The work covered in this thesis deals with the problem of automatically registering 3D images acquired from different medical imaging modalities. The approach taken is to develop generic measures of image registration derived from the co-occurence of values in the two images. The development of statistical alignment measures is reviewed. The registration problem is then expressed in terms of entropy and developed using tools from information theory. The problem of the optimization of the registration process in the different types of algorithms is identified as important and the power of Genetic Algorithms is applied. The application of image registration techniques, implemented during this thesis, in complex situations is evaluated. The cases of patients with brain ischemia and brain tumour residual disease are elaborated. This is accomplished with the formation of Groupwares where the tacit knowledge, owned by the individual specialists that take part in the collaboration, is exposed and made explicit in the process of the evaluation of the findings, provided by the fused images. This is performed in a high performance computer network that has been developed between the Department of Medicine and the University Hospital. / Η παρούσα εργασία ασχολείται με το πρόβλημα της αυτοματοποιημένης προσαρμογής και σύντηξης τρισδιάστατων απεικονίσεων από διαφορετικές ιατρικές απεικονιστικές μεθοδολογίες.

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

Τα συστήματα ιατρικής απεικόνισης αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης ιατρικής επιστήμης. H ικανότητα να απεικονίζονται δομές και λειτουργικότητα ενός οργανισμού, χωρίς επεμβατικές τεχνικές, δίνει πληροφορίες, όχι μόνο για την διάγνωση και την θεραπεία, αλλά και πολύτιμα στοιχειά για την μελέτη και την εξέλιξη της επιστήμης. Η έρευνα επάνω στην ιατρική απεικόνιση καλύπτει ένα ευρύ φάσμα, από την ακτινοδιαγνωστική μέχρι την μαγνητική τομογραφία. Η εξέλιξη της τεχνολογίας μας δίνει συστήματα όπως Υπολογιστική τομογραφία, SPECT, Ανιχνευτές εξαΰλωσης ποζιτρονίου και Μαγνητική τομογραφία. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, μηχανήματα και τεχνικές συνδυάζονται, με γνώμονα τη βελτιστοποίηση της διαγνωστικής ποιότητας, λαμβάνοντας τα θετικά που μπορεί να δώσει μία τεχνική, και συμπιέζοντας τα αρνητικά χαρακτηριστικά αμφότερα. Ο στόχος είναι να λαμβάνουμε τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα, με μία μόνο εξέταση για μεγάλο εύρος ζητημάτων. Η ιατρική απεικόνιση δεν στοχεύει μόνο στην μορφολογική και ανατομική πληροφορία, αλλά επεκτείνεται και στην απεικόνιση της λειτουργικότητας του οργανισμού. Ως παράδειγμα μπορούμε να θέσουμε το εξής: Η αυξημένη κατανάλωση γλυκόζης από τα καρκινικά κύτταρα, δίνει την ευκαιρία με την χρήση του FDG, να απεικονιστούν οι κακοήθεις όγκοι με ένα σύστημα PET. Από την άλλη, η ανατομική πληροφορία που δίνει ένα απεικονιστικό σύστημα αποτελεί σημαντικό κριτήριο και για την διάγνωση αλλά και για την θεραπεία. Για αυτόν τον λόγο έχουν αναπτυχθεί υβριδικά μοντέλα απεικόνισης. Το πιο διαδεδομένο υβριδικό σύστημα ιατρικής απεικόνισης είναι το PET‐CT, που έχει καθολική αποδοχή στην σύγχρονη κλινική πράξη. Με την εφαρμογή του υπολογιστικού τομογράφου, έχουμε αποτελέσματα στον τομέα των δομικών πληροφοριών ενός οργανισμού, και με το PET, λαμβάνεται πληροφορία, σχετικά με την λειτουργικότητα του οργανισμού προς εξέταση. Επίσης ένα πολύ σημαντικό επίτευγμα είναι ότι με την χρήση του CT, υπάρχει δυνατότητα διόρθωσης της απορρόφησης από τους ιστούς του ασθενή. Συνδυασμός εκτός από PET‐CT, μπορεί να υπάρξει και με το έτερο σύστημα πυρηνικής, το SPECT. Η σημερινή εποχή επιβάλει να μειωθεί όσο γίνεται η δόση που αποδίδεται ανά ασθενή ανά εξέταση. Ο χρυσός κανόνας της ακτινοπροστασίας είναι « τόσο λίγο όσο λογικά επιτρεπτό». Αυτός ο κανόνας φέρνει στο προσκήνιο συστήματα με χαμηλή ή και μηδενική επιβάρυνση δόσης για τον ασθενή. Μια τεχνική από αυτές είναι και η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, γνωστή και ως μαγνητική τομογραφία. Πρόκειται για ένα σύστημα το οποίο δεν επιφέρει βιολογικά 6 προβλήματα στον άνθρωπο, και είναι ικανό να παράγει δεδομένα και ανατομικά αλλά και λειτουργικά. Ο μαγνητικός βασίζει την λειτουργία του στην χρήση μεγάλων ισχυρών ηλεκτρομαγνητών με σκοπό να φέρει τους πύρινες των ατόμων του υδρογόνου σε κατάσταση πόλωσης. Πρόκειται για ένα σύστημα υψηλής τεχνολογίας. Τα επιτεύγματα του, σε συνδυασμό με την μηδενική επιβάρυνση δόσης στον ασθενή, το κάνει νούμερο ένα προτίμηση στην ιατρική απεικόνιση. Όμως παρόλο που ο μαγνητικός τομογράφος αποτελεί το πρότυπο του τρόπου αντιμετώπισης των συστημάτων ιατρικής απεικόνισης, οι δυνατότητες του είναι περιορισμένες. Για να είναι όμως στο προσκήνιο ένα τέτοιο σύστημα, πρέπει να εξελιχτεί και να συνδυαστεί με κάποιο άλλο. Με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα, το πρόβλημα του hardware έχει ξεπεραστεί, και οδήγησε στην δημιουργία του PET‐MRI. Με ταυτόχρονη λήψη δεδομένων και από τα δύο συστήματα, μπορούμε να έχουμε πολλές πληροφορίες για τη λειτουργικότητα αλλά και τη δομή του οργανισμού. Μία τέτοια τεχνική θα έχει ευρύ φάσμα εφαρμογών, και η κατάργηση του CT, δίνει ελάττωση της δόσης, που λαμβάνεται από κάθε ασθενή. Το σύστημα εκπομπής ποζιτρονίων βασίζεται σε ισότοπα, που εκπέμπουν ποζιτρόνια. Όπως γνωρίζουμε, όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα u, δέχεται μία δύναμη η οποία αναγκάζει το φορτισμένο σωμάτιο να ακολουθήσει μία προκαθορισμένη τροχιά. Αυτό είναι το θέμα, στο οποίο εστιάζει αυτή η εργασία. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να καταλάβουμε και να μετρήσουμε την επίδραση του μαγνητικού πεδίου στα ποζιτρόνια. Ένας από αυτούς, είναι να κάνουμε μετρήσεις απευθείας σε μία πειραματική διάταξη PET‐MR. Το εμπόδιο είναι ότι μία τέτοια μέθοδος δεν είναι ευέλικτη. Ο μαγνήτης και η ένταση του δεν αλλάζουν εύκολα, και τα συστηματικά λάθη των ανιχνευτών θα δίνουν πάντα μεγάλα σφάλματα στα αποτελέσματα μας. Μία Monte Carlo μέθοδος από την άλλη, βασιζόμενη στις γνωστές φυσικές ιδιότητες, την χρήση μαθηματικών δεδομένων και την χρήση τυχαίων αριθμών, μπορεί να δώσει αποτελέσματα σχεδόν όμοια με αυτά που δίνονται από ένα υπαρκτό σύστημα. Σε αντίθεση με τις πειραματικές εφαρμογές, οι προσομοιώσεις Monte Carlo δεν περιορίζονται στην εξαγωγή μόνο μιας τελικής τιμής, αλλά επεκτείνονται και σε αποτελέσματα σχετικά με επιμέρους συστήματα και φυσικές αλληλεπιδράσεις. Επίσης, με μία Monte Carlo τεχνική, μπορείς να ορίσει ο χρήστης οποιαδήποτε γεωμετρία, με τα χαρακτηριστικά που αυτός επιθυμεί και να λάβει αποτελέσματα παρόμοια με αυτά του πραγματικού συστήματος. Αυτό βοηθά και την κατανόηση αλλά και στο σχεδιασμό και εξέλιξη νέων συστημάτων. Ένα σύστημα Monte Carlo είναι και το GATE. Το GATE αποτελεί μία υπο‐εφαρμογή του συστήματος Geant4, το οποίο δανείζει την φυσική του. Για χρόνια το GATE χρησιμοποιείται για τη μελέτη συστημάτων πυρηνικής Ιατρικής. Πλέον, συστήματα CT μπορούν να περιγραφούν σε μία 7 προσομοίωση και να προσομοιωθούν. Η δημιουργία συστημάτων PET‐MRI, δεν φέρνει προκλήσεις μόνο στον τομέα των πειραματικών εφαρμογών, αλλά και στον χώρο των προσομοιώσεων Monte Carlo. Επίσης το GATE είναι ένα πακέτο προσομοίωσης Monte Carlo ευρείας χρήσης , με συστηματική και μεθοδική ανανέωσή του. Οι στόχοι αυτής της εργασίας είναι η ενσωμάτωση νέων χαρακτηριστικών σε αυτό το πλήρως ανεπτυγμένο λογισμικό, και η εξαγωγή αποτελεσμάτων με γνώμονα πάντα την μελέτη κίνησης των ποζιτρονίων μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Οι αλλαγές οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στο πακέτο Monte Carlo GATE, επιτρέπουν την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου και σε όλη την έκταση του εικονικού χώρου αλλά και τοπικά. Μεγάλο πλεονέκτημα λαμβάνουμε από μία συγκεκριμένη αλλαγή που έγινε στο κώδικά και αφορά την καταγραφή και απεικόνιση της τρισδιάστατης κατανομής εξαϋλώσεων ποζιτρονίων, και η δυνατότητα καταγραφής δεδομένων, που έχουν να κάνουν με την χωρική κατανομή των εξαϋλώσεων. Επίσης για την αξιοποίηση αυτών των νέων χαρακτηριστικών, δημιουργήσαμε πειραματική διάταξη με χρήση διαφόρων ισοτόπων και εντάσεων μαγνητικού πεδίου. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι η μέση απόσταση εξαΰλωσης μειώνεται, με την χρήση μεγαλύτερου σε ένταση μαγνητικού πεδίου. Επίσης ένα ενθαρρυντικό στοιχειό είναι ότι ισότοπα με μεγάλη μέση απόσταση εξαΰλωσης παρουσιάζουν σημαντική βελτίωση σε μαγνητικό πεδίο, το οποίο επιβάλει την αναθεώρηση των ενδοιασμών για την χρήση τους ή μη σε απεικόνιση. / Medical imaging systems are the foundation stone of modern medical science. The capability to visualize the structure and the functionality of a human body, without invasive techniques, gives capabilities not only to the diagnosis and treatment, but also to the study of medicine. In this direction medical physics science is coordinated. From the simple X‐ray to Magnetic Resonance Imaging technology, allot of research has been made. These days technology gives imaging techniques such as Computed tomography, Single Photon Emission computed tomography, Positron Emission Tomography, and MRI. Most of the cases two or more imaging systems are combined to increase the diagnostic quality, by taking advantage of their capabilities and suppress each other disadvantages. The goal is to get with a single examination the best results, on any aspect. A medical imaging doesn’t focus only to human body’s morphology but also to functionality. Imaging of the metabolic system is the field of modern research. As an example, the higher metabolism of Glucose from cancer cells, gives the opportunity to visualize cancer tissues with a PET system. On the other hand anatomical information also must be given to the therapist in order to make the best diagnosis and treatment to the patient. The most known, globally, hybrid system is PET‐CT hybrid system. This medical imaging system brings morphological information about the body structure, plus with the use of PET system, it brings functional information about the metabolic procedure we are interested to investigate. Also, a contribution is happening in this type of system, where computed tomography contributes to PET imaging, and corrects the attenuation of photons by human body. Of course this technique applied to another system, the SPECT‐CT, exactly for the same reasons. The new era brings the necessity to reduce absorbed dose by the patient. The golden standard is “As low as reasonably achievable”. This is the motive to bring ideas and systems with less or zero dose deposition. One of them is Magnetic Resonance Imaging. Is a system almost not effective to human’s body, capable of producing both anatomical and functional information about the subject of study. This system is based on the use of large, very powerful magnets, in order to bring atoms of hydrogen in a state of polarization. Is a very sophisticated system, and delicate. The benefit of this system, plus the lack of dose, makes it No 1 to medical imaging science. The difference is that only one machine cannot project anything, and the option, even they are very wide, are limited. These days, when difficulties on PET imaging system’s hardware passed, a new system, called PET/MR was created. This system combination brings good representation of morphological data, but the true benefit is that both systems can bring results of human’s functionality. The variation of applications may be bigger, and diagnosis could be done only from one medical imaging system, with the lowest dose absorption that could be done. On the other hand Positron emission tomography is based on radioisotopes, which produce the electron’s antiparticle. Combination of these two systems brings a question about positrons. As we all know, if a charged particle moves inside a magnetic field, a force is applied on it, make it to change its random track, to another one, coordinated with the magnetic field. This question comes to answer this project. There are several ways to understand the difference created by the presence of magnetic field. One of them is to make experimental calculations, with a PET/MR system and to measure the contribution. The obstacle is that the method is not flexible. The magnetic field strength is not adjustable, and the system always will have random and systematic error. The other option is simulate this procedure. A Monte Carlo simulation is based on physical processes, by the use of mathematical functions, and the contribution of a random number generator, to bring results with very similar and realistic results as the original could produce. By comparison with the experimental method, with Monte Carlo simulations, user cannot only see the output, but also the previous parts of interactions. Also the flexibility of choices is limited only by user’s imagination. Many geometries can be used, with different magnetic field strength each time, and to give such reliable results, as the original system. Many medical imaging systems were developed by use of such simulation systems. One of these Monte Carlo simulation toolkits is GATE. GATE is the acronym for Geant4 application for emission tomography. As the acronym sais is an application based on Geant4, which is the “mother” Monte Carlo simulation toolkit. For years GATE used in order to study upon the simulations of nuclear medical imaging (i.e. PET & SPECT). Recently computed tomography was taken under consideration in this toolkit, with more updates to come. The use of PET/MR, creates a new aim to target for, not only in instrumental development, but also in Monte Carlo simulation development. Also GATE is a widely known simulation toolkit, used all over the world, and with periodical improvements. Monte Carlo simulation is a part of medical physics research, and GATE is a frequently used simulation toolkit. This study is the first step, for a field of research that is still new and partially explored. The improvement of these simulation toolkits bring new data to consider about, and new goals to achieve.

- / -

- / -

The specific nature of work in nuclear medicine departments involves the use of isotopes and handling procedures, which contribute to the considerable value of the equivalent dose received, in particular, by the fingertips. Workers of nuclear medicine units who label radiopharmaceuticals are exposed to ionizing radiation. The doses of nuclear medicine workers determined by individual dosimeters, which supply data on the magnitude of personal dose equivalent. The dosimetry pointing to a considerable optimization of the radiological protection among that professional group. However, the problem of the excessive hand exposure had been noted already in the early 1980s. Systematic studies were undertaken in West Scotland. The difficulties associated with automation of radiopharmaceutical preparation process are responsible for the continuing growth of exposure to the hands of the workers. Similar studies have also been undertaken, e.g. in Chile, Norway, Australia, Italy, USA, Belgium(1). In each case, special attention has been paid to the exposure of nuclear medicine worker hands. The radiopharmacists who label various ligands can be exposed to high radiation doses to their fingertips (primarily of the thumb, index finger and middle finger). Quite frequently, the Hp(0.07) to the fingertips of those three fingers may exceed the dose limit, i.e. value of 500 mSv/y for the skin of human fingers, this dose limit refers to the maximum dose recorded(2). Specific difficulty in assessing the exposures of the most affected finger parts is aggravated by the fact that the universally employed method for the determination of the radiation doses received by the hands using a ring with attached thermoluminescence detectors is not adequate in this particular case. This measurement method is inadequate because distribution of the doses received by the skin of the hands and fingers is extremely non uniform. The main aim of the study was to measure the absorbed dose at the hands of the personnel by using thermoluminescent detectors / -

Renogram in Nuclear Medicine is the main examination for the diagnosis of several diseases in children such as kidney failure or obstructive uropathy. The dosimetry of this examination is based on the group-specific values presented by the ICRP publications. The need for person-specific dosimetry in the Nuclear Medicine urged in the creation of a new image-based dosimetric method, based on the outcome of the examination of the renogram of each patient. With the help of an experimental procedure, the percentage of self-absorption inside the “source” organs and the absorption from the surrounding tissues of the transmitted radiation of the radiopharmaceutical (99m-Tc-MAG3) is calculated, leading with the use of the MIRD method, to the measurement of the activity of Technetium inside the patient’s organs during the renogram’s duration. Afterwards with the help of theoretical models, conclusions and assumptions the total cumulated activity of the patient’s organs is calculated. The results show similar values with other projects published, which were more invasive and less cost-effective for the department. / Στην πυρηνική ιατρική, τα νεφρογράμματα είναι η κύρια εξέταση για την διάγνωση ασθενειών στα παιδιά, όπως η νεφρική ανεπάρκεια και η ουροφρακτική ανεπάρκεια. Η δοσιμετρία αυτών των εξετάσεων στηρίζεται πάνω στα group-specific όρια του ICRP. Η ανάγκη για person-specific δοσιμετρία και στην Πυρηνική Ιατρική ώθησε στη δημιουργία μιας δοσιμετρικής μελέτης που στηρίζεται στην εικόνα (image-based) από το αποτέλεσμα της εξέτασης του νεφρογράμματος του κάθε ασθενή. Με τη βοήθεια μιας πειραματικής διάταξης υπολογίζεται το ποσοστό αυτο-απορρόφησης στα όργανα «στόχους» και το ποσοστό απορρόφησης της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας από τους περιβάλλοντες ιστούς, οδηγώντας μαζί με την μέθοδο του MIRD, στον υπολογισμό της ενεργότητας του ραδιοφαρμάκου (99m-Tc-MAG3) μέσα στα όργανα του ασθενή καθ’ όλη την διάρκεια της εξέτασης. Με την βοήθεια θεωρητικών μοντέλων, συμπερασμάτων και υποθέσεων υπολογίζεται η συνολική ακτινική επιβάρυνση του ασθενούς και τα αποτελέσματα δίνουν παραπλήσιες τιμές με άλλες δημοσιευμένες εργασίες, που ακολούθησαν πιο επεμβατικές ή πιο κοστοβόρες για το τμήμα, μεθόδους.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ταξινόμηση κλινικών περιπτώσεων κοιλιακών αλγών και συγκεκριμένα περιπτώσεων σκωληκοειδίτιδας σε παιδιά ηλικίας μέχρι 14 ετών μέσω ενός εργαλείου που υλοποιούμε. Βασικός λόγος για τη κατασκευή αυτού του εργαλείου αποτέλεσε η δυσκολία στη πρόβλεψη της ασθένειας από τους ειδικούς (κατά μέσο όρο γίνονται 20% - 30% αχρείαστες εγχειρήσεις), η συχνή σύγχυσή της με άλλες περιπτώσεις κοιλιακών αλγών ενώ το ποσοστό θνησιμότητας στα παιδιά με σκωληκοειδίτιδα ποικίλλει από 0,1% - 1%. Βασισμένοι σε ένα σύνολο δεδομένων από τη Παιδοχειρουργική Κλινική του Πανεπιστημιακού Νοσοκομείου της Αλεξανδρούπολης, διεξάγουμε αναζήτηση των καλύτερων παραμέτρων για τη κατασκευή μοντέλων ταξινομητών βασισμένων στις τρεις παρακάτω τεχνικές Υπολογιστικής Νοημοσύνης: α) τα Τεχνητά Νευρωνικά Δίκτυα, β) τις Μηχανές Διανυσμάτων Υποστήριξης και γ) τα Τυχαία Δάση. Χρησιμοποιώντας ένα σύνολο 14 κλινικών και εργαστηριακών παραγόντων, υλοποιούμε μοντέλα ταξινομητών. Η βασική ιδέα για την υλοποίηση τους είναι η αντιμετώπιση των παρακάτω προβλημάτων: : α) έχει το παιδί σκωληκοειδίτιδα ή όχι; β) Αν έχει σκωληκοειδίτιδα, ποιος τρόπος αντιμετώπισής της ενδείκνυται: χειρουργική επέμβαση ή συντηρητική αγωγή; Μετά την εύρεση των βέλτιστων μοντέλων από κάθε μία από τις μεθόδους Υπολογιστικής Νοημοσύνης που χρησιμοποιήθηκαν, υλοποιήθηκε ένα εργαλείο εύχρηστης διεπαφής χρήστη στο προγραμματιστικό περιβάλλον της Matlab 2012a το οποίο ευελπιστούμε ότι θα υποβοηθήσει τους ειδικούς στη λήψη απόφασης για τη πορεία ενός νεαρού ασθενούς που εισέρχεται στο νοσοκομείο παραπονούμενος για σκωληκοειδίτιδα. Το εργαλείο αυτό ελέγχθηκε με καινούργια πραγματικά κλινικά δεδομένα από το Καραμανδάνειο Νοσοκομείο Παίδων Πατρών και η απόδοσή του ήταν ενθαρρυντική. / The purpose of this paper is the classification of clinical cases of abdominal pain and, to be more precise, the prediction of cases with acute appendicitis at children aged up to 14 years old through a tool that we implement. The main reasons for the construction of this tool are: a) the difficulty in the prediction of the appendicitis since the 20%-30% of the operations made from the experts for this disease are gratuitous, b) the frequent confusion that there is with other diseases that cause abdominal pain and c) the mortality rate at children with appendicitis varies from 0,1% to 1%. Based on a data set from the Department of the Child Surgery of the Hospital of the University of Alexandroupolis, we conduct a search of the best parameters for the construction of model classifiers based on the three following techniques of the Computational Intelligence: a) the Artificial Neural Networks, b) the Support Vector Machines and c) the Random Forests. The basic idea for the implementation of these models is, based on a sum of 14 clinical and laboratory factors, facing the following questions: a) if a child has appendicitis or not?, b) and if it does have appendicitis, which way should we follow to cure it: operational surgery or medication? After finding these best models, we implement a tool which is actually a Graphical User Interface of Matlab 2012a which we hope that will assist the experts in making the correct decision about a young patient that goes to the hospital complaining for appendicitis. This tool was tested on new real clinical data of patients of the Child Hospital of Patras and its performance was found really encouraging.

Διευρεύνηση της μεθόδου του ακτινοεμβολισμού με μικροσφαιρίδια Υ-90 για τη αντιμετώπιση ηπατικών όγκων. Βελτίωση της image-based δοσιμετρίας προτείνοντας PET ιχνηθέτες. / Investigation of the method of radioembolization with Y90 microspheres for the treatment of liver malignancies. Improvement of the image-based dosimetry proposing the use of PET tracers.

Στην παρούσα Μεταπτυχιακή Διπλωματική Εργασία μελετάται το πρόβλημα των θωρακίσεων ακτινοπροστασίας σε τρεις χαρακτηριστικούς χώρους ενός εργαστηρίου Πυρηνικής Ιατρικής, σύμφωνα με τους Κανονισμούς Ακτινοπροστασίας. Οι υπολογισμοί έγιναν με την εφαρμογή λογιστικών φύλλων Microsoft Excel. Ο σκοπός των κάθε είδους θωρακίσεων ιοντιζουσών ακτινοβολιών είναι η μείωση της δόσης της ακτινοβολίας στην οποία εκτίθενται και απορροφούν οι εργαζόμενοι, οι ασθενείς/εξεταζόμενοι αλλά και οι απλοί επισκέπτες σε χώρους ακτινοβόλησης ή γειτονικών, μέσα στα επιτρεπτά όρια. Στην μελέτη αυτή υπολογίζεται το πάχος θωράκισης που χρειάζεται να τοποθετηθεί σε έναν χώρο έτσι ώστε να μην γίνεται υπέρβαση των Περιοριστικών Επιπέδων Δόσεων (Π.Ε.Δ.). Τα πιο κοινά υλικά θωράκισης είναι ο μόλυβδος, το μπετό/σκυρόδεμα και ο σίδηρος. Ο πρώτος χώρος περιέχει ένα ραδιοϊσότοπο, μέσα σε κρύπτη, ενώ υπολογίζεται και ο ρυθμός δόσης σε ένα άτομο, το οποίο μπορεί να βρίσκεται είτε μέσα στον ίδιο χώρο είτε σε παρακείμενο. Ο δεύτερος χώρος περιέχει δύο ραδιοϊσότοπα, και υπολογίζεται η συνολική θωράκιση που απαιτείται. Ο τρίτος χώρος είναι ο χώρος αναμονής ενός πραγματικού εργαστηρίου Πυρηνικής Ιατρικής, μέσα στον οποίο μπορούν να υπάρχουν ταυτόχρονα μέχρι επτά ασθενείς, σε κάθε έναν από τους οποίους έχει χορηγηθεί το απαραίτητο ραδιοφάρμακο για την δική του εξέταση. Επιπλέον, λαμβάνεται υπ’ όψιν η ενδοαπορρόφηση σε κάθε ασθενή, θεωρώντας ότι αποτελείται από έναν κύλινδρο (το σώμα) και μια σφαίρα (το κεφάλι). Ο χώρος αναμονής περιβάλλεται από τον διάδρομο, την αίθουσα αιμοληψιών, το θερμό εργαστήριο, το δωμάτιο εφαρμογής και ο χώρος της γ-κάμερας. Η εφαρμογή λογιστικών φύλλων Microsoft Excel επελέγη για την υλοποίηση των υπολογισμών, ούτως ώστε οι εξισώσεις και οι υπολογισμοί να είναι ανοικτοί και εύκολα επαληθεύσιμοι από τον χρήστη. Επιπλέον, το πακέτο Microsoft Excel καθώς και η λειτουργία του είναι ευρέως διαδεδομένα. Ο χρήστης έχει πλήρη έλεγχο σε κάθε παράμετρο του κάθε χώρου, όπως π.χ. διαστάσεις του χώρου, ραδιοϊσότοπο και ενεργότητα, εξέταση, μέγεθος ασθενούς, κατηγορία παρακείμενων χώρων, υλικό θωράκισης κτλ. Η εφαρμογή διαβάζει αυτόματα ό,τι πληροφορίες απαιτούνται (π.χ. Περιοριστικά Επίπεδα Δόσης, Half-Value Layer κτλ.) από τον πίνακα δεδομένων, ο οποίος και αυτός μπορεί να ενημερωθεί ή εμπλουτιστεί από τον χρήστη, και υπολογίζει τις ζητούμενες θωρακίσεις. Τέλος, η εφαρμογή έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε να είναι ευέλικτη και να μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί για άλλους χώρους και εργαστήρια, είτε ως έχει είτε με μικρές τροποποιήσεις. / This Master Thesis studies the problem of radiation protection shielding in three typical areas of a Nuclear Medicine Laboratory, in accordance with Radiation Protection Regulations. The actual calculations are performed using the spreadsheet software package Microsoft Excel. The purpose of any type of ionizing radiation shielding is to reduce to within the allowable limits the dose of radiation that workers, patients and ordinary visitors are exposed to and absorb either in radiation areas or in adjacent ones. In this study the thickness of shielding which needs to be placed in an area so as not to exceed the Dose Constraints is calculated. The most common shielding materials are lead, concrete and iron. The first area contains a radioisotope within a crypt, and the dose rate is calculated to an individual, who may be located either within the same room or in an adjacent one. The second area contains two radioisotopes, and the required total shielding is calculated. The third area is the waiting room of an actual Nuclear Medicine laboratory, in which up to seven patients, each of whom has been administered the necessary radiopharmaceutical for his examination, can exist simultaneously. The internal absorption of each patient is taken into account, modeling the patient as consisting of a cylinder (the body) and a sphere (the head). The waiting room is surrounded by a corridor, the blood sampling room, the hot lab, the radionuclide administration area, and the gamma camera area. The spreadsheet application Microsoft Excel was chosen for the implementation of the calculations, so that the equations and calculations be open and easily verifiable by the user. In addition, Microsoft Excel and its use are widespread. The user has full control over every aspect of each area, e.g. dimensions of space, radioisotope and activity, examination, patient size, category of adjacent area, shielding material etc. The application automatically reads the required information (e.g. Dose Constraints, Half-Value Layer etc.) from the data table, which may also be updated and enriched by the user, and calculates the required shielding. Finally, the application is designed to be flexible and can easily be used for other areas and laboratories, either as it is or with minor modifications.