Η υπολογιστική τομογραφία διπλής ενέργειας είναι μια σύγχρονη και συνεχώς εξελισσόμενη τεχνική, η οποία ενισχύει την διαφοροποίηση υλικών, βασιζόμενη στις φασματικές τους ιδιότητες. Φασματική απεικόνιση στην υπολογιστική τομογραφία απαιτεί τη χρήση δυο διαφορετικών ενεργειακών φασμάτων, και μπορεί να διαχωρίσει υλικά τα οποία διαφέρουν σημαντικά στον ατομικό τους αριθμό. Για το λόγο αυτό το ιώδιο (Ζ=53), το οποίο χρησιμοποιείται ως σκιαγραφική ουσία, καθώς και το οστό και οι ασβεστώσεις, τα οποία περιέχουν ασβέστιο (Ζ=20) σε μεγάλο ποσοστό, μπορούν να είναι διακριτά από τα υπόλοιπα στοιχεία τα οποία αποτελούν το ανθρώπινο σώμα, όπως υδρογόνο (Ζ=1), οξυγόνο (Ζ=8), άνθρακα (Ζ=6) και άζωτο (Ζ=7), τα οποία είναι υλικά χαμηλού ατομικού αριθμού. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν τρεις διαφορετικές τεχνολογίες υπολογιστικής τομογραφίας διπλής ενεργείας. Ο τομογράφος με ανιχνευτή δυο στρωμάτων, ο οποίος χρησιμοποίει μια λυχνία ακτίνων Χ και ένα ανιχνευτή με δύο στρώματα σπινθηρισμού τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο. Το πάνω στρώμα απορροφά τα μεγαλύτερο μέρος φωτονίων χαμηλής ενέργειας, ενώ το κάτω τα εναπομείναντα φωτόνια υψηλής ενέργειας, κάνοντας λήψη δυο σειρών δεδομένων διαφορετικών ενεργειών ταυτόχρονα. Η δεύτερη τεχνολογική προσέγγιση είναι μέσω ταχύτατης εναλλαγής της τάσης της λυχνίας. Με αυτό τον τρόπο γίνεται λήψη δυο σειρών δεδομένων διαφορετικών ενεργειών, μεταβάλλοντας τη τάση της λυχνίας από χαμηλή σε υψηλή μέσα σε μια μόνο περιστροφή. Τέλος ο τρίτος υπολογιστικός τομογράφος διπλής ενεργείας, ο οποίος χρησιμοποιείται και σε αυτή τη μελέτη, είναι ο τομογράφος δύο λυχνιών, οποίος αποτελείται από δυο λυχνίες ακτίνων Χ και δυο ανιχνευτές. Οι δύο λυχνίες μπορούν να λειτουργήσουν σε διαφορετικά kV ανεξάρτητα η μία από την άλλη, λαμβάνοντας δύο σειρές δεδομένων διαφορετικών ενεργειών ταυτόχρονα. Όταν ο υπολογιστικός τομογράφος δυο λυχνιών χρησιμοποιείται για λήψη εικόνων διπλής ενέργειας, η μια λυχνία λειτουργεί στα 80 kV και η άλλη στα 140 kV. Σε αυτή τη μελέτη εξετάστηκε η συμπεριφορά σε δύο ενέργειες μέσω μια σειράς πειραμάτων, υλικών όπως, πολυμερών ισοδύναμων με μαλακούς ιστούς και οστό, καθώς επίσης, συγκεντρώσεων ιωδίου και ασβεστίου. Χρησιμοποιήθηκαν δυο πρωτόκολλα λήψεων, ένα μιας ενέργειας με λήψεις στα 80, 100, 120, και 140 kV, καθώς και ένα πρωτόκολλο διπλής ενέργειας. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν μετρήθηκαν οι αριθμοί CT των υλικών, ο θόρυβος, η αντίθεση και ο λόγος αντίθεσης προς θόρυβο. Επίσης έγινε σύγκριση ως προς τα παραπάνω χαρακτηριστικά ποιότητα εικόνας με βάση τους παραπάνω δείκτες μεταξύ της συμβατικής 120 kV εικόνας και της ανακατασκευασμένης διπλής ενέργειας “virtual 120” kV. Η λεγόμενη “virtual 120” kV, μια αναμεμιγμένη εικόνα, κατασκευασμένη από δυο σειρές δεδομένων διαφορετικών ενεργειών, με γραμμικό συνδυασμό . Επιπλέον διερευνήθηκαν και συγκρίθηκαν ως προς τη ποιότητα εικόνας όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί των δυο σειρών δεδομένων ενέργειας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μόνο υλικά υψηλού ενεργού ατομικού αριθμού, όπως το οστό και οι υψηλές συγκεντρώσεις ιωδίου 17, 25 και 35 mg/ml, καθώς και ασβεστίου 200, 250 και 300 mg/ml, είχαν ενισχυμένη αντίθεση στα 80 kV. Αξίζει να σημειωθεί ότι για μικρές συγκεντρώσεις ,όπως 1.25, 2.5, 3.5 mg/ml και 45, 83 mg/ml ιωδίου και ασβεστίου αντιστοίχως, η αντίθεση έχει συμπεριφορά μαλακού ιστού. Αντίθετα η τιμή του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο δεν είναι όσο υψηλή είναι η τιμή της αντίθεσης. Τα επίπεδα θορύβου της εικόνας στα 80 kV είναι τόσο υψηλά, με αποτέλεσμα οι τιμές του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο για όλα τα υλικά υψηλού ατομικού αριθμού να είναι χαμηλότερες στα 80 kV, συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες τιμές στις υπόλοιπες τάσεις, παρά το γεγονός ότι η τιμή της αντίθεσης είναι πολύ υψηλή στα 80 kV. Όσο αναφορά τη σύγκριση της 120 kV εικόνας με την λεγόμενη “virtual 120” kV, τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι οι τιμές αντίθεσης του οστού, καθώς επίσης και των συγκεντρώσεων ιωδίου και ασβεστίου, ήταν ισοδύναμες, αλλά η τιμή του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο της “virtual 120” kV εικόνας ήταν αρκετά χαμηλότερη σε σχέση με την 120 kV εικόνα. Τέλος το τρίτο πείραμα έδειξε ότι η τιμή της αντίθεσης αυξάνεται όσο αυξάνεται το ποσοστό της 80 kV πληροφορίας στη μεικτή εικόνα, ενώ ο λόγος αντίθεσης προς θόρυβο έχει ένα εύρος συνδυασμών που είναι υψηλός. Συγκεκραμένα οι γραμμικοί συνδυασμοί οι όποιοι είχαν τη μεγαλύτερη τιμή αντιθέσεις προς θόρυβο ήταν οι συντελεστές της 80 kV πληροφορίας από 0.4 έως 0.7. / Dual Energy Computed Tomography (DECT) is an evolving technique, which enhances material differentiation benefiting from the spectral properties of the materials. Spectral CT imaging requires the use of two different energy spectra, and it can distinguish elements, which differ considerably in atomic number. Therefore iodine (Z=53) which is used as contrast agent in CT scans, bone and plaque calcifications which contain calcium (Z=20), can be distinguished from other elements of which the human body consists, such as hydrogen (Z=1), oxygen (Z=8), carbon (Z=6) and nitrogen (Z=7), which are low atomic number elements. Currently there are three technical approaches of dual energy computed tomography. The dual layer detector system, which uses a single x-ray source and a detector with two scintillation layers one on top of one another. The top layer absorbs most of the low energy photons, while the bottom one the remaining high energy photons, acquiring two energy datasets simultaneously. The second technology of dual energy imaging is via fast kVp switching, which acquires two different energy spectra, alternating on a view by view basis between low and high kVp in a single rotation. Finally the third dual energy imaging technique, used in this study, is via the dual source CT system, which contains two x-ray tubes and two detectors. The two tubes can be operated independently at different kV. The dual source CT when it is used for dual energy scan is operated 80 kV/140 kV. Thus two dual energy datasets are acquired simultaneously. In this study the dual energy behavior of soft tissue equivalent materials, bone, iodine and calcium water solutions are examined through a series of experiments. Two acquisition protocols are used, a single energy at 80, 100, 120 and 140 kV, and a dual energy protocol. The CT numbers of these materials, as well as image noise, contrast and contrast to noise ratio are measured. Moreover comparison of these image quality features for standard single energy 120 kV image, which is the convention CT scan, and the “virtual 120” kV image is presented. The “virtual 120” kV is a blended image, reconstructed by the two dual energy datasets in a linear combination of In addition examination of all the possible linear combinations of the two dual energy datasets, and comparison in image quality, is presented. The results showed that only high Zeff materials had enhanced contrast at 80 kV, like bone, and the high iodine and calcium concentrations, such as 17, 25, and 35 mg/ml and 200, 250, and 300 mg/ml respectively. It is noteworthy that for small concentrations, such as 1.25, 2.5, 3.5 mg/ml and 45, 83 mg/ml of iodine and calcium respectively, contrast behavior is like the one of a soft tissue. Contrarily contrast to noise ratio is not as high as contrast at 80 kV. Image noise values at 80 kV are so high that CNR values for all high atomic number materials are lower at 80 kV compared to the ones of other voltages, despite the fact that contrast is very high at 80 kV. As it concerns the comparison of the single energy 120 kV image and the “virtual 120” kV, the results of the experiments showed that contrast values of bone, iodine and calcium concentrations, were equal, but contrast to noise ratio of the “virtual 120” was quite lower compared to the single energy 120 kV. Finally the third experiment showed that contrast values increase as the percentage of the 80 kV datasets increases in the blended image, while contrast to noise ratio has a range in which is higher. Specifically the linear combinations which had the highest CNR values were the ones with weighting factor of the 80 kV starting from 0.4 to 0.7.

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

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).