Η υπολογιστική τομογραφία θώρακος αποτελεί την απεικονιστική τεχνική επιλογής για την διάγνωση και την ποσοτικοποίηση των διάμεσων νοσημάτων του πνεύμονα (1). Η διάγνωση όμως τέτοιων παθολογιών χαρακτηρίζεται από μεγάλη ένδο- και μεταξύ παρατηρητών μεταβλητότητα λόγω της μη ύπαρξης κριτηρίων του απεικονιστικού προτύπου των παθολογιών καθώς και του μεγάλου όγκου δεδομένων της εξέτασης. Για τον λόγο αυτό στην βιβλιογραφία έχει προταθεί η χρήση συστημάτων αυτόματης ποσοτικοποίησης με σκοπό την ακριβή μέτρηση των παθολογιών η οποία έως σήμερα πραγματοποιείται με ημι-ποσοτικές κλίμακες. Τα συστήματα αυτά λειτουργούν είτε σε επίπεδο τομής (2Δ) είτε σε ολόκληρο των όγκο (3Δ) του πνευμονικού πεδίου. Τα 3Δ συστήματα υπερτερούν τον 2Δ καθώς καλύπτουν το σύνολο του όγκου των πνευμονικών πεδίων περιορίζονται όμως λόγο της μειωμένης ποιότητας εικόνας (2-4). Τα συστήματα ποσοτικοποίησης αποτελούνται (συνήθως) από δύο στάδια προ-επεξεργασίας τα οποία προηγούνται του σταδίου ποσοτικοποίησης των παθολογιών. Τα στάδια προ-επεξεργασίας στοχεύουν στην απομόνωση του πνευμονικού παρεγχύματος. Ειδικότερα στο πρώτο στάδιο πραγματοποιείται απομόνωση των πνευμονικών πεδίων ενώ στο δεύτερο στάδιο πραγματοποιείται η αφαίρεση του αγγειακού δένδρου με αποτέλεσμα την απομόνωση του πενυμονικού πεδίου φυσιολογικού η μη. Η επίδραση των δύο βημάτων προ-επεξεργασίας είναι καθοριστική στην ακρίβεια του συστήματος ποσοτικοποίησης όπως έχει διατυπωθεί στην βιβλιογραφία. Τα συστήματα ποσοτικοποίησης που έχουν προταθεί έως σήμερα υιοθετούν σαν τεχνικές τμηματοποίησης πνευμονικών πεδίων είτε τεχνικές κατωφλίωσης σε συνδυασμό με μορφολογική επεξεργασία (2) είτε συνδυασμό τεχνικών που βασίζονται στην ανάλυση υφής περιοχής (5-8). Στα πλαίσια τμηματοποίησης των πνευμονικών πεδίων έχει προταθεί μια σειρά αλγορίθμων ικανή να τμηματοποίηση πνευμονικά πεδία χωρίς παρουσία παθολογιών ή με την παρουσία μικρών όγκων (οζιδίων) (9-14) ενώ μόλις πρόσφατα προτάθηκαν τεχνικές τμηματοποίησης οι οποίες στοχεύουν στην τμηματοποίηση πνευμονικών πεδίων με παρουσία διάχυτων ασθενειών του πνεύμονα (3) (15). Στην εικόνα 2 παρουσιάζονται τόσο φυσιολογικά όσο και παθολογικά πνευμονικά πεδία. Στην περίπτωση των παθολογικών πνευμονικών πεδίων είναι φανερό πως η τμηματοποίηση υπό την παρουσία προτύπων διάχυτων νοσημάτων δεν είναι «εύκολη αποστολή» καθώς τα πρότυπα της παθολογίας και ο περιβάλλον ιστός μοιράζονται κοινά απεικονιστικά χαρακτηριστικά. Λεπτομερής περιγραφή των αλγορίθμων τμηματοποίησης θα πραγματοποιηθεί στα επόμενα κεφάλαια. Στην υπολογιστική τομογραφία το σήμα (προβολές) που καταγράφεται στους ανιχνευτές χαρακτηρίζεται από παρουσία θορύβου, φαινόμενο που κυρίως οφείλεται στην τυχαιότητα απορρόφησης των φωτονίων στους ανιχνευτές. Ο θόρυβος αυτός γενικότερα αναφέρεται ως κβαντικός θόρυβος. O θόρυβος μέσω της διαδικασίας ανακατασκευής εικόνας κληροδοτείται και στη τελική εικόνα. Ο θόρυβος αυτός μπορεί να μειωθεί είτε αυξάνοντας τα στοιχεία λήψης (υψηλότερη δόση), είτε εφαρμόζοντας τεχνικές ανακατασκευής οι οποίες χρησιμοποιούν πυρήνες εξομάλυνσης (smoothing kernel).΄Όμως, λαμβάνοντας υπόψη τη βασική αρχή ακτινοπροστασίας ALARA (As Low As Reasonable Achievable) τα στοιχεία λήψης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερα. Κάνοντας όμως χρήση του πυρήνα εξομάλυνσης μειώνεται η διακριτική ικανότητα εικόνας. Αυτό φανερώνει ότι η μείωση θορύβου δεν είναι ένα τετριμμένο πρόβλημα. Με εικόνες που χαρακτηρίζονται από υψηλό SNR (σήμα προς θόρυβο) μπορεί να επιτευχθεί ακριβής διάγνωση αλλά και να αξιοποιηθούν στα πλαίσια τεχνικών ανάλυσης εικόνας όπως τεχνικές αντιστοίχισης και τμηματοποίησης [1]. Όπως προαναφέραμε τα 3Δ πρωτόκολλα χαρακτηρίζονται από μειωμένη ποιότητα εικόνας λόγω παρουσίας θορύβου σε σχέση με τα 2Δ πρωτόκολλα υψηλής ανάλυσης Έως τώρα στη βιβλιογραφία έχουν προταθεί πολλές τεχνικές για μείωση θορύβου στην υπολογιστική τομογραφία. Για παράδειγμα έχουν χρησιμοποιηθεί επαναληπτικές τεχνικές ανακατασκευής οι οποίες αποσκοπούν στην μείωση θορύβου, μέσω της βελτιστοποίησης στατιστικών συναρτήσεων [2]-[4]. To βασικό μειονέκτημα αυτών των τεχνικών είναι η υψηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα (high computational complexity). Η εφαρμογή αλγορίθμου μείωσης θορύβου μετά την ανακατασκευή εικόνας (post-processing) αποτελεί πρόκληση κυρίως λόγω του χαρακτήρα του θορύβου στην ανακατασκευασμένη εικόνα. Επιπλέον η κατευθυντικότητα του θορύβου λόγω υψηλής απορρόφησης κατά μήκος συγκεκριμένων κατευθύνσεων καθιστά τη διαφοροποίηση μεταξύ δομών και θορύβου ιδιαίτερα πολύπλοκη. Μια πολύ βασική αρχή στην οποία θα πρέπει να υπακούει κάθε τεχνική μείωσης θορύβου που εφαρμόζεται σε ιατρικές εικόνες είναι ότι η κλινική πληροφορία της εικόνας πρέπει να διατηρείται. Οι πιο πρόσφατες τεχνικές που σχετίζονται με την μείωση θορύβου στις ανακατασκευασμένες εικόνες χρησιμοποιούν τεχνικές οι οποίες αφαιρούν το θόρυβο αλλά ταυτόχρονα διατηρούν τις αιχμές της εικόνας (16). Χαρακτηριστικό ιδιαίτερα χρήσιμο στην περίπτωση των περίπλοκων απεικονιστικών προτύπων τις διάχυτης παθολογίας του πνεύμονα όπως το γραμμικό δικτυωτό πρότυπο τις πνευμονικής ίνωσης το οποίο μπορεί να συνυπάρχει με το πρότυπο της θαμβή υάλου το οποίο δεν περιέχει δομές αλλά εύκολα συγχέεται με το φυσιολογικό πνευμονικό παρέγχυμα παρουσία θορύβου. Ανοικτό ζήτημα στην βιβλιογραφία αποτελεί η τμηματοποίηση των πνευμονικών πεδίων, ιδιαίτερα στην περίπτωση όπου η παθολογία επηρεάζει τα όρια αυτών. Οι τεχνικές που έχουν προταθεί έως σήμερα εστιάζουν στην εφαρμογή των αλγορίθμων σε δεδομένα τα οποία έχουν προέλθει από τον ίδιο υπολογιστικό τομογράφο με συγκεκριμένο πρωτόκολλο λήψης. Στις μελέτες αυτές δεν έχει γίνει διερεύνηση της επίδρασης του θορύβου στους αλγορίθμους τμηματοποίησης. Οι αλγόριθμοι μείωσης θορύβου έχουν προταθεί στην βιβλιογραφία έως βήμα προ επεξεργασίας για δεδομένα τα οποία είτε προέρχονται από διαφορετικά κέντρα ή έχουν ληφθεί αξιοποιώντας διαφορετικό πρωτόκολλο. Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε μελέτη της επίδρασης των τεχνικών μείωσης θορύβου στις τεχνικές τμηματοποίησης σε δεδομένα υπολογιστικής τομογραφίας θώρακος. Στην μελέτη αξιοποιήθηκαν δεδομένα τα όποια ελήφθησαν με πρωτόκολλο λήψης 3D δεδομένων ενώ στα πνευμονικά πεδία υπήρχαν πρότυπα ενδιάμεσης πνευμονοπάθειας. Οι τεχνικές τμηματοποίησης η οποίες αξιοποιήθηκαν ήταν οι k-means, Voxel Classification based, thresholding, MRF και η ΜΕΤΕΤ. Η τεχνική k-means είχε μια παράμετρο των αριθμών κλάσεων στην εικόνα η όποια προέκυψε έπειτα από πειραματικό προσδιορισμό (κ=4). Η τεχνική MRF απαιτούσε τον καθορισμό δυο παραμέτρων, του αριθμού των κλάσεων καθώς και του Β μιας παραμέτρου που καθορίζει την βαρύτητα που παίζει η γειτονία ενός pixel. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκε μια σχετικά μεγάλη τιμή προκειμένου να μειωθεί η επίδραση του θορύβου στην τελική τμηματοποίηση. Τέλος η τεχνική ΜΕΤΕΤ περιέχει μια παράμετρο (του αριθμού κλάσεων) η όποια επιλεγεί να είναι κ=4 όπως προτείνεται στην βιβλιογραφία. Για την αξιολόγηση των αλγορίθμων τμηματοποίησης αξιοποιήθηκε η πλειοψηφία των δεικτών τμηματοποίησης που χρησιμοποιούνται στην βιβλιογραφία. Στην μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν όλοι οι δείκτες και όχι αποσπασματικά όπως εφαρμόζονται σε διάφορες δημοσιεύσεις. Το δείγμα αληθείας προέκυψε έπειτα από χειροκίνητη τμηματοποίηση 370 τομών από ακτινολόγο με χρόνια εμπειρίας στην ερμηνεία δεδομένων υπολογιστικής τομογραφίας. Για την υλοποίηση της εργασίας σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στο εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής του Πανεπιστήμιου Πατρών κατάλληλη γραφική επιφάνεια διεπαφής η οποία επέτρεπε στην ‘φόρτωση’ των δεδομένων, την τμηματοποίηση των πνευμονικών πεδίων, την εφαρμογή των αλγορίθμων μειώσης θορύβου, την χειροκίνητη τμηματοποίηση του υπολογισμού των δεικτών ακρίβειας και τέλος την αποθήκευση όλων των δεδομένων. Στην βιβλιογραφία έως σήμερα έχουν προταθεί μια σειρά αλγορίθμων τμηματοποίησης πνευμονικών πεδίων οι οποίες στοχεύουν είτε στην τμηματοποίηση υγιών πνευμονικών πεδίων είτε παθολογικών πνευμονικών πεδίων. Ωστόσο όλοι οι αλγόριθμοι εφαρμόζονται σε δεδομένα τα οποία προέρχονται από υπολογιστικούς τομογράφους με συγκεκριμένο πρωτόκολλο χωρίς να γίνεται περαιτέρω μελέτη συμπεριφοράς των αλγορίθμων σε δεδομένα από διαφορετικό πρωτόκολλο λήψης (διαφορετικό επίπεδο θορύβου). Βάση των αποτελεσμάτων τόσο στις αρχικές όσο και στις επεξεργασμένες εικόνες η τεχνική ΜΕΤΕΤ έδωσε τα καλύτερα αποτέλεσμα ως προς όλους τους δείκτες εκτός του δείκτη TPF όπου εκεί η μέθοδος k-means έδωσε το καλύτερο αποτέλεσμα. Το γεγονός αυτό μπορούμε να το αποδώσουμε επειδή η τεχνική βασίζεται στην ένταση των επιπέδων του γκρι τμηματοποιεί όλα τα τμήματα με φυσιολογική εμφάνιση άρα συμπίπτει καλύτερα με την τμηματοποίηση του ακτινολόγου χωρίς να εμφανίζει υπερ-τμηματοποίηση. Ο δείκτης TPF αποτελεί το κοινό τμήμα των δυο τμηματοποιήσεων. H στατιστική ανάλυση βάσης του δείκτη ρ που προκύπτει από το student t test ανέδειξε ότι η συμπεριφορά της ΜΕΤΕΤ δεν εμφανίζει στατιστικές σημαντικές διαφορές στις αρχικές όσο και στις επεξεργασμένες εικόνες. Τέλος οι τεχνικές τμηματοποίησης MRF, Thresholding, και Voxel Classification based εμφανίζουν την ίδια συμπεριφορά τόσο στις αρχικές όσο και στις επεξεργασμένες εικόνες. / Accurate and automated Lung Field (LF) segmentation in volumetric computed tomography protocols is highly challenged by the presence of pathologies affecting lung borders, also affecting the performance of computer-aided diagnosis (CAD) schemes. In this work, 4 three-dimensional LF segmentation algorithms are evaluated. The 4 algorithms considered are: • k-means based unsupervised segmentation. • Thresholding based segmentation (based on minimum error thresholding proposed by Kittler et al.). • Unsupervised segmentation followed by supervised border refinement. • Markov Random Field based unsupervised segmentation. Further more the algorithms are applied with or without denoising of data as a pre-processing step. Denoising techniques have been proposed to deal with the use of multi-center data i.e. datasets acquired with equipment from different vendors or different protocols. A home developed graphical user interface was used to apply the segmentation algorithms, perform denoising and finally allow for ground truth derivation. Seven quantitative indexes were used including overlap, Dice similarity coefficient, true and false positive fraction, mean distance, root mean square distance and finally distance maximum. Based on the analysis performed, unsupervised segmentation followed by supervised border refinement outperformed all the other methods exploited with respect to all quantitative measures considered except false positive fraction. Additionally the technique was robust against noise levels (performance with or without denoising did not present statistically significant difference). K-means unsupervised segmentation performed better from the other methods with respect to false positive fraction. This can be attributed to under-segmentation occurred since in this study k-means algorithm was based only on gray level information.

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.

Interstitial lung diseases are a heterogeneous group of disorders that vary widely in etiology, clinic-radiologic presentation, histopathologic features, and clinical course. MDCT is the modality of choice for determining the extent of diffuse interstitial lung disease and predicting the clinical outcomes as the scoring of fibrosis correlates well with the mortality rate. Different visual scoring systems for evaluating ILDs’ extent on HRCT have been developed over the past 20 years. Several visual scoring methods have been used to characterize and quantify the disease, correlate with common clinical parameters, prognosticate patients, assess disease progression and evaluate response to treatment. Up to date, visual scoring remains the method of choice for assessing disease extent in clinical practice. However, these methods show variable reproducibility in literature and therefore, a more accurate classification system is necessary for objective and reproducible assessment of disease extent. This has lead to considerable research efforts in advanced computer-based ILD extent quantification systems in the last 10 years. In this Thesis we compare four different available methods for the assessment of interstitial lung disease, for total, ground glass and reticular extent. A radiologist in training evaluated disease extent using a semi-quantitative visual scoring method (a), a visual pixel-based method (b) and semi-automated histogram thresholding technique (c). An automated CAD algorithm (d) was also utilized. All methods were applied to the same data sample of patients with collagen vascular diseases and lung involvement. The sample performance is reported on axial slice basis in terms of mean, standard deviation and range. Furthermore, methods have been compared pairwise by means of Bland-Altman analysis, utilized in order to assess by inspection the degree of agreement for varying disease extent. Additionally, the Intraclass Correlation Coefficient index has been calculated for all pairs compared. Statistical analysis showed almost perfect agreement between our visual pixel based method and the automated system concerning total and reticular disease extent, while the CAD algorithm and thresholding technique have demonstrated substantial agreement. None of the pairwise comparisons exhibited a high degree of agreement concerning ground glass extent estimation. Inter-observer comparison manifested significantly higher degree of agreement for the visual pixel based technique as compared to semi-quantitative visual scoring method. CAD algorithms provide a fast and reproducible disease extent and in our study present a high agreement with visual pixel based method, which is accounted for the more precise, albeit time wasting method. Resultantly, these automated systems could replace semi-quantitative visual scoring methods, not radiologists, in terms of accuracy, reproducibility and more precise clinical decision. / Οι διάμεσες πνευμονοπάθειες αποτελούν μια ετερογενή κατηγορία διαταραχών με ποικίλη αιτιολογία, κλινική, ιστολογική και ακτινολογική εικόνα. Η MDCT αποτελεί τη μέθοδο εκλογής για την εκτίμηση της έκτασης της νόσου και επομένως για την κλινική πορεία των ασθενών, εφόσον η έκταση της ίνωσης εμφανίζει υψηλή συσχέτιση με το δείκτη θνητότητας. Τα τελευταία 20 χρόνια έχουν αναπτυχθεί πολλά διαφορετικά συστήματα και μέθοδοι, που βασίζονται στην οπτική παρατήρηση και αποσκοπούν στον χαρακτηρισμό και την ποσοτικοποίηση της έκτασης της διάμεσης νόσου, καθώς και στο συσχετισμό της με κλινικές παραμέτρους, όπως η πρόγνωση και η ανταπόκριση στη θεραπεία. Οι ημιποσοτικές μέθοδοι, που βασίζονται στην οπτική παρατήρηση παραμένουν έως και σήμερα μέθοδοι εκλογής για την αξιολόγηση και ποσοτικοποίηση της έκτασης της νόσου. Εντούτοις, χαρακτηρίζονται σύμφωνα με τα βιβλιογραφικά δεδομένα από χαμηλούς δείκτες επαναληψιμότητας. Ως εκ τούτου, η αναζήτηση περισσότερο αντικειμενικών και επαναλήψιμων μεθόδων για την εκτίμηση της διάμεσης πνευμονοπάθειας είναι επιτακτική ανάγκη. Ως αποτέλεσμα, τα τελευταία 10 χρόνια η ερευνητική προσπάθεια έχει προσανατολιστεί σε αυτοματοποιημένες μεθόδους για την ποσοτικοποίηση της διάμεσης νόσου. Στην παρούσα διπλωματική συγκρίθηκαν τέσσερεις διαφορετικές μέθοδοι, διαθέσιμες για την ποσοτικοποίηση των αλλοιώσεων του πνευμονικού ιστού. Η έκταση της νόσου αξιολογήθηκε από έναν ειδικευόμενο ακτινολόγο με ημιποσοτική μέθοδο με οπτική παρατήρηση (α), με ποσοτική μέθοδο χειρονακτικού σχεδιασμού και τμηματοποίησης των προσβεβλημένων περιοχών (β) και με μια ημι-αυτόματη μέθοδο κατωφλίωσης ιστογράμματος (γ). Για τον ίδιο σκοπό χρησιμοποιήθηκε ένας αλγόριθμος υποβοήθησης διάγνωσης (CAD) (δ). Όλες οι μέθοδοι εφαρμόστηκαν στο ίδιο δείγμα δεδομένων από ασθενείς με νοσήματα του συνδετικού ιστού και πνευμονική προσβολή. Τα ημιποσοτικά αποτελέσματα, καθώς και αυτά της χειρωνακτικής τμηματοποίησης συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα δύο έμπειρων ακτινολόγων in consensus και μελετήθηκε η συμφωνία τους. Οι αποδόσεις των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν στην εκτίμηση τόσο της συνολικής έκτασης της νόσου, όσο και των επιμέρους προτύπων συγκρίθηκαν ανά ζεύγη με ανάλυση κατά Bland-Altman και με υπολογισμό του δείκτη ICC (Intraclass Correlation Coefficient). Η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε σημαντική συσχέτιση μεταξύ του CAD και του χειρωνακτικού σχεδιασμού για τη συνολική έκταση και το reticular πρότυπο, ενώ χαμηλότερη είναι η συμφωνία μεταξύ του CAD και της μεθόδου κατωφλίωσης ιστογράμματος. Δεν παρατηρήθηκε υψηλός δείκτης συμφωνίας σε κανένα ζεύγος συσχέτισης όσο αφορά την εκτίμηση του προτύπου θαμβής υάλου. Η συμφωνία των ακτινολόγων είναι υψηλότερη για την οπτική μέθοδο αξιολόγησης με χειρονακτική τμηματοποίηση σε σχέση με την ημιποσοτική μέθοδο με οπτική παρατήρηση. Οι αλγόριθμοι υποβοήθησης διάγνωσης παρέχουν γρήγορη και επαναλήψιμη εκτίμηση της έκτασης της διάμεσης νόσου και στη δικιά μας μελέτη παρουσιάζουν υψηλού βαθμού συσχέτιση με την ποσοτική μέθοδο, η οποία θεωρείται η πιο ακριβής, εντούτοις χρονοβόρα μέθοδος. Συμπερασματικά, τα αυτόματα αυτά συστήματα θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τις υποκειμενικές ημιποσοτικές μεθόδους στην ποσοτικοποίηση των διάμεσων αλλοιώσεων του πνεύμονα.

Magnetic resonance mammography (MRM) is a promising technique, since it provides high resolution breast imaging with no use of ionising radiation and with inherently good soft tissue discrimination. The addition of dynamic contrast enhancement kinetics of the breast upgraded the method to a great extend, due to highly differentiated malignant vs. benign lesion hemodynamics resulting from the angiogenetic properties of cancerous cells. Straightforward pharmacokinetic analysis, such as the 3TP algorithm, has been implemented in commercially available CAD systems. Quantitative parameters can be extracted that directly correspond to different aspects of the underlying pathology and can be compared to biopsy results. However, there is a general understanding that straightforward pharmacokinetic analysis (3TP model) requires a very demanding imaging protocol in order to be able to measure such parameters accurately. Fitting the experimental data of the dynamic series to simple mathematical models extracting quantitative features provides a means to evaluate and to shrink the big amount of data of the study to one set of images, in order make the diagnostic process faster and more robust. That could facilitate the clinical routine. The dynamic series of the MRM examinations of the 55 patients were analyzed in this study. Radiologists specialized in MRM have identified and characterized all suspicious lesions according to BIRADS lexicon. Dynamic data were fitted pixel-wise to a simple bilinear model to extract washout, time to peak and washin parameters. Subsequently, those parameters were mapped to Hue, Saturation and Value, respectively, of an HSV color model, which was utilized for characterizing the lesions. Also, Hue heterogeneity was qualitatively assessed for the characterization of lesions. In addition, observers evaluated the haemodynamic properties of the lesions with the conventional hand-drawn ROI based technique (Kuhl system). The results of the two methods were then compared to the histological ground truth to derive their classification performance. Classification performance for the proposed and the conventional one was Az=0.880.05 and Az=0.860.05, respectively, by means of ROC analysis. Results indicate no statistically different performance between the two methods, with the proposed one offering time savings and reproducibility. / Η μαγνητική τομογραφία μαστών (MRM) είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνική, αφού προσφέρει απεικόνιση των μαστών με υψηλή διακριτική ικανότητα αλλά και εγγενή ικανότητα διάκρισης διαφόρων τύπων μαλακών ιστών, χωρίς τη χρήση ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Η προσθήκη δυναμικής απεικόνισης των ιστών του μαστού με τη χρήση παραμαγνητικής σκιαγραφικής ουσίας στο εξεταστικό πρωτόκολλο ισχυροποίησε τη μέθοδο αφού υπάρχει σημαντική διαφοροποίηση στην αιμοδυναμική συμπεριφορά ανάμεσα σε καλοήθεις και κακοήθεις παθήσεις λόγω του αγγειακού δικτύου που δημιουργούν οι μεταβολικές ανάγκες των καρκινικών κυττάρων. Υπολογιστικά συστήματα αυτόματης διάγνωσης που διατίθενται εμπορικά, πραγματοποιούν φαρμοκοκινητική ανάλυση της δυναμικής συμπεριφοράς των ιστών του μαστού με χρήση μαθηματικών αλγορίθμων όπως ο αλγόριθμος τριών χρονικών σημείων (3TP). Από τέτοιες αναλύσεις εξάγονται ποσοτικές παράμετροι που έχουν ευθεία συσχέτιση με διάφορα χαρακτηριστικά της υποκείμενης παθολογίας και μπορούν να συγκριθούν με τα αποτελέσματα ιστολογικών μελετών. Παρόλα αυτά είναι γενικά αποδεκτό ότι για να επιτευχθεί ακριβής υπολογισμός των παραμέτρων αυτών απαιτείται η επιλογή ειδικού εξεταστικού πρωτοκόλλου με μεγάλες απαιτήσεις σε χρονική διακριτική ικανότητα. Η επιλογή απλών μαθηματικών μοντέλων για τον υπολογισμό ποσοτικών παραμέτρων με έμμεση συνάφεια με την παθολογία μας δίνει τη δυνατότητα να ελαχιστοποιήσουμε τον όγκο δεδομένων που παρέχει η εξέταση σε ένα σετ εικόνων και να κάνουμε τη διαδικασία της διάγνωσης πιο γρήγορη και ασφαλή από ότι παρουσιάζεται σήμερα στην κλινική ρουτίνα. Η σειρά των εικόνων της δυναμικής μελέτης των εξετάσεων μαγνητικής τομογραφίας μαστών 55 ασθενών αναλύθηκαν για αυτή τη μελέτη. Ακτινολόγοι με εξειδίκευση στην εξέταση κατέταξαν όλες τις ανιχνευθείσες παθολογικές περιοχές κατά BIRADS. Έγινε προσέγγιση των πειραματικών τιμών των pixels των δυναμικών σειρών με ένα απλό διγραμμικό μοντέλο και εξάχθηκαν χάρτες ποσοτικών παραμέτρων έκπλυσης σήματος (washout), χρόνου μέγιστης ενίσχυσης (time to peak) και ενίσχυσης (washin). Στη συνέχεια αυτές οι παράμετροι χρησιμοποιήθηκαν σαν απόχρωση (Hue), κορεσμό (Saturation) και ένταση (Value) της χρωματικής κλίμακας HSV. Με αυτή την αντιστοίχηση δημιουργήθηκαν χάρτες λειτουργικής απεικόνισης οι οποίοι και χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό της παθολογίας. Για τον τελικό χαρακτηρισμό εκτιμήθηκε ποιοτικά και η ανομοιογένεια των λειτουργικών χαρτών ως προς την απόχρωση. Επιπλέον η αιμοδυναμική συμπεριφορά των ευρημάτων εκτιμήθηκε με τη συμβατική μέθοδο περιγραφής περιοχής ενδιαφέροντος με το χέρι και εξαγωγής καμπύλης σήματος – χρόνου από αυτήν την περιοχή (μέθοδος Kuhl). Τα αποτελέσματα των δυο μεθόδων συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα της ιστολογικής εξέτασης των ελεγχθεισών παθολογιών και υπολογίστηκε η απόδοση της κάθε μεθόδου. Αυτή βρέθηκε Az=0.880.05 για την προτεινόμενη μέθοδο και Az=0.860.05 για την κλασική, με χρήση ανάλυσης ROC. Τα αποτελέσματα αυτά υποδεικνύουν ότι δεν υπάρχει στατιστικώς σημαντική διαφορά μεταξύ των δυο μεθόδων, με την προτεινόμενη να παρουσιάζει κέρδος χρόνου και αυξημένη επαναληψιμότητα.

The biomagnetic measurements offer completely non-invasive and non-contact multichannel recordings with millisecond temporal resolution that provide the direct assessment of the functional dynamics of the brain, via magnetoencephalography (MEG), and heart, via magnetocardiography (MCG). Dense-array biomagnetometers have been recently designed for the investigation of the neurophysiological development of the fetus in utero. Fetal MCG offers accurate recordings of the fetal cardiac activity that allow to examine the effects of different maternal factors (such as smoking, exercise, fatty-acids diet supplements) on the fetal neurophysiological development using measures of heart rate and heart rate variability, and high-resolution measurement of the cardiac time intervals. However, the extraction of the fetal MCG signal relies on the identification and elimination of other signal contributions associated with the maternal cardiac activity or specific fetal behavioral patterns, such as fetal sucking and hiccup activity. The results of the present thesis demonstrate the potential of the linear transformations to generate data representations that enable straightforward and effective extraction and characterization of the biomagnetic signal components, and the elimination of the interference. The independent component analysis has been proven as an efficient signal separation and filtering technique for fetal biomagnetic recordings. ICA has been shown to provide adequate interference elimination of the maternal and fetal cardiac activity for the separation of the signal associated with distinct fetal behavioral patterns. Specifically, ICA has been applied to the extraction of the non-nutritive sucking pattern in the fetus. The recorded biomagnetic signal was characterized by the distinctive rhythmic pattern of bursts documented in the fetus using Doppler ultrasonography. The signal characteristics were consistent with the pacifier-induced non-nutritive sucking recorded in the infant using measurements of the sucking pressure variation and electromyography (EMG)recordings. Additionally, the measurements in fetuses have been confirmed by the biomagnetic recordings of the pacifier-induced non-nutritive sucking in infants. Correspondingly, the signal pattern associated with the fetal hiccup activity has been recorded and characterized using biomagnetic measurements in the fetus. The signal waveform was consistent with the adult EMG data of the diaphragm motor response to electrical or magnetic stimulation of the phrenic nerve. Additionally, the simultaneous recording of the fetal cardiac activity allows the estimation of the fetal heart rate signal. Thus, it has been possible to assess the interaction between the fetal behavior and the fetal heart rhythm. Although the linear transformations of the biomagnetic data, such as the signal subspace separation, beamforming or independent component analysis methods, do not provide direct information on the location of the sources, they generate data representations that enable the separation of the distinct signal components. The signal subspace separation method based on irreducible tensor representation approach may potentially allow to segregate and remove the contribution of the external interference sources, e.g. an active ultrasound device for real-time monitoring during fetal biomagnetic recording. The preliminary assessment indicates the ability of the irreducible tensor representation technique to provide an effective data transformation for the compensation of fetal movement during the recording that affects the accuracy of the averaged fetal cardiac signal. Additionally, the modified beamformers with suppression region that integrate a priori anatomical information in order to perform an adaptive suppression of the interferers may be proven more efficient for accurate signal estimation of the fetal spontaneous brain activity, and auditory and visual evoked responses. / Σύγχρονες μή-επεμβατικές τεχνικές καταγραφής πολυκαναλικού σήματος προσφέρουν, χωρίς άμεση επαφή, βιομαγνητικές μετρήσεις με υψηλότατη χρονική ανάλυση και επιτρέπουν την άμεση εκτίμηση των δυναμικών λειτουργιών του εγκεφάλου και της καρδιάς, μέσω του μαγνητοεγκεφαλογραφήματος (ΜΕΓ) και του μαγνητοκαρδιογραφήματος (ΜΚΓ) αντίστοιχα. Η χρήση πυκνών διατάξεων μαγνητομέτρων στην ευρύτερη κοιλιακή χώρα για την καταγραφή μαγνητικών πεδίων από το έμβρυο επιτρέπει τη μελέτη της νευροφυσιολογικής ανάπτυξης του εμβρύου καθ’ όλη τη διάρκεια της κύησης. Ειδικά το εμβρυϊκό ΜΚΓ επιτρέπει την εκτίμηση της καρδιακής λειτουργίας και την εξέταση της επίδρασης διαφορετικών παραμέτρων όπως το κάπνισμα της μητέρας, η άσκησή της και η διατροφή της, χρησιμοποιώντας παράγωγα χαρακτηριστικά του εμβρυϊκού καρδιακού σήματος (π.χ. ο καρδιακός ρυθμός και η μεταβλητότητά του). Η ανάκτηση του συγκεκριμένου σήματος προϋποθέτει τον εντοπισμό και εξουδετέρωση παρασιτικών σημάτων που σχετίζονται με το καρδιακή δραστηριότητα της μητέρας ή συγκεκριμένες συμπεριφορές του εμβρύου όπως η αναρρόφηση και η κατάποση. Τα αποτελέσματα της παρούσης διατριβής επιδεικνύουν τη δυνατότητα των γραμμικών μετασχηματισμών για αναπαραστάσεις που επιτρέπουν την άμεση και αποτελεσματική εκμαίευση και περιγραφή των σημαντικών συνιστωσών του βιομαγνητικού σήματος καθώς και την αναίρεση των ανεπιθύμητων παρεμβολών. Η ανάλυση σε ανεξάρτητες συνιστώσες (ΑΑΣ) κρίθηκε ιδιαίτερα αποδοτική στην ανάδειξη της χρήσιμης πληροφορίας από εμβρυϊκές βιομαγνητικές καταγραφές και συνέβαλε στην εξουδετέρωση των σημάτων καρδιακής δραστηριότητας του εμβρύου και της μητέρας. Η κατάλληλη χρησιμοποίησή της ουσιαστικά εξασφάλισε το διαχωρισμό του σήματος που σχετίζεται με συγκεκριμένα πρότυπα συμπεριφοράς του εμβρύου. Ειδικότερα επέτρεψε την παρακολούθηση της συμπεριφοράς αυτόνομου θηλασμού (που είναιασυσχέτιστη με την διατροφική διαδικασία). Το ανακτημένο σήμα χαρακτηρίζεται από ιδιαίτερα ρυθμική δραστηριότητα που περιλαμβάνει ώσεις γνωστές και από τις απεικονίσεις μέσω του υπερηχογραφήματος Doppler. H συμπεριφορά που το σήμα αντικατοπτρίζει είναι εντελώς συμβατή με αυτή που εμφανίζεται αυτόματα στα νεογνά με την προσαρμογή πιπίλας στη στοματική τους κοιλότητα, και η οποία συνήθως μελετάται μέσω των μεταβολών πίεσης στο σχετικό ηλεκτρομυογράφημα. Η συγκεκριμένη συσχέτιση επιβεβαιώθηκε -και πειραματικά- με την καταγραφή βιομαγνητικών πεδίων από νεογνά κατά τη διάρκεια αυθόρμητου θηλασμού (δηλ. με πιπίλα). Αντίστοιχα, το ανακτημένο σήμα που σχετίζεται με τον εμβρυϊκό λόξυγκα βρίσκεται σε απόλυτη συνέπεια με τις κυματομορφές της ηλεκτρομυογραφικής απόκρισης από το διάφραγμα ενηλίκων σε ηλεκτρική ή μαγνητική διέγερση του φρενικού νεύρου. Επίσης η εξαγωγή του εμβρυϊκού καρδιακού σήματος επέτρεψε τον ακριβή υπολογισμό των μεταβολών του αντίστοιχου ρυθμού και τον συσχετισμό τους με τα διάφορα πρότυπα συμπεριφορά (θηλασμό, λόξυγκα κτλ.). Παρόλο που γραμμικοί μετασχηματισμοί των βιομαγνητικών δεδομένων (όπως τεχνικές υποχώρων, χωρικά φίλτρα επιλεκτικής κατεύθυνσης και ανάλυση σε ανεξάρτητες συνιστώσες) δεν παρέχουν άμεση πληροφορία για τον εντοπισμό των πηγών του σήματος, προσφέρουν αναπαραστάσεις των δεδομένων όπου η συνεισφορά των επιμέρους πηγών είναι καλά διαχωρισμένη. Η τεχνική διαχωρισμού υποχώρων (βασισμένη στην προσέγγιση αναπαράστασης μέσω μή αναγώγιμου τανυστή) δυνητικά μπορεί να επιτρέψει τη διάκριση και απομάκρυνση εξωγενών σημάτων όπως αυτά που προέρχονται από τις παρακείμενες συσκευές υπερηχογραφήματος που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση του εμβρύου σε πραγματικό χρόνο. Η προκαταρκτική αξιολόγηση έδειξε την δυνατότητα της τεχνικής αυτής να μετασχηματίζει τα δεδομένα με τρόπο που να βελτιώνει την ακρίβεια του εμβρυϊκού συμψηφιστικού καρδιογραφήματος (κυρίως χάριν στην αντιστάθμιση της αναπόφευκτης μετακίνησης του εμβρύου σε σχέση με του αισθητήρες). Επιπρόσθετα η εναρμόνιση της τεχνικής αυτής με την ανατομία του προβλήματος ενέχει την δυνατότητα προσαρμοστικής επεξεργασίας σήματος και αναμένεται να συμβάλει στην εκτίμηση της αυθόρμητης εγκεφαλικής δραστηριότητας του εμβρύου καθώς και των αντίστοιχων εγκεφαλικών αποκρίσεων σε εξωτερικά ερεθίσματα.

Η γνωστική έκπτωση εμφανίζεται στο 40-70% των ασθενών με ΠΣ, επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα ζωής τους και έχει συσχετισθεί τόσο με τη σωματική αναπηρία, όσο και με διάφορες απεικονιστικές παραμέτρους, όπως ο συνολικός όγκος βλαβών και δείκτες ατροφίας του εγκεφάλου. Μέθοδοι: Στην παρούσα μελέτη συμμετείχαν 80 ασθενείς με ΠΣ (50 με υποτροπιάζουσα-RRMS, 30 με δευτεροπαθώς προϊούσα-SPMS). Κατεγράφησαν δημογραφικά δεδομένα και η κλίμακα αναπηρίας EDSS. Παράλληλα, έγινε νευροψυχολογική εκτίμηση με το υπολογιστικό πρόγραμμα CNS-VS καθώς και με τη δοκιμασία οπτικονοητικής ιχνηλάτησης (TMT A και Β) και λεκτικής ροής. Μελετήθηκε η επίδραση στην καθημερινή λειτουργικότητα των ασθενών (κλίμακα IADL, ικανότητα για εργασία) και υπολογίσθηκε ο συνολικός όγκος βλαβών, η ατροφία μεσολοβίου, ατροφία θαλάμων και η διάταση της 3ης κοιλίας. Χρησιμοποιήθηκε επίσης ομάδα 31 υγιών μαρτύρων για τις νευροψυχολογικές δοκιμασίες και ξεχωριστή ομάδα 51 υγιών μαρτύρων για τα απεικονιστικά δεδομένα. Αποτελέσματα: Παρατηρήθηκε έκπτωση των γνωστικών λειτουργιών στο 38% των ασθενών με RRMS και στο 80% των ασθενών με SPMS. Οι ασθενείς μας, εμφάνισαν συχνότερα χαμηλές επιδόσεις στο χρόνο αντίδρασης (83,33% SPMS/ 58% RRMS), στη δοκιμασία TMT Β (76,67% SPMS/ 34% RRMS), στην ψυχοκινητική ταχύτητα (66,67% SPMS/ 20% RRMS), στη δοκιμασία TMT Α (63,33% SPMS/ 34% RRMS), στη δοκιμασία φωνολογικής λεκτικής ροής (50% SPMS/ 30% RRMS) και στη μνήμη (40% SPMS/ 16% RRMS). Στους ασθενείς με RRMS, η γνωστική έκπτωση εμφάνισε ασθενή συσχέτιση τόσο με τη σωματική αναπηρία, όσο και με τη διάρκεια της νόσου και το συνολικό όγκο βλαβών (p<.05). Αντίθετα, ισχυρή συσχέτιση παρατηρήθηκε μεταξύ της γνωστικής έκπτωσης και των δεικτών ατροφίας του εγκεφάλου (p<.001) Παράλληλα, η κλίμακα IADL εμφάνισε ισχυρή συσχέτιση με τη μνήμη, την ψυχοκινητική ταχύτητα, την ταχύτητα επεξεργασίας και με όλους τους δείκτες ατροφίας (p<.001). Στους ασθενείς με SPMS ανευρέθη ασθενή συσχέτιση μεταξύ γνωστικής έκπτωσης και πάχους 3ης κοιλίας (p<.05). Στο σύνολο των ασθενών με ΠΣ, συνυπολογίζοντας ως συμμεταβλητές την ηλικία, το φύλο, τα έτη εκπαίδευσης και τη διάρκεια της νόσου, η χαμηλή ψυχοκινητική ταχύτητα και οι χαμηλές επιδόσεις στη δοκιμασία TMT B αποτελούν τους πλέον ευαίσθητους δείκτες πρόβλεψης αυξημένης σωματικής αναπηρίας (p=.004 για ψυχοκινητική ταχύτητα και p=.007 για TMTB) και έκπτωσης καθημερινής λειτουργικότητας (p=.001 για ψυχοκινητική ταχύτητα), ενώ η έκπτωση της σύνθετης μνήμης (p=.002) και η χαμηλή επίδοση στη δοκιμασία TMT Β (p=.004) αποτελούν τους πλέον ευαίσθητους προγνωστικούς δείκτες της ανικανότητας των ασθενών για εργασία. Στο σύνολο των ασθενών με ΠΣ, η ατροφία των θαλάμων αποτελεί τον καλύτερο προγνωστικό δείκτη χαμηλής επίδοσης στη δοκιμασία TMT Β (p=.000) και έκπτωσης της σύνθετης μνήμης (p=.000), ενώ η ατροφία τοu μεσολοβίου αποτελεί τον πλέον ευαίσθητο δείκτη πρόβλεψης μειωμένης ψυχοκινητικής ταχύτητας (p=.000). Συμπεράσματα: Παρόλο που η έκπτωση των γνωστικών λειτουργιών είναι παρούσα από τα αρχικά στάδια της νόσου, είναι συχνότερη, πλέον έκδηλη και βαρύτερη στη χρόνια προιούσα ΠΣ. Δεν ανευρέθη διαφορετικό πρότυπο έκπτωσης γνωστικών λειτουργιών μεταξύ ασθενών με RRMS και ασθενών με SPMS. Το σφαιρικό αυτό πρότυπο, χαρακτηρίζεται από έκπτωση στην ταχύτητα επεξεργασίας πληροφοριών, ακολουθούμενο από ελλειμματικές εκτελεστικές λειτουργίες και έκπτωση της σύνθετης μνήμης. Η έκπτωση των καθημερινών δραστηριοτήτων είναι πολύ βαρύτερη στην SPMS, σε σύγκριση με την RRMS . Η επιφάνεια του μεσολοβίου και των θαλάμων αναδείχθηκαν οι πλέον ευαίσθητοι δείκτες στο διαχωρισμό των ασθενών με RRMS από SPMS. Παρατηρούμε δηλαδή, ότι παρόλο που η ατροφία είναι παρούσα από τα αρχικά στάδια της νόσου, με την πάροδο των ετών αυξάνεται σημαντικά. Η ψυχοκινητική ταχύτητα, η μνήμη και η δοκιμασία ΤΜΤ Β έχουν τη μεγαλύτερη προβλεπτική ικανότητα για την εξέλιξη της νόσου, τόσο σε επίπεδο σωματικής αναπηρίας, όσο και καθημερινής λειτουργικότητας. Οι δείκτες ατροφίας παρουσίασαν την ισχυρότερη συσχέτιση με τη γνωστική έκπτωση και την έκπτωση στην καθημερινή λειτουργικότητα. Από τους δείκτες αυτούς, η ατροφία των θαλάμων και του μεσολοβίου φαίνεται να έχουν την ικανότητα να προβλέψουν τη γνωστική έκπτωση στο σύνολο των ασθενών με ΠΣ. / Cognitive decline is present in 40%-70% of patients with MS and affects their quality of life. It has been significantly correlated with physical disability as well as with total lesion load and atrophy measures on MRI. Methods: In the present study, we evaluated 80 patients with MS (50 with RRMS, 30 with SPMS). We studied their demographic characteristics and assessed them clinically with EDSS. All patients underwent thorough Neuropsychological assessment with a computerized cognitive screening battery (CNS-VS) as well as with Trail Making Test A and B and verbal fluency task. We evaluated their everyday activities with the Instrumental Activities of Daily Living Scale, and we calculated the total lesion volume, thalamic atrophy, corpus callosum atrophy and 3rd ventricle width as apeared on the MRI. In addition, 31 healthy individuals underwent the same Neuropsychological assessment and 51 healthy individuals had brain MRI scans for comparison with our patients. Results: We found 38% of our RRMS patients and 80% of our SPMS patients to have cognitive deficits. More frequently affected measures were reaction time (83,33% SPMS/ 58% RRMS), TMT B(76,67% SPMS/ 34% RRMS), psychomotor speed (66,67% SPMS/ 20% RRMS), TMT A (63,33% SPMS/ 34% RRMS), phonological verbal fluency task (50% SPMS/ 30% RRMS) and memory (40% SPMS/ 16% RRMS). In our RRMS patients, cognitive impairment had a weak correlation with physical disability and total MR lesion load (p<.05) and a strong correlation with all atrophy measures (p<.001). Moreover, IADL were highly correlated with psychomotor speed, processing speed, memory and all MR atrophy measures (p<.001). On the other hand, our SPMS cognitively impaired patients had only a weak correlation with 3rd ventricle width (p<.05). When taking our MS patients as a single group and using as covariates age, sex, years of education and disease duration, we found that low psychomotor speed (p=.004) and poor performance on TMT B (p=.007) were the most sensitive predictors of increased physical disability, whereas psychomotor speed predicted impaired every day activities (p=.001). Employment status was predicted by impaired composite memory (p=.002) and poor performance on TMT B (p=.004). Thalamic atrophy was the most sensitive indicator for poor performance on TMT B (p=.000) and impaired memory (p=.000), while corpus callosum atrophy was the best indicator for slow psychomotor speed (p=.000). Conclusions: Although cognitive impairment is present from the early stages of MS, it is much commoner, more pronounced and severe at the progressive stage of MS. In the present study, we were not able to find a different pattern of cognitive decline between RRMS and SPMS patients. We observed a global pattern, consisting of impairment in information processing speed, followed by executive dysfunction and memory deficits. As disease progresses, everyday activities are affected more severely. Comparison of RRMS and SPMS patients revealed statistical significant difference in the surface of corpus callosum and thalami, indicating that although atrophy is present form the early stages of the disease, it is more prominent in the progressive stage. Psychomotor speed, composite memory and TMT B are the best predictors of EDSS and every day activities impairment (IADL). All of our MR atrophy measures had a strong correlation with cognitive decline and impaired every day activities. It seems that thalamic atrophy and corpus callosum atrophy are the best predictors of cognitive decline in our MS patients.

- / -

- / -

Medical imaging is the main tool to extract a 3D modelling of the human body or specific organs within it. In order to accomplish this, various imaging modalities have been developed over the years, such as X-Ray Computed Tomography (CT), Magnetic Resonance Imaging (MRI) and Positron Emission Tomography (PET). Each one is based on a particular energy source that passes through the body and on specific physical laws, which define the meaning of noise and the sensitivity of the imaging process. In all medical imaging systems the main goal is to increase resolution since higher resolution is a key factor in increased information content, which is critical for increased accuracy in the understanding of the anatomy and in the assessment of size and morphological structure of organs, for early detection of abnormalities, suspected pathologies and more. In order to overcome the resolution limitations, one promising idea is to use signal processing techniques to enhance the spatial resolution. This approach proposes the acquisition of a high-resolution (HR) image from observed multiple low-resolution (LR) images. This image restoration approach is called super resolution (SR) image reconstruction (or restoration). It is the process of combining multiple low resolution images to form a high resolution image. The basic requirement in order to apply SR restoration techniques is the availability of multiple LR images captured from the same scene, which are sub-sampled (aliased) as well as shifted with subpixel precision. Each observed LR image is expressed as the result of a sequence of operators on the original HR image source, consisting of a geometrical warp, blurring and down-sampling. The SR image reconstruction method consists of three stages, registration, interpolation and restoration (i.e., inverse procedure). In the registration stage, the relative shifts between LR images, with reference to a certain LR image, are estimated with fractional pixel accuracy. Accurate sub-pixel motion estimation is a very important factor in the success of the SR image reconstruction algorithm. Since the shifts between LR images are arbitrary, the registered HR image will not always match up to a uniformly spaced HR grid. Thus, non-uniform interpolation is necessary, to obtain a uniformly spaced HR image from a non-uniformly spaced composite of LR images. Finally, image restoration is applied to the up-sampled image to remove blurring and noise. In order to evaluate the performance of SR reconstruction, a ‘simulate and correct’ approach to reconstruction is selected. First, simulated images of a computer generated phantom are formed and processed in order to comply with the observation model for the LR images. These are used as the images from which the HR image is constructed through the SR method. The iterative back-projection (IBP) algorithm suggested by Irani and Peleg has been chosen to be utilized, which belongs in the spatial domain methods and it is an easily and intuitively understood method. The results of the SR reconstruction are presented separately for the axial and the transaxial case. The evaluation relies on qualitative measures of image enhancement and on objective quantitative measures, such as the resolution (FWHM), the signal-to-noise ratio, the contrast ratio and the contrast-to-noise ratio. The performed trials demonstrated improvement in both the axial and transaxial resolution. The super-resolution images also provide a significantly improved contrast ratio, which is important for improving sensitivity for detection of small details and features. The improvement in resolution can be achieved without using any hardware changes or any increase in the patient radiation procedure. An important contribution of super-resolution is also the reduction of partial volume effects in the reconstructed image. The loss in SNR, which is a typical characteristic of all resolution enhancement algorithms, was not that considerable to preclude the clinical application of super-resolution. The overall evaluation demonstrated that the SR reconstruction is a post-processing method, which can provide medical images of higher resolution and better contrast ratio, without increasing the amount of radiation or the duration of the scan. / Η ιατρική απεικόνιση είναι το κύριο εργαλείο για την τρισδιάστατη μοντελοποίηση του ανθρώπινου σώματος και συγκεκριμένων οργάνων. Για να επιτευχθεί αυτό, διάφορες μέθοδοι απεικόνισης έχουν αναπτυχθεί, όπως η Υπολογιστική Τομογραφία, η Μαγνητική Τομογραφία και η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίου. Η κάθε μία βασίζεται σε μια συγκεκριμένη πηγή ενέργειας η οποία διαπερνά το ανθρώπινο σώμα και έχει συγκεκριμένες φυσικές ιδιότητες. Σε όλα τα συστήματα ιατρικής απεικόνισης, ο βασικός στόχος είναι η βελτίωση της διακριτικής ικανότητας και κατα συνέπεια της παρεχόμενης πληροφορίας, η οποία είναι σημαντική για την ακρίβεια στην κατανόηση της ανατομίας και στην εκτίμηση του μεγέθους και της μορφολογίας των οργάνων, για την έγκαιρη διάγνωση ανωμαλιών κλπ. Μια από τις μεθόδους που έχουν προταθεί για τη βελτίωση της διακριτικής ικανότητας είναι η χρήση τεχνικών επεξεργασίας εικόνας. Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο, η οποία λέγεται Super Resolution, μια εικόνα υψηλής διακριτικής ικανότητας προκύπτει από πολλαπλές εικόνες χαμηλής διακριτικής ικανότητας. Η βασική προϋπόθεση για την εφαρμογή της μεθόδου είναι η ύπαρξη πολλαπλών εικόνων χαμηλής διακριτικής ικανότητας από την ίδια σκηνή, οι οποίες είναι μετατοπισμένες με ακρίβεια ενός κλάσματος píxel. Κάθε εικόνα χαμηλής διακριτικής ικανότητας εκφράζεται σαν το αποτέλεσμα ενός γεωμετρικού μετασχηματισμού, παραμόρφωσης και υπο-δειγματοληψίας της εικόνας υψηλής διακριτικής ικανότητας. Η ανακατασκευή μιας εικόνας με τη μέθοδο Super Resolution περιλαμβάνει τρία στάδια. Στο πρώτο στάδιο, υπολογίζονται οι σχετικές μετατοπίσεις μεταξύ των εικόνων. Η ακριβής εκτίμηση αυτής της σχετικής κίνησης είναι κρίσιμος παράγοντας για την απόδοση του αλγορίθμου ανακατασκευής. Για την εκτίμηση της απόδοσης της ανακατασκευής χρησιμοποιείται ένας αλγόριθμος ‘προσομοίωσης και διόρθωσης’. Αρχικά παράγονται οι εικόνες που θα χρησιμοποιηθούν σαν βάση για την ανακατασκευή της εικόνας υψηλής διακριτικής ικανότητας. Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιείται είναι ο IBP (iterative back-projection), όπως προτάθηκε από τους Irani, Peleg. Η εκτίμηση της απόδοσης της μεθόδου βασίζεται σε ποιοτικά και ποσοτικά κριτήρια, όπως η διακριτική ικανότητα (FWHM), το SNR και η διακριτική ικανότητα αντίθεσης. Οι δοκιμές έδειξαν βελτίωση στην διακριτική ικανότητα και στην διακριτική ικανότητα αντίθεσης, η οποία είναι σημαντική για τη βελτίωση της ικανότητας ανίχνευσης λεπτομερειών. Οι βελτιώσεις αυτές επιτυγχάνονται χωρίς αλλαγές στο επίπεδο του υλικού και χωρίς αύξηση του χρόνου έκθεσης του ασθενούς στην ακτινοβολία. Η απώλεια σε SNR, η οποία είναι τυπική συνέπεια όλων των αλγορίθμων ανακατασκευής, δεν είναι απαγορευτική για τη χρήση της μεθόδου. Η συνολική εκτίμηση της μεθόδου, δείχνει ότι είναι μια μέθοδος επεξεργασίας, μέσω της οποίας μπορούν να προκύψουν ιατρικές εικόνες υψηλής διακριτικής ικανότητας, χωρίς την αύξηση της ποσότητας της ακτινοβολίας και του χρόνου έκθεσης του ασθενούς.

Η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων, η οποία συχνά αναφέρεται με βάση το ακρωνύμιό της, PET (Positron Emission Tomography), αποτελεί μία πρωτοποριακή τεχνική απεικόνισης η οποία παρέχει εγκάρσιες τομές της λειτουργίας των διαφόρων δομών του ανθρωπίνου σώματος. Η Τομογραφία PET επιτρέπει την μεταβολική απεικόνιση αυτών των δομών (σε αντίθεση με τις ακτίνες-Χ και την Υπολογιστική Τομογραφία (CT – Computer Tomography) οι οποίες παρέχουν ανατομική απεικόνιση), σε μοριακό επίπεδο, και αυτός είναι ο λόγος που συχνά η Τομογραφία PET αναφέρεται ως μοριακή απεικόνιση. Ειδικότερα, οι τομογράφοι PET για μικρά ζώα (Small Animal PET) οι οποίοι απαιτούν ιδιαίτερα υψηλή διακριτική ικανότητα, διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην βιολογία και στις in-vivo μελέτες της φαρμακοκινητικής των ιχνηθετών και του μεταβολισμού. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία έχουν αναφερθεί διάφοροι τύποι τομογράφων PET, στους οποίους χρησιμοποιήθηκαν διάφοροι τύποι ανιχνευτικών διατάξεων, με διαφορετικό σχεδιασμό σε κάθε περίπτωση. Η τεχνολογία αυτών των τομογράφων βασίζεται στη χρήση μικρών ανόργανων κρυστάλλων, κυρίς αποτελούμενων από BGO, GSO και LSO, οι οποίοι σχηματίζουν ένα block στο οποίο έχει προσαρτηθεί ένας φωτοπολλαπλασιαστής είτε με ευαισθησία θέσης (PS – PMT: Position Sensitive PhotoMultiplier Tube), είτε με πολλαπλές ανόδους (multianode PMT). To BGO (Bismuth Germanate Oxide) είναι το υλικό που χρησιμοποιείται σε αρκετούς εμπορικούς Τομογράφους, έχοντας πλέον αντικαταστήσει το ιωδιούχο νάτριο (ΝαΙ). Ένα πρότυπο σύστημα small animal PET χαμηλού κόστους βρίσκεται υπό ανάπτυξη, προκειμένου να μελετήσουμε τα επιμέρους σχεδιαστικά χαρακτηριστικά του και να μετρήσουμε την απόδοσή του. Ο βασικός block ανιχνευτής αποτελείται από μία 16×16 διάταξη επιμέρους BGO κρυστάλλων διαστάσεων 3.75×3.75×20 mm3, ο οποίος έχει τοποθετηθεί με ειδική διεργασία στην επιφάνεια ενός Hamamatsu R-2486 PSPMT. Με τη χρήση κατάλληλων ηλεκτρονικών διατάξεων και την ανάπτυξη ειδικού λογισμικού πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της απόδοσης των επιμέρους ανιχνευτών καθώς επίσης και μετρήσεις σχετικές με τους φωτοπολλαπλασιαστές. / Positron Emission Tomography, often referred to by its acronym, PET, is an emerging radiologic modality that yields transverse tomographic images of functioning organs in the human body. PET enables the metabolic imaging of organs (as opposed to the anatomic imaging provided by techniques such as the X-ray imaging or the Computerized Tomography (CT)), in molecular level, and this is the reason why it is characterized as molecular imaging. Especially, small animal PET tomographs which require high spatial resolution can play an important role in biology and studies of in vivo tracer pharmacokinetics and metabolism. Various implementations have been reported in the literature using a variety of detector and design technologies. The basic technology for these scanners is based on small inorganic crystals, mainly from BGO, GSO, and LSO, forming detector blocks read out by position sensitive and multianode PMTs. BGO is the material used in a lot of commercial scanners, having replaced NaI, mainly because BGO has higher stopping power and it is not hygroscopic. We have been developing a low-cost small animal PET prototype, in order to study specific design characteristics and measure its performance. The basic block detector design consists of a 16×16 array of 3.75×3.75×20 mm3 individual BGO crystals coupled to a Hamamatsu R-2486 PSPMT. Measurements of the individual detector performance as well as measurements of the PSPMTs have been performed.