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.

Η διδακτορική διατριβή αναφέρεται στην χρήση των πηνίων λήψης κατά την απεικόνση μαγνητικού συντονισμού. Στα πλαίσια της ερευνητικής εργασίας προσομοιώθηκε ένα σύστημα πηνίων φασικής συνάφειας 4 ορθογωνικών στοιχείων με διαστάσεις μικρότερες των συμβατικών πηνίων για την βελτίωση του σηματοθορυβικού λόγου στις εξετάσεις του ανθρώπινου προστάτη. Το σύστημα αυτό στη συνέχεια σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε χρησιμοποιώντας συγκεκριμένες τεχνικές αποσύζευξης των γειτονικών στοιχείων, συντονισμού στη συχνότητα Larmor, προσαρμογής του φορτίου στα 50 Ohm και ελέγχου διακοπής. Η τελική μορφή του πηνίου εφαρμόστηκε σε κλινικό μαγνητικό τομογράφο 1.5Τ, όπου πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε ομοιώματα και σε μία μεσαίου μεγέθους ανθρώπινη πυελική περιοχή. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με εκείνα των συμβατικων πηνίων (flex 4-channel cardiac coil), ενώ οι in vivo εξετάσεις έδειξαν σημαντική βελτίωση στο τελικό σήμα της εικόνας όταν χρησιμοποιούμε περισσότερο εντοπισμένα παραθύρα απεικόνισης (FOV). / The doctoral thesis refers to the use of receiver coils during MR imaging experiments. We simulated a 4-channel phased array system of orthogonal elements with reduced size compare to the conventional coils in order to improve the signal-to-noise ratio in prostate MR imaging. That system was then designed and developed using particular decoupling, tuning, matching and switching techniques. The final design was tested clinically on a 1.5T MRI system using phantoms at first and then an average sized human pelvic region. The results were compared to those extracted from a conventional flex 4-channel cardiac coil, while the in vivo images showed considerable improvement in contrast when we used more localized field of views.

- / -

The number of patients who have undergone some kind of internal fixation or joint replacement is increasing thanks to the development of technology and orthopaedics. All these patients carry metal implants. Magnetic resonance imaging has an advantage over other imaging methods, due to its superior soft tissue contrast and to its sensitivity in detecting the inflammation which is present at infections and malignancies. However metal implants usually deteriorate the image quality and as a result affect the accuracy of the diagnostic procedure. This is the case when the region of interest is in the proximal vicinity of the implant, or the implant is large enough. A number of MRI sequences have been proposed in order to overcome the artifact that comes from metal implants, more formally known as susceptibility artifact. However the most effective of them, are not widely available. The need for optimization of MR imaging at the presence of metal implants presupposes the development of methods capable of quantifying the artifact under various imaging sequences and conditions. Most artifact quantification techniques proposed until now, are usually based on the visual observation (experienced radiologists) or at image segmentation methods. These segmentation methods, segment the image based on arbitrary selected gray values (thresholds). A more objective and precise quantification method relies on the subtraction of images of a zero artifact replica (test object) from those of the real metal implant. The copy is constructed from material with similar values of magnetic susceptibility with its environment (usually water). The images deriving from the copy if we take in consideration the noise differences, have no susceptibility artifact. In this method artifact is quantified as energy differences between the two images [Kolind S et al, 2004]. Since the acquisition conditions are identical except the presence of susceptibility artifact in the image depicting the real metal object, the energy difference is used to quantify the artifact. While the method quantifies the artifact, giving precise values, it does not inform us for its position in space At this thesis we proposed a new, to our knowledge, method of artifact quantification. It is based in the physical cause of the artifact, which are the gradients of the magnetic field, which derive from the presence of the metal implant. The gradients of the magnetic field create corresponding gradients at the gray scale values of the image. These gradients may be detected if we apply suitable filter which detects the amplitude of the gradient. In this way we detect both regions with signal void (low signal intensity) and signal pill ups (high signal intensity). That means that we do not have to apply two different operators to segment two regions of the artifact with so different signal intensity values. Then the image is thresholded using a fully automated algorithm, proposed by [Li & Lee 1993]. This algorithm is available in image analysis environment ImageJ. At the first part of this thesis there are presented the basic principles of nuclear magnetic imaging image formation. The interaction of the most common materials with the magnetic field is also presented. All these are considered necessary to explain the generation of magnetic susceptibility artifact at the image acquired. The theory beyond the magnetic susceptibility artifact generation is then explained in detail. At the experimental part of this thesis, the proposed algorithm is applied to the imaging of two implants (made of titanium and antimagnetic stainless steel) at the sequences which are most commonly used to musculoskeletal MRI. The proposed algorithm is compared with a variation of the method of the image energy differences proposed by [Kolind Sh, 2004]. This method quantifies the artifact as energy difference of image of the real implant from the image of a replica with zero susceptibility artifact (reference image). In the present thesis the image of lower susceptibility artifact (obtained at higher bandwidth) is considered as reference image. In our case it is assumed that the energy difference among different bandwidth acquisitions is negligible in relation to the susceptibility artifact amplitude. This assumption allows as to use instead of energy differences, the differences in the gray scale values of the image instead. Statistical analysis showed moderate to strong positive correlation between the two methods. Possible reasons of not obtaining strong correlation at all measurements is due to the regions of the image that the proposed algorithm quantifies. By segmenting regions of high gradient, we focus mainly at regions where there is high variation at the gray scale values. However, in many cases nearly homogeneous regions of an image, with little or no alteration in gray scale values, may also be considered as artifact. These areas are not segmented as artifact when the proposed algorithm is applied. More over the assumption of considering negligible the noise contribution between the different acquisitions may be an oversimplification. Nevertheless, the proposed algorithm, is an objective repeatable and observer independent method. Moreover it is capable of determining the boundaries of the artifact in image space. It is not intended to be used as a method of absolute quantification of the susceptibility artifact. It should be used as means of comparison of acquisitions concerning the same sequence. Its combination with an additional algorithmic step, such as one which detects image features may result in a powerful tool of image artifact quantification. This more sophisticated version of this proposed algorithm should be adequate enough to quantify the artifact not only at phantom models but even at the everyday clinical practice. / H εξέλιξη της ιατρικής και ειδικότερα της ορθοπαιδικής έχει κάνει ολοένα και περισσότερο συχνή την ύπαρξη ασθενών που φέρουν μεταλλικά εμφυτεύματα. Η απεικόνιση με μαγνητικό συντονισμό πλεονεκτεί σε σχέση με άλλες απεικονιστικές μεθόδους εξαιτίας της καλύτερης αντίθεσης που προσφέρει στους μαλακούς ιστούς και στην ευαισθησία στην ανάδειξη της φλεγμονής που συνοδεύει τις μολύνσεις και τις κακοήθειες. Η ύπαρξη μεταλλικών εμφυτευμάτων συνήθως υποβαθμίζει την ποιότητα της εικόνας και την καθιστά πολλές φορές μη διαγνωστική, ειδικά αν η περιοχή ενδιαφέροντος είναι κοντά στο μεταλλικό εμφύτευμα ή στην περίπτωση που αυτό είναι αρκετά μεγάλο. Μια σειρά από μεθόδους ή ακόμη και ειδικές ακολουθίες έχει προταθεί κατά καιρούς για να αντιμετωπιστεί η ύπαρξη των τεχνημάτων επιδεκτικότητας, όπως ονομάζονται τα artifact που έχουν σαν αιτία τους τις τοπικές στρεβλώσεις στο μαγνητικό πεδίο εξαιτίας μεταλλικών προθέσεων. Οι πιο αποτελεσματικές από αυτές παραμένουν μη διαθέσιμες για το ευρύ κοινό. Η ανάγκη για βελτιστοποίηση των συνθηκών απεικόνισης κάνει επιτακτική την ανάγκη για ποσοτικοποίηση του artifact στις διαφορετικές συνθήκες λήψεις. Οι τεχνικές ποσοτικοποίησης του artifact που έχουν προταθεί μέχρι σήμερα βασίζονται στην ποιοτική ακτινολογική εκτίμηση (οπτική παρατήρηση) είτε σε μεθόδους τμηματοποίησης της περιοχής εικόνας του artifact που συνήθως στηρίζονται στην επιλογή αυθαίρετων τιμών κατωφλίου τόνων του γκρι. Μια πιο αντικειμενική και ακριβής μέθοδος αφορά στην αφαίρεση εικόνων γεωμετρικού αναλόγου (αντικείμενο ελέγχου- ομοίωμα) του εμφυτεύματος από την εικόνα που απεικονίζει το ίδιο το εμφύτευμα. Το ανάλογο είναι κατασκευασμένο από υλικό με παρόμοια μαγνητική επιδεκτικότητα προς το περιβάλλον του εμφυτεύματος. Η απεικόνιση ενός τέτοιου ομοιώματος, λαμβανομένης υπόψη και της συνεισφοράς του θορύβου, παρουσιάζει μηδενικό artifact επιδεκτικότητας σε σχέση με το πραγματικό εμφύτευμα. Το artifact στην περίπτωση αυτή ποσοτικοποιείται ως διαφορά ενέργειας εικόνας στην περιοχή του περιβάλλοντος υλικού [Kolind S et al,2004]. Η τελευταία αυτή μέθοδος ενώ ποσοτικοποιεί με ακρίβεια το artifact δεν παρέχει πληροφορίες για τη θέση του στο χώρο. Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία, προτείνεται μία νέα, με βάση τα όσα γνωρίζουμε, μέθοδος ποσοτικοποίησης του artifact. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στη γενεσιουργό αιτία του artifact, που είναι οι στρεβλώσεις του μαγνητικού πεδίου από την παρουσία του μεταλλικού αντικειμένου. Οι στρεβλώσεις αυτές εκφράζονται ως βαθμιδώσεις του μαγνητικού πεδίου. Οι βαθμιδώσεις του Μ.Π προκαλούν αντίστοιχες βαθμιδώσεις στην ένταση των τόνων του γκρι στην εικόνα. Αυτές οι βαθμιδώσεις μπορούν να αναδειχθούν αν εφαρμόσουμε κατάλληλο φίλτρο στην εικόνα που ανιχνεύει το μέγεθος/ πλάτος της βαθμίδωσης. Με αυτό τον τρόπο θα ανιχνευτούν τόσο περιοχές με υψηλό όσο και περιοχές με χαμηλό σήμα, απλοποιώντας έτσι τη διαδικασία, αφού δε χρειάζεται να ανιχνευτούν με ξεχωριστό αλγόριθμο περιοχές του artifact με πολύ διαφορετικές τιμές τόνων του γκρι. Στη συνέχεια η εικόνα που προκύπτει κατωφλιώνεται με αυτόματή μέθοδο που έχει προταθεί [Li & Lee 1993] και είναι διαθέσιμη στο περιβάλλον ανάλυσης εικόνας Image J. Στο πρώτο τμήμα της παρούσας εργασίας αναπτύσσονται, συνοπτικά βασικές αρχές του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και του τρόπου με τον οποίο δημιουργείται η δισδιάστατη εικόνα στο MRI. Ακολουθεί επίσης μια σύντομη περιγραφή του τρόπου με τον οποίο συμπεριφέρονται τα πιο κοινά υλικά όταν βρεθούν εντός του μαγνητικού πεδίου. Όλα αυτά είναι αναγκαία για γίνει κατανοητός ο τρόπος που δημιουργείται το artifact μαγνητικής επιδεκτικότητας στην εικόνα που λαμβάνουμε. Στη συνέχεια αναπτύσσεται με λεπτομέρεια ο μηχανισμός και η φυσική που εμπλέκεται στη δημιουργία των artifact μαγνητικής επιδεκτικότητας. Στο πειραματικό μέρος, εφαρμόζεται ο προτεινόμενος αλγόριθμος σε απεικονίσεις δύο εμφυτευμάτων (τιτανίου και αντιμαγνητικού χάλυβα) στις πιο κοινά χρησιμοποιούμενες ακολουθίες του μυοσκελετικού. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος ελέγχεται ως προς την ικανότητα του να ποσοτικοποιεί το artifact με μία παραλλαγή της μεθόδου διαφοράς ενεργειών εικόνων [Kolind Sh,2004]. H μέθοδος αυτή ποσοτικοποιεί το artifact ως διαφορά ενέργειας της εικόνας του πραγματικού εμφυτεύματος από εικόνα γεωμετρικού αναλόγου με μηδενικό artifact (εικόνα αναφοράς). Στην περίπτωση μας χρησιμοποιήσαμε ως εικόνα αναφοράς την εικόνα με το ελάχιστο artifact (η οποία βάσει θεωρίας αντιστοιχεί στη λήψη με το υψηλότερο bandwindth). Επίσης θεωρήσαμε τη διαφορά θορύβου των διαφορετικών λήψεων αμελητέα ως προς τις τιμές έντασης (τόνοι του γκρι) του artifact, ώστε να μπορούμε να αξιοποιήσουμε το πεδίο των τιμών των τόνων του γκρι και όχι αυτό της ενέργειας της εικόνας. Η στατιστική επεξεργασία αναδεικνύει μέτρια ως ισχυρή θετική συσχέτιση των 2 αλγορίθμων. Πιθανοί λόγοι που δεν έχουμε σε όλες τις μετρήσεις ισχυρή ή πολύ ισχυρή συσχέτιση αποδίδονται πρωτίστως στην περιοχή της εικόνας που ποσοτικοποιεί η προτεινόμενη μέθοδος. Τμηματοποιώντας τις βαθμιδώσεις της εικόνας εστιάζουμε σε περιοχές που υπάρχει έντονη μεταβολή των τιμών του γκρι. Παρόλα αυτά το artifact μπορεί κατά περιπτώσεις να περιλαμβάνει και ομοιογενείς περιοχές εικόνας με παραπλήσιες τιμές του γκρι. Αυτές είναι περιοχές που δεν τμηματοποιεί (ανιχνεύει) η προτεινόμενη προσέγγιση. Μια ακόμη αιτία θα μπορούσε να είναι η μη αξιολογήση της συνεισφοράς του θορύβου στις διαφορετικές λήψεις (bandwidths). Η απώλεια τέτοιων περιοχών δεν μειώνει την αξία του αλγορίθμου, αφού αποτελεί μια αντικειμενική μέθοδο, ανεξάρτητη από τον παρατηρητή, επαναλήψιμη και ικανή να οριοθετήσει το artifact στο χώρο. Δεν της επιτρέπει παρόλα αυτά να χρησιμοποιηθεί σαν μέθοδος απόλυτης ποσοτικοποίησης του artifact. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πραγματοποίηση συγκρίσεων ιδανικά σε συνθήκες λήψεις που αφορούν την ίδια ακολουθία. Ο συνδυασμός της με ένα επιπλέον αλγοριθμικό βήμα, όπως ένα βήμα που θα ανιχνεύονται χαρακτηριστικά της εικόνας σε συνδυασμό με την οριοθέτηση του artifact που έχει προηγηθεί, μπορεί να δώσει ένα ισχυρό εργαλείο τμηματοποίησης της εικόνας με εφαρμογές που θα μπορούν να επεκταθούν από τη χρήση σε ομοιωμάτων ως εργαλείων για την ποσοτικοποίηση του artifact και στην καθημερινή κλινική πρακτική.

Η εισαγωγή της Μαγνητικής Τομογραφίας (ΜΤ) στην κλινική πρακτική και η συμπληρωματική πληροφορία που δίνει η Φασματοσκοπία Μαγνητικού Συντονισμού (ΦΜΣ) συνιστά μια από τις πιο σημαντικές εξελίξεις στη διάγνωση ασθενών με καρκίνο εγκεφάλου [1]. Παρ’ όλα αυτά, οι εικόνες ΜΤ είναι συχνά δύσκολο να ερμηνευθούν από τους ειδικούς λόγω [2] α/ της υποκειμενικότητας και περιορισμένης εμπειρίας του παρατηρητή στην εκτίμηση εικόνων που παράγει η σχετικά νέα αυτή τεχνολογία, β/ των ποικίλων κλινικών χαρακτηριστικών των όγκων (π.χ. τύπος, διαβάθμιση κακοήθειας κλπ.) και γ/ της ιδιαιτερότητας των όγκων στην αντίθεση που παρουσιάζουν με τον περιβάλλοντα ιστό. Μόνο λιγοστές μελέτες έχουν διεξαχθεί για να χαρακτηρίσουν ιστούς εγκεφάλου μέσω της ανάλυσης ποσοτικών χαρακτηριστικών από εικόνες εγκεφάλου ΜΤ [3, 4]. Ενώ έχει ήδη τονιστεί η αναγκαιότητα συσχετισμού της διαγνωστικής και προγνωστικής πληροφορίας που προέρχεται από εικόνες ΜΤ και σήματα ΦΜΣ στη διεθνή βιβλιογραφία [5], υπάρχουν λιγοστές ανάλογες αναφορές για τον σχεδιασμό και υλοποίηση συστήματος Η/Υ αυτόματης διάγνωσης όγκων εγκεφάλου κάνοντας συνδυασμό ποσοτικής πληροφορίας προερχόμενης από εικόνες ΜΤ και σήματα ΦΜΣ [6, 7]. Οι στόχοι της παρούσας διατριβής εστιάζονται στα παρακάτω: - στη μελέτη, ανάπτυξη και η υλοποίηση υπολογιστικού συστήματος αυτόματης ταξινόμησης όγκων του εγκεφάλου μέσω της ποσοτικής ανάλυσης εικόνων ΜΤ το οποίο θα βελτιώνει την ακρίβεια ταξινόμησης σε σχέση με ήδη υπάρχοντα συστήματα [4, 8, 9], όπως αυτά περιγράφονται στην διεθνή βιβλιογραφία μεταξύ πρωτογενών και δευτερογενών όγκων εγκεφάλου καθώς και μεταξύ γλοιωμάτων και μηνιγγιωμάτων με την χρήση δέντρου ιεραρχικής απόφασης δύο επιπέδων. Επιπλέον, στην ανάδειξη πως η χρήση ενός μη-γραμμικού πολυωνυμικού μετασχηματισμού ελάχιστων τετραγώνων των χαρακτηριστικών υφής έχει ως αποτέλεσμα την βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης του ταξινομητή πιθανοκρατικού νευρωνικού δικτύου. - στην επέκταση και την βελτίωση του συστήματος αυτόματης ταξινόμησης όγκων του εγκεφάλου χρησιμοποιώντας α/ ογκομετρικές ποσοτικές παραμέτρους εικόνων ΜΤ, β/ ταξινομητή μηχανών διανυσμάτων στήριξης μαζί με τη μεθοδολογία συνάθροισης αποτελεσμάτων ταξινόμησης από τυχαιοποιημένα δείγματα κατηγοριών δημιουργημένων με επαναδειγματοληψία για κάθε κόμβο δέντρου ιεραρχικής απόφασης δύο επιπέδων όπου στο πρώτο επίπεδο πραγματοποιήθηκε διαχωρισμός μεταξύ πρωτογενών και δευτερογενών όγκων εγκεφάλου και στο δεύτερο και μεταξύ γλοιωμάτων και μηνιγγιωμάτων και γ/ έναν τροποποιημένο πυρήνα ακτινικής συνάρτησης βάσης για τον ταξινομητή μηχανών διανυσμάτων στήριξης ο οποίος περιλαμβάνει την τεχνική μη-γραμμικού πολυωνυμικού μετασχηματισμού ελάχιστων τετραγώνων με στόχο την βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης. - στην περαιτέρω επέκταση και την βελτίωση του συστήματος αυτόματης ταξινόμησης με την εισαγωγή χαρακτηριστικών προερχόμενων από σήματα ΦΜΣ ώστε να διερευνηθεί εάν η χρήση του μπορεί να βελτιώσει τα αποτελέσματα ταξινόμησης μεταξύ μηνιγγιωμάτων και μονήρων μεταστάσεων. Τέλος κάνοντας μια περίληψη, η παρούσα διατριβή διαπραγματεύεται τον σχεδιασμό, ανάπτυξη και υλοποίηση μεθόδων και αλγορίθμων για την επεξεργασία και ανάλυση ιατρικών εικόνων, επικεντρώνοντας ειδικότερα στην εφαρμογή των μεθόδων αυτών για την διάγνωση του τύπου των όγκων εγκεφάλου. Τα πιο βασικά συμπεράσματα που απορρέουν από την παρούσα διατριβή είναι τα ακόλουθα: α/ Το σύστημα ταξινόμησης των τύπων των όγκων εγκεφάλου που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε αυξάνει τα ποσοστά ορθής ταξινόμησης σε σχέση με τα υπάρχοντα. β/ Η κωδικοποίηση των ιδιοτήτων της υφής που προέρχεται από τον σύνολο του όγκου παρέχει επιπρόσθετη πληροφορία στο σύστημα ταξινόμησης αυξάνοντας τα ποσοστά επιτυχούς διαχωρισμού. γ/ Τα χαρακτηριστικά φασματοσκοπίας μαγνητικού συντονισμού αποτελούν επιπρόσθετη αξία στο χαρακτηρισμό του τύπου των όγκων εγκεφάλου μιας και οδήγησαν στην αύξηση του ποσοστού επιτυχούς διαχωρισμού του συστήματος ταξινόμησης. / The process of brain tumor characterization requires a rather intricate assessment of the various Magnetic Resonance (MR) image and spectroscopic features and is typically performed by experienced radiologists. Despite the inherently subjective nature of many of the decisions associated with this process, an expert radiologist is able to perform this task with a significant degree of precision and accuracy. However, in the effort to deliver more effective treatment, clinicians are continuously seeking for greater accuracy in the pathological characterization of brain tissues. The aim of the present thesis was to design, implement, and evaluate a software classification system for discriminating between different brain tumor types on Magnetic Resonance Imaging (MRI), employing textural and spectroscopic features. The clinical material consisted of sixty seven T1-weighted post-contrast MR brain images (21 metastases, 19 meningiomas, and 27 gliomas), obtained from patients with verified and untreated intracranial tumors. Thirty-six 2-dimensional textural features (2D), from the image histogram and the co-occurrence and run-length matrices, were extracted from each one of 67 MR-images. Similarly, an equal number of 3-dimensional textural features (3D) were also calculated in the attempt to maximize classification performances. Finally, MR-spectroscopy features were also incorporated for improving classification accuracies. Classification methods employed included i/ a modified Probabilistic Neural Network (PNN) and Support Vector Machines (SVM) algorithms, incorporating a non-linear Least Squares Features Transformation (LSFT) into the classifiers and ii/ an ensemble classification scheme employing the LSFT-SVM classifier. The LSFT improved classifiers’ performances, increased class separability, and resulted in dimensionality reduction. For evaluating the performance of the designed classification schemes, evaluations were performed by means of the external cross validation process, which is considered indicative of the generalization performance of the designed classification system to ‘unseen’ cases. It was found that the LSFT features transformation enhanced the performance of the PNN and SVM algorithms, achieving classification accuracies of 73.48 % in distinguishing metastatic from primary tumors and 88.67% in discriminating gliomas from meningiomas. When volumetric 3-dimensional features were employed, these results improved to 88.18% for discriminating between metastatic and primary tumors and 97.33% for distinguishing gliomas from meningiomas. The textural features employed in the design of the optimum classification scheme were associated primarily with image texture homogeneity. Finally, when MR-spectroscopy features were also incorporated, classification accuracy was boosted up from 95% in discriminating meningiomas from metastasis to 100%. The MR-image features that participated in the optimum feature vector were related to the degree of homogeneity, the amount of randomness and the dispersion of the gray-tone intensity values within the texture of the tumor. These textural characteristics are related to textural parameters that physicians employ in diagnosis and they were proportional to the textural imprint of brain tumors, i.e. gliomas have heterogeneous texture while meningiomas appear to be homogeneous in MR imaging. The MR-spectroscopy feature that participated in the optimum feature vector was the Choline (Cho) / N-Acetyl Aspartate (NAA) metabolite integral ratio. It was found that both meningiomas and metastases are characterized from low concentrations of NAA while meningiomas exhibit higher concentrations of Cho than metastases, which could be attributed to increased synthesis of tumor cell membranes. Finally, the proposed system might be of value as an assisting tool for brain tumor characterization on volumetric MRI series.

Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας αναπτύχθηκε μία εφαρμογή, η οποία προσδιορίζει τις τρεις πρώτες συχνότητες συντονισμού της φωνητικής κοιλότητας κατά τη διαδικασία της φώνησης φωνηέντων. Οι τρεις αυτές συχνότητες παρέχουν επαρκή πληροφορία για τον προσδιορισμό του φωνήεντου. Η φώνηση εξομοιώνεται με σήμα εισόδου το οποίο παρουσιάζει κορυφές σε αναμενόμενες περιοχές συχνοτήτων. Ο προσδιορισμός των συχνοτήτων συντονισμού στηρίζεται στη μέθοδο βραχύχρονης ανάλυσης Fourier. Η εφαρμογή αναπτύχθηκε σε περιβάλλον μVision της Keil, σε γλώσσα προγραμματισμού C, για τον μικροελεγκτή STM32F103RB της ST Microelectronics. / In the context of this thesis an application was developed, that is capable of estimating the first three formant frequencies (resonances of the vocal tract) in the event of voicing of vowels. These three frequencies provide us enough information to determine the vowel that is voiced. The human voice is being emulated by an input signal which has peaks in the anticipated frequency regions. The formant frequencies are being estimated based on the short-time Fourier analysis method. The application was developed in Keil μVision programming suite, in C programming language, for the STM32F103RB microcontroller by ST Microelectronics.

The diagnosis of Multiple Sclerosis (MS) is primarily based on the clinical examination, while it is supported by Magnetic Resonance (MR) imaging evaluated by experienced radiologists. Although, the typical imaging characteristics of MS follow well documented patterns, there are other pathologies affecting the Central Nervous System (CNS) that resemble the imaging characteristics of MS and vice versa. Cerebral Microangiopathy (CM) belongs to such pathologies that may puzzle the radiologist regarding his/her final decision. The differential diagnosis problem usually arises at the onset of the disease, when there is no spread of the signs and symptoms in space and time. The early diagnosis of both diseases is of great importance for the beginning of the right treatment. The aim of the present thesis was to evaluate whether textural features may help in discriminating MS from CM. This was achieved by designing, implementing, and evaluating a pattern recognition system on MR images employing textural features. The clinical material consisted of 29 patients all scanned with the same MR protocol. The MS group comprised of 11 patients diagnosed with clinically definite MS. On the other hand, the CM group included 18 patients with verified CM. Every patient was scanned on a MAGNETOM Sonata MR modality of 1.5 Tesla with the Fluid Attenuated Inversion Recovery (FLAIR) protocol at the 251 General Airforce Hospital. Twenty-three textural features were calculated, 4 from the image histogram, 14 from the co-occurrence matrices and 5 from the run-length matrices. The regions used included MS and CM lesions in addition to the Normal Appearing White Matter (NAWM) adjacent to each lesion. The classification methods utilized in the present thesis included a/ the Probabilistic Neural Network (PNN) classifier used to estimate the capability of textural features in discriminating MS from CM and b/ the combination of the PNN classifier, the Support Vector Machines (SVM) classifier and the k-Nearest Neighbor classifier (k-NN) evaluated each one separately and as a whole in a Multi-Classifier (MC) system. Additionally, the Least-Square Feature Transformation (LSFT) technique was applied to improve the accuracy of the classification system by clustering the textural features, for each pathology, around arbitrary pre-selected points rendering them more separable. The performance evaluation of the designed classification schemes was based on the External Cross Validation (ECV) process, which is considered indicative for the generalization of the designed classification system to ‘unseen’ cases. It was found that the textural features calculated from MS and CM lesions contain useful clinical information regarding the texture of MS and CM as depicted on MR images. The classification accuracy attained was 73% in correctly discriminating MS from CM utilizing the ECV method. In addition, the utilization of the adjacent NAWM to each lesion and the LSFT technique in the classification scheme boosted the classification accuracy by 10% resulting in 83% overall classification accuracy in the MC system. The textural features that participated in the optimum feature vector were related to the degree of homogeneity, the amount of randomness and the dispersion of the gray-tone intensity values within the texture of the MS and CM. These textural characteristics are related to textural parameters that physicians employ in diagnosis and they were proportional to the textural imprint of MS and CM lesions i.e MS-regions were darker, of higher contrast, less homogeneous, and rougher as compared to CM. Finally, the proposed system might be of value as an assisting tool in lesion characterization when MS differential diagnosis issues arise. / Η σωστή διάγνωση της Σκλήρυνσης κατά Πλάκας (ΣκΠ) βασίζεται πρωτίστως στην αναλυτική παρατήρηση κλινικών συμπτωμάτων καθώς επίσης υποβοηθείται από την αξιολόγηση εικόνων Μαγνητικού Συντονισμού (ΜΣ) από έμπειρους ακτινολόγους. Αν και τα τυπικά απεικονιστικά χαρακτηριστικά της ΣκΠ είναι καταγεγραμμένα λεπτομερώς στην παγκόσμια ιατρική βιβλιογραφία, υπάρχουν άλλες παθολογίες του Κεντρικού Νευρικού Συστήματος των οποίων τα απεικονιστικά χαρακτηριστικά προσομοιάζουν εκείνα της ΣκΠ. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ιδίως στην αρχική εμφάνιση της ασθένειας, προβλήματα διαφορικής διάγνωσης μπορούν να προκύψουν. Μια από τις πιο συχνά εμφανιζόμενες παθολογίες διαφορικής διάγνωσης είναι η Εγκεφαλική Μικροαγγειοπάθεια (ΕΜ). Η σωστή και έγκαιρη διάγνωση της ΣκΠ είναι πολύ σημαντική για την πορεία της ασθένειας επηρεάζοντας σαφώς και την ποιότητα ζωής του ασθενούς. Ο αυτόματος διαχωρισμός ΣκΠ από ΕΜ με την χρήση χαρακτηριστικών υφής από εικόνες ΜΣ δεν έχει εφαρμοστεί προηγουμένως. Γενικότερα η βιβλιογραφία πάνω στην διερεύνηση του προβλήματος της διαφορικής διάγνωσης της ΣκΠ από άλλες παθολογίες είναι περιορισμένη.

H προβολή υποσυνείδητων μηνυμάτων είναι η διαδικασία έκθεσης ερεθισμάτων κάτω από το κατώφλι της συνειδητοποίησης. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να επηρεαστούν οι σκέψεις, τα συναισθήματα και ενέργειες του ανθρώπου. Η υποσυνείδητη αντίληψη συμβαίνει όταν οι πληροφορίες αποθηκεύονται στο ανθρώπινο μυαλό, χωρίς ο δέκτης να έχει συνειδητά επίγνωση του προβλήματος. Οι πληροφορίες φτάνουν στο μυαλό, γιατί ενώ δεν είναι συνειδητά αντιληπτές, γίνονται αντιληπτές από το υποσυνείδητο κομμάτι του εγκεφάλου. Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αποτίμηση των πιθανών διαφορών στις καταγραφές ηλεκτροεγκεφαλογραφήματος (ΕΕG) και προκλητών δυναμικών (ERPs) κατά την υποβολή ενός ατόμου σε οπτικά υποσυνείδητα ερεθίσματα σε σύγκριση με καταγραφές χωρίς ερέθισμα. Στην εργασία χρησιμοποιήθηκε ένα ερευνητικό πρωτόκολλο το οποίο εξετάζει το πώς επηρεάζουν τα υποσυνείδητα ερεθίσματα τη λήψη αποφάσεων και την εγκεφαλική λειτουργία. Στο πρώτο μέρος της εργασίας (κεφάλαια 1 και 2) γίνεται μια συνοπτική αναφορά στις κυριότερες μεθόδους απεικόνισης εγκεφάλου, όπως το ηλεκτροεγκεφαλογράφημα και την λειτουργική απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού καθώς και στον συνδυασμό τους για πιο ικανοποιητικά αποτελέσματα. Το κεφάλαιο 3 αναφέρεται κυρίως σε θέματα σχετικά τα προκλητά δυναμικά, καθώς και την υποσυνείδητη αντίληψη. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται η πειραματική διαδικασία και η μετρητική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε καθώς και η παρουσίαση της επεξεργασίας των μετρήσεων μέσω του eeglab. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επεξεργασίας σε διαγράμματα προκλητών δυναμικών και φασματικής ισχύος καθώς επίσης και τα συμπεράσματα της εργασίας αυτής. / The display of subliminal messages is the process of stimuli exposure below the threshold of awareness. Through this procedure the thoughts, feelings and actions of a human can be influenced. The subliminal perception occurs when information stored in the human mind without the receiver being consciously aware of it. The information reaching the brain is perceived by the subconscious part of the brain. The object of this diploma thesis is to assess the possible differences in electroencephalogram (EEG) and event - related potentials (ERPs) recordings during the presentation of visual subliminal stimuli compared to non – subliminal conditions. A protocol that examines how subliminal stimuli influence the decision making and the cerebral operation is used. In the first part of the thesis (chapters 1 and 2) there is a brief review of the main brain imaging methods such as EEG and fMRI as well as the combination of them. Chapter 3 reveals issues about event - related potentials and mostly about subliminal perception. In chapter 4, the experiment and the measuring devices used are described, and there is also a presentation of the analysis by using the eeglab. Finally, chapter 5 includes the results of analysis on event - related potential and spectral power graphs, as well as the conclusions of this work.

Οι τεχνικές απεικόνισης μοριακής διάχυσης (DWI) και τανυστή διάχυσης (DTI) είναι από τις πιο δημοφιλείς τεχνικές μαγνητικής τομογραφίας (MRI) στην έρευνα του εγκεφάλου. Διάχυση (ή θερμική κίνηση Brown) είναι ένα τυχαίο φαινόμενο το οποίο περιγράφει τη μεταφορά υλικού (π.χ μόρια νερού) από μία χωρική θέση σε άλλη με την πάροδο του χρόνου. Η διάχυση του νερού σε βιολογικούς ιστούς παρατηρείται μέσα, έξω, γύρω από τις κυτταρικές δομές και είναι αποτέλεσμα της θερμικής ενέργειας των μορίων. Η κάθε τεχνική υποστηρίζεται από τον δικό της αλγόριθμο από τους οποίους προκύπτουν και οι αντίστοιχοι παραμετρικοί χάρτες. Πιο συγκεκριμένα από την τεχνική διάχυσης προκύπτει ο δείκτης της φαινόμενης σταθεράς διάχυσης (ADC-Apparent Diffusion Coefficient) , ενώ από την τεχνική του τανυστή διάχυσης προκύπτει ο δείκτης της κλασματικής ανισοτροπίας (FA-Fractional Anisotropy). Η παράμετρος ADC δείχνει πόσο διαφέρει η διάχυση στην περιοχή ενδιαφέροντος σε σχέση με την μέση τιμή διάχυσης. Η κλασματική ανισοτροπία (FA) είναι δείκτης μέτρησης του βαθμού ανισοτροπίας της διάχυσης και η τιμή της εξαρτάται άμεσα από την ακεραιότητα των νευρικών ινών. Το φάσμα εφαρμογής των δύο τεχνικών είναι ευρύ (εφαρμογή σε απομυελινωτικές νόσους, ισχαιμικά επεισόδια, εγκεφαλικοί όγκοι). Ο κύριος λόγος είναι ότι η διάχυση των μορίων νερού είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη σε τυχόν αλλοιώσεις στη δομή των ινών της Λευκής ουσίας. Σκοπός της παρούσας ερευνητικής είναι η εφαρμογή των τεχνικών Τανυστή Διάχυσης (DTI) και Μοριακής Διάχυσης (DWI) σε τρείς κατηγορίες εγκεφαλικών όγκων (μηνιγγιώματα, γλοιώματα υψηλής και χαμηλής κακοήθειας, εγκεφαλικούς μεταστατικούς όγκους) με σκοπό τον διαχωρισμό αυτών. / The brain is a highly organized organ with a complex microstructural organization . The microstructural organization of brain tissue affects the molecular motion (diffusion) of water. Diffusion therefore reflects the structural organization of tissue. Diffusion imaging is a Magnetic Resonance (MR) imaging technique that allows the quantification to the molecular motion of water. Magnitude and directionality (anisotropy) of molecular motion of water can be described. Measurements of the magnitude of diffusion have been used to identify abnormal tissue in tumors, stroke, multiple sclerosis and status epilepticus. Diffusion tensor imaging (DTI) is a relatively new technique that allows rotationally invariant measurements of both magnitude and directionality of water diffusion. DTI sequences with calculation of apparent diffusion coefficient (ADC) and fractional anisotropy (FA) scalars allow characterization of the shape and magnitude of the diffusion ellipsoid. These parameters consequently reflect the microstructural architecture of the human brain. In addition, quantification of diffusion can be especially helpful as it may allow early diagnosis of pathology . The purpose of this study was to correlate the changes in FA and ADC between three different brain tumors and outline the probability of presurgical tumor differentiation.