λειτουργίας των συστημάτων MRI. Στο τελευταίο κεφάλαιο, παρουσιάζεται η εφαρμογή αυτών των διαδικασιών σε μια υπάρχουσα εγκατάσταση MRI, ως ένα παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο εκτελούνται οι διαδικασίες QC και του τρόπου με τον οποίο οι εικόνες που προκύπτουν αξιολογούνται προκειμένου να εξαχθούν μετρήσιμες ποσότητες. Αυτές οι ποσότητες χρησιμοποιούνται ως δείκτες απόδοσης και ο Φυσικός Ιατρικής συγκρίνοντάς τις με καθορισμένα όρια, μπορεί να διαπιστώσει εάν το ελεγχόμενο σύστημα MRI πληροί τα καθορισμένα κριτήρια (κάτι που υποδηλώνει μια ικανοποιητική λειτουργία και ποιότητα απεικόνισης) ή εάν υπάρχουν ένα ή περισσότερα προβλήματα που οδηγούν σε μη αποδεκτή ποιότητα απεικόνισης και ως εκ τούτου απαιτούνται διορθωτικές ενέργειες. Στην τελευταία περίπτωση, ο έλεγχος που ανέδειξε το πρόβλημα θα πρέπει να επαναλαμβάνεται μετά από την όποια επισκευή, προκειμένου να διαπιστωθεί εάν το σύστημα MRI είναι κατάλληλο να χρησιμοποιηθεί για διάγνωση. / Magnetic Resonance Imaging (MRI) is based on the physical phenomenon of Nuclear Magnetic Resonance (NMR). While this phenomenon has been known since the 1950s, the first MRI scan was performed on a human being just in 1977. The 80’s was the decade that MRI systems started to evolve rapidly and this evolution still goes on. Nowadays, modern MRI systems do so much more than simple imaging, with diffusion MRI, MRI spectroscopy and functional MRI being the new promising applications. MRI scanners do not use ionizing radiation but magnetic fields and electromagnetic waves in the range of radiofrequencies. This is probably the reason why the MRI scanners did not attract so mach attention as CT scanners did, in terms of regulations regarding the safety of their use for patient scanning. However, since imaging is used for diagnosis and a wrong diagnosis can result to a wrong therapy or no therapy at all, which in turn may result to irreversible damage in the patient health or even to death, the American Association of Physicists in Medicine (AAPM) had proposed methods for testing the image quality from the early 1990s , . The American College of Radiology (ACR) has also contributed to this effort in the beginning of the new millennium, proposing image quality control methods to establish an accreditation program for MRI facilities , . In 2010 the AAPM published a report (AAPM REPORT NO. 100) with title “Acceptance Testing and Quality Assurance Procedures for Magnetic Resonance Imaging Facilities”, which describes procedures for testing the performance of MRI scanners, but also procedures concerning other safety issues for the patients and the personnel. In Greece until recently, MRI facilities – in contrast to CT scanners and all the other radiological equipment - were beyond the supervision of the Greek Atomic Energy Commission (Ε.Ε.Α.Ε.) and the Greek Association of Physicist in Medicine (Ε.Φ.Ι.Ε.). However, from the beginning of 2013, E.E.A.E. has proposed an accreditation program (based on the AAPM report No. 100) to be applied in all new MRI facilities. This accreditation program will progressively applied in older MRI facilities as well. The goal is within 5 years at most, all MRI facilities be accredited in the same way that CT scanners are. The purpose of this MSc thesis was to review the basics of MRI theory, to help Medical Physicists which are not experts in MRI, understand the principles of its operation, especially those related to the production of diagnostic images. In the next chapter the AAPM No. 100 report is presented (translated in Greek), in order to set the foundations for understanding the procedures used for quality control (QC) purposes but also other MRI operation safety issues. In the last chapter, an application of these procedures to an existing MRI installation is presented, as an example of the way that QC procedures are performed and the way that the resulting images are evaluated to result to measurable quantities. These quantities are used as performance indices and when compared to established limits, may inform the Medical Physicist whether the tested MRI systems satisfies the established criteria indicating an acceptable performance or whether one or more problems exist that result to suboptimal image quality and therefore corrective actions should be taken. In the latter case the failed test should be repeated after the field service engineers have corrected the problem, in order to ascertain that the MRI system is eligible to be used for medical diagnosis.

Δεδομένης και της χρήσης της τεχνικής SPECT, ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση του κατά πόσο μπορούν, συνδυαστικά, οι 5 αυτές τεχνικές να δείξουν μία πιο σαφή εικόνα στη διαφορική διάγνωση όγκων του ΚΝΣ. Συνδυάζοντας τα δεδομένα που θα ληφθούν από τις μετρήσεις θα δημιουργηθεί μια μικρή βάση δεδομένων η οποία ως απώτερο στόχο θα έχει τη διεύρυνσή της στο μέλλον και συνεπώς την εξαγωγή ασφαλέστερων συμπερασμάτων. / Combination and evaluation of advanced MR techniques (MRS, DWI, DTI, PWI) and Scintigraphy in the differential diagnosis of Central Nervous System tumors.

The ability of culturing cells in vitro has given many advantages in biological research and has become a standard methodology in drug discovery and toxicology. However traditional culturing methods give limited possibilities comparing to microfluidic systems. In order to understand the cellular mechanisms of Natural killers against virus infected cells and tumors, we developed a method for observing in parallel, high numbers of individual Natural killer-target cell conjugates in confined regions. An important advantage of this method is that it gives the possibility to keep track of large numbers of specific conjugates in a time scale of several days. Thus live cell imaging of NK-Target cell interactions in multi-well microstructures, can offer valid statistical information about NK cells processes that can lead to a better understanding of the function and regulation of the immune system. / Ανοσολογία είναι ο επιστημονικός κλάδος που διερευνά τους σύνθετους μηχανισμούς με τους οποίους το ανθρώπινο σώμα αντιδρά και καταπολεμά μολύνσεις ή δυσλειτουργίες που προέρχονται είτε από παθογόνα ή από μεταλλάξεις των κυττάρων του ίδιου του οργανισμού. Οι αντιδράσεις του ανοσοποιητικού συστήματος διαχωρίζονται σε εγγενείς και προσαρμοσμένες άνοσες αντιδράσεις ανάλογα με την ταχύτητα και την εξειδίκευση των αντιδράσεων αυτών ενάντια στα παθογόνα. Το εγγενές ανοσοποιητικό σύστημα αντιδρά άμεσα και συνήθως είναι αρκετά αποτελεσματικό ώστε να εξοντώσει το παθογόνο πριν προκαλέσει αρρώστια. Σε περιπτώσεις όπου η δραστικότητα το εγγενούς δεν είναι επαρκής, το προσαρμοσμένο ανοσοποιητικό σύστημα ενεργοποιείται με την βοήθεια του εγγενούς και χρησιμοποιώντας πολύ συγκεκριμένους μηχανισμούς με τη βοήθεια των οποίων παύει η διαδικασία της μόλυνσης. Τα φυσικά κύτταρα δολοφόνοι (Natural killer cells-NK) ανήκουν στο εγγενές ανοσοποιητικό σύστημα και παίζουν σημαντικό ρόλο στην προστασία του οργανισμού και την ρύθμιση του ανοσοποιητικού συστήματος. Βασικός στόχος της διπλωματικής εργασίας είναι η διερεύνηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ φυσικών κυττάρων δολοφόνων και κυττάρων στόχων. Τα κύτταρα στόχοι είναι είτε κύτταρα μολυσμένα με ιούς ή καρκινικά κύτταρα. Η αρχική υπόθεση ήταν ότι οι πληροφορίες σχετικά με τις λειτουργίες των NK κυττάρων είναι ευκολότερο να καταγραφούν και να αναλυθούν εκτενέστερα, αν μεγάλος αριθμός μεμονωμένων ζευγών ΝΚ-στόχων παρατηρηθούν ξεχωριστά σε περιορισμένο μικρόχωρο. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού χρησιμοποιήθηκαν μικροσυσκευές πολυκυψελών εντός των οποίων καλλιεργήθηκαν ξεχωριστά για αρκετές μέρες κύτταρα στόχοι και κύτταρα δολοφόνοι, έτσι ώστε να ελεγχθεί η ζωτικότητα και η λειτουργικότητα των κυττάρων μέσα στους μικρόχωρους. Πιο συγκεκριμένα, για τον έλεγχο αυτό τα κύτταρα τοποθετήθηκαν στις κυψέλες και καλλιεργήθηκαν για 3-4 ημέρες. Κάθε μέρα μία συγκεκριμένη περιοχή της μικροσυσκευής παρατηρήθηκε σε απλό οπτικό μικροσκόπιο και τα κύτταρα μέσα στις κυψέλες μετρήθηκαν. Τα δεδομένα καταγράφηκαν σε μορφή πινάκων και επεξεργάστηκαν στο MatLab. Τα ιστογράμματα που κατασκευάστηκαν έδειξαν ότι η κατανομή των κυττάρων μέσα στις κυψέλες μεταβάλεται και ο συνολικός αριθμός τους αυξάνεται. Τα πειράματα σχετικά με τον έλεγχο του πολλαπλασιασμού των κυττάρων πραγματοποιήθηκαν για 3 διαφορετικούς τύπους, 221Cw6, Nishi και NKL. Εφόσον πρώτα έγινε ο έλεγχος βίο-συμβατότητας των κυττάρων στις μικροκυψέλες, στη συνέχεια κύτταρα δολοφόνοι και κύτταρα στόχοι επεξεργάστηκαν με ειδικές φθορίζουσες βαφές, τοποθετήθηκαν στις μικροσυσκευές και παρατηρήθηκαν με τη χρήση συνεστιακού φθορίζοντος μικροσκοπίου. Με χρήση ειδικής λειτουργίας του μικροσκοπίου, εικόνες συλλέχθηκαν κάθε1-3 λεπτά για 6-12 ώρες. Με τη χρήση της λειτουργίας αυτής ήταν δυνατή η παρακολούθηση των κινήσεων των κυττάρων μέσα στις κυψέλες και η καταγραφή της συμπεριφοράς τους και των γεγονότων κατά την διάρκεια του πειράματος. Έχοντας μεγάλο αριθμό κυψελών (60-100) σε κάθε πείραμα, υπήρξε η δυνατότητα παρατήρησης μεγάλου αριθμού γεγονότων εκ των οποίων κάποια ήταν εξαιρετικά σπάνια η ακόμα και μοναδικά. Λεπτομέρειες σχετικά με την μεθοδολογία των πειραμάτων, την καταγραφή και ανάλυση των αποτελεσμάτων, αναγράφονται αναλυτικά και επεξηγούνται στην παρούσα εργασία.