Είναι κοινά αποδεκτή η γνώμη ότι στις μέρες μας η υπολογιστική τομογραφία αποτελεί αναπόσπαστο μέσο διάγνωσης στην κλινική πράξη. Προκαταρκτικές όμως εξετάσεις ρουτίνας σε μικρά ζώα είναι επίσης ωφέλιμες με απώτερο στόχο την εφαρμογή νέων τεχνικών διάγνωσης και τη βελτίωση παλαιοτέρων, στον άνθρωπο. Αυτό τον ρόλο καλείται να παίξει η μικροτομογραφία, που ουσιαστικά αποτελεί μια παραλλαγή της κλασσικής Υπολογιστικής Τομογραφίας Κωνικής Δέσμης (CBCT). Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη, η ανάπτυξη, η εφαρμογή και η αξιολόγηση αλγορίθμων ανακατασκευής εικόνας μικρών ζώων και αντικειμένων, απο τις προβολικές εικόνες τους. Συνδυάζοντας προβολικά δεδομένα λήψης από διάφορες γεωμετρίες, όπως της επίπεδης ισοκεντρικής τροχιάς αλλά και της τρισορθογώνιας, της ελικοειδούς καθώς και αυτής του περιορισμένου γωνιακού κυκλικού τόξου, ανακατασκευάστηκαν λογισμικά κυρίως μοντέλα των υπό εξέταση δειγμάτων. Με απώτερο στόχο την εφαρμογή αλλά και τη βελτίωση γνωστών αλγορίθμων ανακατασκευής αλλά και τον πειραματισμό και την ανάπτυξη καινούργιων μεθόδων αναδημιουργίας στο χώρο της τομογραφίας, ένα νέο λογισμικό εργαλείο δημιουργήθηκε στα πλαίσια της διατριβής αυτής. Πρόκειται για την Υπολογιστική Βιβλιοθήκη CLCT, μια ενοποιημένη πλατφόρμα προσομοίωσης που έχει αναπτυχθεί στην αντικειμενοστραφή γλώσσα προγραμματισμού C++. Χρησιμοποιώντας το εργαλείο αυτό, είναι δυνατή η σύνθεση ενός σεναρίου υπολογιστικής τομογραφίας με χρήση των επιμέρους στοιχείων της βιβλιοθήκης. Στο πλαίσιο της βιλιοθήκης, έχει αναπτυχθεί πληθώρα εργαλείων που αφορούν την ανακατασκευή αλλά και την επεξεργασία εικόνας. Παραδείγματα χρήσης της βιβλιοθήκης αναφέρονται τόσο για την περίπτωση της μικροτομογραφίας κωνικής δέσμης (στην ανακατασκευή μοντέλων μικρών ζώων και πειραματικών δεδομένων) όσο και για άλλες γενικές εφαρμογές της κλασσικής υπολογιστικής τομογραφίας στην ιατρική. / It is common belief that nowadays Computed Tomography is an integral part of medical diagnosis. Preliminary studies on small animals are also useful as they allow applying new diagnostic techniques and imaging modalities on humans, while improving at the same time the well established traditional methods. This is a role to be played by micro Computed Tomography (μCT), a technique similar to the conventional Cone Beam CT. The aim of the current thesis is to study, develop, apply and evaluate image reconstruction algorithms using projection images of small animals and objects. Using different acquisition geometries like circular or three-orthogonal trajectories as well as helical and limited arc trajectories, reconstructions were performed using software phantoms. A new software tool, CLCT library, was created during this thesis aiming to contribute to the implementation and improvement of well-known image reconstruction algorithms but also to the experimental testing and evaluation of new image reconstruction techniques. CLCT is an object-oriented class library, implemented in C++. In the core of the library, fundamental elements are classes, tightened together in a logical hierarchy. Real world objects, like an X-Ray Source or a Flat- Detector, can be defined as instances of corresponding classes. Various utilities (like 3D transformations, loading, saving, filtering of images, creation of planar or curved objects of various dimensions) have been incorporated in the software tool as class methods. They allow the user to easily set up any arrangement of these objects in 3D space and to experiment with many different trajectories and configurations. The application of CLCT library confirms the flexibility of the approach which is presented in this thesis through simulations on software phantoms as well as on real projection data for both cases of μCT and conventional Cone Beam CT.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μια μελέτη σύγκρισης και βελτιστοποίησης διάφορων αλγορίθμων ανακατασκευής δεδομένων, τα οποία προέρχονται από ένα πρότυπο σύστημα ΡΕΤ ικανό για απεικονίσεις μικρών ζώων. Η σύγκριση αφορά υπάρχοντες αλγορίθμους ανακατασκευής ενώ παρουσιάζεται και ένας νέος επαναληπτικός αλγόριθμος o ISWLS. Το δεύτερο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ασχολείται με ένα άλλο σημαντικό στάδιο της επεξεργασίας ιατρικών δεδομένων την τμηματοποίηση της ιατρικής εικόνας. Παρουσιάζονται διάφορες τεχνικές παραμετρικών ελαστικών μοντέλων. Συγκεκριμένα παρουσιάζονται το κλασσικό μοντέλο φιδιού (snake), το μοντέλο gradient vector flow (gvf-snake) και τα t-snakes (topology-adaptive snakes). Επίσης παρουσιάζεται η μέθοδος self-affine mapping σαν μια εναλλακτική των παραπάνω παραμετρικών ελαστικών μοντέλων και εισάγεται ένα νέο κριτήριο σύγκλισής της. Όλες οι τεχνικές εφαρμόζονται σε οφθαλμικές εικόνες με σκοπό την τμηματοποίηση του οπτικού δίσκου / Small animal imaging is the conjunctive ring between experimental research and clinical implementation. Positron Emission Tomography (PET) has proven a valuable tool for in vivo small animal functional imaging. Image reconstruction in PET uses the collected projection data of the object/patient under examination. The purpose of this study is to assess the performance of iterative reconstruction methods, using phantom data from a prototype small-animal PET system. The algorithms being compared are the simultaneous versions of ART (SART), EM-ML, ISRA and WLS and a new iterative algorithm being introduced under the short name ISWLS. In the second part of this thesis elastic or deformable models are studied. Various methods of parametric elastic models are presented, namely the classical snake, the gradient vector field snake (gvf-snake) and the topogy-adaptive snake (t-snake). Also presented the method of self-affine mapping system as an alternative of elastic models. Further a new comparison criterion for the self affine mapping system method is introduced. All methods are applied to retinal images with the purpose of segmenting the optical disk. Moreover the aforementioned methods are compared in terms of segmentation accuracy.

- / -

- / -

MultiDetector-row Computed Tomography (MDCT) or MultiSlice Computed Tomography (MSCT) has undergone remarkable progress since its first introduction at the end of the 1990s. Given that CT examinations are generally recognized as a relatively high-dose procedure, concern has been expressed at the associated increase in doses. The International Committee on Radiation Protection (ICRP) noted in their report No.87 that absorbed doses in tissues from CT are among the highest observed in diagnostic radiology (i.e. 10–100 mGy). Therefore, the purpose of this thesis is to calculate the dosimetric quantities for brain, chest, and abdomen-pelvis examinations that were carried out using Philips Brilliance 16 and Brilliance 64 CT Scanners of the University General Hospital “Attikon”, as well as to perform their intercomparison. For brain examinations, axial technique was utilized. However, for chest and abdomen-pelvis examinations, spiral technique was applied. The effect of overranging (or overscanning) is connected with spiral mode and its contribution to patient dose is really important in case of MSCT scanners. Therefore, the contribution of the overrange effect for body examinations carried out was calculated. In the framework of this thesis, the contribution of overrange to the effective dose received by patients submitted to the forementioned examinations is calculated. Additionally, dose measurements were carried out in order to estimate the radiation burden to the eye lenses and the thyroid during the typical brain examination, both when eye lenses are inside and outside the irradiation field. / Οι Υπολογιστικοί Τομογράφοι (ΥΤ) πολλαπλών τομών έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο από την κλινική εφαρμογή τους στις αρχές του 1990. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν ότι οι εξετάσεις ΥΤ συνεπάγονται υψηλή ακτινική επιβάρυνση του ασθενή, η μελέτη τους έχει συγκεντρώσει το ερευνητικό ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Η Διεθνής Επιτροπή Ακτινοπροστασίας (ICRP) επισημαίνει στην αναφορά Νο 87 ότι η απορροφούμενη δόση στους ιστούς από εξετάσεις ΥΤ είναι από τις υψηλότερες στη διαγνωστική ακτινολογία (10-100 mGy). Συνεπώς, σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο υπολογισμός των δοσιμετρικών μεγεθών για τις συνήθεις εξετάσεις εγκεφάλου, θώρακος και άνω-κάτω κοιλίας, οι οποίες πραγματοποιούνται με τους ΥΤ πολλαπλών τομών Brilliance 16 και Βrilliance 64 της Philips στο Π.Γ.Ν “ΑΤΤΙΚΟΝ ”,καθώς επίσης και η σύγκριση των αντίστοιχων δόσεων μεταξύ των συγκεκριμένων ΥΤ. Οι ασθενείς που υποβάλλονται σε εξετάσεις θώρακος και άνω-κάτω κοιλίας που πραγματοποιούνται με ελικοειδή τεχνική λαμβάνουν επιπλέον δόση (overscan) που οφείλεται στην τεχνική αυτή. Η συνεισφορά του “overscan” είναι ιδιαίτερα σημαντική στους ΥΤ πολλαπλών τομών, οπότε επιπλέον στόχος αυτής της διπλωματικής είναι ο υπολογισμός της. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της δόσης του θυρεοειδή και των φακών των οφθαλμών κατά την υποβολή ασθενών στη συνήθη εξέταση εγκεφάλου, τόσο στην περίπτωση παρουσίας των οφθαλμών εντός όσο και εκτός πεδίου ακτινοβόλησης.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η αξιολόγηση ενός αυτόματου συστήματος ποσοτικοποίησης της έκτασης της διάμεσης νόσου με απεικονιστικά κριτήρια, όπως την σύγκριση με την ημιποσοτική αξιολόγηση των ακτινολόγων και με την συνεχή αξιολόγηση από ακτινολόγους βασιζόμενη στον χειρωνακτικό σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών. Τα αποτελέσματα του αυτοματοποιημένου συστήματος συγκρίθηκαν και με την υποβοηθηση από το σύστημα. Για την οπτικοποίηση της διασύγκρισης των συστημάτων μεταξύ τους χρησιμοποιήθηκαν οι καμπύλες συμφωνίας. Τέλος, μελετήθηκε η συσχέτιση του συστήματος και των ημιποσοτικών εκτιμήσεων των ακτινολόγων με εργαστηριακούς απεικονιστικούς δείκτες, τις πνευμονικές δοκιμασίες. Υλικά και Μέθοδοι Για την εκπόνηση της διατριβής χρησιμοποιήθηκε μια δεξαμενή 47 περιστατικών με νόσο του κολλαγόνου και 4 φυσιολογικών ασθενών. Από αυτήν 14 περιστατικά χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη και εκπαίδευση του συστήματος και 37 περιστατικά επελέγησαν για την αξιολόγηση του συστήματος, με απεικονιστικά πρότυπα θαμβής υάλου (ggo) και δικτυωτού προτύπου (reticular). Το πρωτόκολλο σάρωσης ήταν χαμηλής δόσης απεικόνιση με MDCT 16 ανιχνευτών, που επέτρεπε την λήψη τρισδιάστατων δεδομένων. Αρχικά αναπτύχθηκε το αυτόματο σύστημα σε γλώσσα προγραμματισμού MATLAB (ΜΑΤLAB 7.5 R 2007b) και εκπαιδεύτηκε από τους ακτινολόγους ως προς τα διάφορα στάδια ολοκλήρωσης: (1) Προεπεξεργασία (preprocessing): Τμηματοποίηση πνευμονικών πεδίων και αφαίρεση αγγειακού δέντρου, (2) Ταξινόμηση-Αναγνώριση και χαρακτηρισμός προτύπων διάμεσου ιστού. Το σύστημα αξιολογήθηκε σε δείγμα διαφορετικό από της εκπαίδευσης από την πρώτη δεξαμενή περιστατικών με δείκτες απόδοσης Volume Overlap, ΤPF, FPF. Κατόπιν, το τρισδιάστατο (3D) σύστημα αξιολογήθηκε στο κλινικό δείγμα 37 ασθενών με τις 3D ημιποσοτικές αξιολογήσεις δύο ακτινολόγων (Α΄ Κύκλος Πειραματικού σχεδιασμού). Στην αξιολόγηση αυτή συσχετίστηκαν τα τρισδιάστατα αποτελέσματα ποσοτικοποίησης του CAD ως προς την συνολική έκταση νόσου, την έκταση του ground glass και του reticular προτύπου με τις εκτιμήσεις από δύο ξεχωριστούς έμπειρους ακτινολόγους και του μέσου όρου αυτών ημιποσοτικά στους όγκους των σαρώσεων (περίπου 250 τομές ανά σάρωση ασθενούς) με στατιστική μέθοδο Spearman rank order. Επίσης μελετήθηκαν οι διαφορές μεταξύ των εκτιμήσεων, αναλύθηκαν με Blant –Altman διαγράμματα και boxplots (R1vs. CAD, R2vs.CAD, Rmvs.CAD, R1 vs.R2, R1 vs.R1s). Μετρήθηκε επίσης η συμφωνία ενδο κα μεταξύ των ακτινολόγων. Για τον B΄ κύκλο πειραματικού σχεδιασμού αξιολογήθηκε το 2D σύστημα σε 185 εγκάρσιες τομές (37 σαρώσεις ασθενών) για το ποσοστό της συνολικής έκτασης και της έκτασης του ground glass και του reticular προτύπου. Σαν βάση αναφοράς χρησιμοποιήθηκε η consensus αξιολόγηση δύο έμπειρων ακτινολόγων με σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών σε μια τράπεζα σχεδιασμού (Wacom Intuos 3 Tokyo, Japan) με τη βοήθεια μιας γραφικής επιφάνειας διεπαφής (GUI). Επίσης αναλύθηκαν οι ίδιες τομές και αξιολογήθηκαν ημιποσοτικά in consensus από τους ακτινολόγους. Τέλος αξιολογήθηκε στο ίδιο δείγμα το υποβοηθούμενο CAD ως προς την βάση αναφοράς. Συσχετίστηκαν οι 2D εκτιμήσεις του συστήματος και των ακτινολόγων in consensus (1) ημιποσοτικά (CADvsSQRcons) και (2) ποσοτικά με σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών pixel-wise (CADvsRref). Οι συσχετίσεις πραγματοποιήθηκαν με Intraclass Correlation Coefficient (ICC) και τα αντίστοιχα 95% Confidence Intervals (CI). Μετρήθηκε επίσης η συμφωνία ενδο κα μεταξύ των ακτινολόγων. Οι διαφορές στην έκταση της νόσου για τις διαφορετικές αξιολογήσεις (CAD - Rref, CAD+Rcons-Rref και SQRcons - Rref) απεικονίστηκαν με Bland-Altman ανάλυση για την συνολική έκταση της νόσου και για τα επιμέρους πρότυπα: το ggo και το reticular. Επίσης υπολογίστηκε η μέση διαφορά (mean difference MD) και το 95% των διαφορών (μέση τιμή±1.96SD), που ονομάζεται όρια συμφωνίας (limits of agreement (LoA95). Για να οπτικοποιηθούν τα αποτελέσματα των αξιολογήσεων της έκτασης νόσου και να διευκολυνθεί η διασύγκριση μεταξύ τους , δημιουργήθηκε μια απεικόνιση με καμπύλες συμφωνίας για κάθε σύστημα αξιολόγησης σε συνάρτηση με την βάση αναφοράς Τέλος συσχετίστηκαν οι τρισδιάστατοι όγκοι των 37 ασθενών σε ότι αφορά (1) την συνολική έκταση της νόσου (2) την έκταση του ggo και (3) την έκταση του reticular όπως εκτιμώνται από το 3DCAD και με την ημιποσοτική αξιολόγηση των ακτινολόγων 3DSQRconsRcons με τις φυσιολογικές παραμέτρους σπειρομέτρησης. ατόπιν συσχετίστηκαν τα 2D δεδομένα στις 185 εγκάρσιες τομές (μέσες τιμές των 5 τομών ανά σάρωση από τους 37 ασθενείς ) για το 2D CAD και την αντίστοιχη ημιποσοτική αξιολόγηση σε 2D SQ . Συγκρίθηκαν οι συσχετίσεις 2DCADvs2DCAD και 3DSQvs2DSQ. με δείκτες συσχέτισης Pearson correlation coefficient (R). Αποτελέσματα Η στατιστική ανάλυση της απόδοσης του συστήματος για την τμηματοποίηση των πνευμονικών πεδίων εκτιμάται ως εξής: (1) Volume overlap: 0.954±0.023, (2)d mean: 1.080±0.364 (3) drms: 1.407±0.735 (4) d max : 4.944±3.492. Η στατιστική ανάλυση της απόδοσης του συστήματος για την τμηματοποίηση του αγγειακού δέντρου και στα δύο πνευμονικά πεδία εκτιμάται ως εξής: (1) Volume overlap: 0.931±0.027, (2 ) ΤPF:0.935±0.036 (3) FPF:0.074±0.03. Η απόδοση του συστήματος στην αναγνώριση και χαρακτηρισμό των παθολογικών προτύπων της διάμεσης νόσου στα περιστατικά που χρησιμοποιήθηκαν για την εκπαίδευση είναι: Για το πρότυπο ground glass: (1) Volume overlap : 0.794±0.038, (2) ΤPF:0.812±0.045, (3) FPF: 0.163±0.017. Για το reticular πρότυπο οι δείκτες απόδοσης είναι: 1) Volume overlap: 0.883±0.037, (2) ΤPF:0.972±0.013 (3) FPF :0.0971±0.012. Οι ανάλογοι δείκτες για την συμφωνία των ακτινολόγων ενδο και μεταξύ- έχουν ως εξής: Για την συμφωνία των ακτινολόγων (ενδο-): Για το πρότυπο ground glass: (1) Volume overlap: 0.47±0.20, (2) ΤPF :0.972±0.01, (3) FPF : 0.0971±0.012. Για το reticular πρότυπο οι δείκτες απόδοσης είναι: (1) Volume overlap : 0.53±0.19, (2)ΤPF: 0.715±0.20, (3)FPF: 1.72±1.05. Για την συνολική έκταση της νόσου, οι αντίστοιχες τιμές είναι: (1) Volume overlap: 0.54 ± 0.18, (2) ΤPF : 0.74 ± 0.18,(3) FPF :1.19±1.85. Για την συμφωνία των ακτινολόγων (μεταξύ-): Για το πρότυπο ground glass: (1) Volume overlap: 0.33±0.22, (2) ΤPF: 0.58±0.27, (3)FPF: 2.48±2,74. Για το reticular πρότυπο οι δείκτες απόδοσης είναι: (1)Volume overlap: 0.51±0.11, (2)ΤPF: 0.72±0.19, (3) FPF:1.36±1.33. Για την συνολική έκταση της νόσου, οι αντίστοιχες τιμές είναι: (1)Volume overlap: 0.51±0.21, (2)ΤPF: 0.69±0.22, (3) FPF: 1.21±0.89. Για τον Α΄ κύκλο πειραματικού σχεδιασμού σε 3D, τα αποτελέσματα δείχνουν στατιστικά σημαντική συσχέτιση της ποσοτικοποίησης του CAD και των ημιποσοτικών εκτιμήσεων των ακτινολόγων (ως βάση αναφοράς), σε ότι αφορά στην συνολική έκταση της νόσου και την έκταση του reticular προτύπου (R=0.949, p=<0.0001, R= 0.915, p=<0.0001, αντίστοιχα), ενώ μέτρια ήταν η συσχέτιση για το ggo πρότυπο (0.806, p=0.0009). Οι ανάλογοι δείκτες για την συμφωνία των ακτινολόγων ενδο και μεταξύ- έχουν ως εξής: Για την συμφωνία των ακτινολόγων (ενδο-): Συνολική έκταση της νόσου: R=0.903, p=<0.0001, έκταση του reticular προτύπου: R= 0.966, p=<0.0001 και έκταση του ggo προτύπου: 0.766, p=<0.0001. Για την συμφωνία των ακτινολόγων (μεταξύ-): Συνολική έκταση της νόσου: 0.838, p=0.0018, έκταση του reticular προτύπου: R= 0.895, p=0.0006 και έκταση του ggo προτύπου: R= 0. 655, p=0.0017. Από την μελέτη των διαφορών όπως απεικονίζονται από τις αναλύσεις Blant Altman και boxplots, οι διαφορές στην έκταση της νόσου μεταξύ ακτινολόγων και CAD (R1 vs.CAD, R2vsCAD, RmvsCAD) και ακτινολόγων μεταξύ τους (R1 vs. R2, R1 vs. R1s) δεν ήταν στατιστικά σημαντικές (two-tailed Wilcoxon signed-rank test, p>0.05). Το εύρος της συσχέτισης κυμαίνεται εντός της μεταβλητής ένδο- και μεταξύ- παρατηρητών, καταδεικνύοντας ένα αξιόπιστο αυτόματο σύστημα ποσοτικοποίησης της διάμεσης νόσου με παρόμοια απόδοση με τους ακτινολόγους. Ωστόσο, η συμπεριφορά των διαφορών CAD vs. R1, CAD vs. R2, CAD vs Rm σε σύγκριση τις διαφορές R1 vs. R2 και R1 vs. R1’ μελετώντας τις median and IQR τιμές δεν είναι όμοια, καταδεικνύοντας ένα αυτόματο σύστημα συμπεριφέρεται με διαφορετικό τρόπο συγκριτικά με την ημιποσοτική εκτίμηση. Οι μέγιστες median and IQR τιμές (3.6% και 32.6%, αντιστοίχως), εμφανίζονται μεταξύ CAD and R2, και αποδίδονται πρωτίστως στην διαφορετική εμπειρία των ακτινολόγων. Τέλος, από τα διαγράμματα Blant Altman παρατηρείται ότι σε όλα τα ζεύγη διαφορών CADvs. R1, CADvsR2, CADvsRm, R1vsR2, R1 vsR1’ οι μεγαλύτερες διαφορές προκύπτουν καθώς αυξάνεται η έκταση της νόσου, ιδίως για έκταση νόσου >20%. Από τα δύο πρότυπα, το reticular πρότυπο παρουσιάζει την μεγαλύτερη μεταβλητότητα της μέσης τιμής. Λαμβάνοντας υπόψιν την διαφρορετική συμπεριφορα στην ποσοτικοποίηση της έκτασης της νόσου μεταξύ του συστήματος CAD και της ημιποσοτικής μεθόδου, αναζητήθηκε μια ακριβέστερη βάση αναφοράς , που στηρίχτηκε στον χειρωνακτικό σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών οδηγώντας στον Β’ κύκλο του πειραματικού σχεδιασμού. Για τον B΄ κύκλο πειραματικού σχεδιασμού της διατριβής, το σύστημα παρουσιάζει τόσο με τις ημιποσοτικές όσο και με τις ποσοτικές μετρήσεις, με καλύτερη την συσχέτιση με τις ποσοτικές μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκε στην φάση αυτή της διατριβής σαν βάση αναφοράς (ICC =0.809 [0.599-0.894] , 0.851 [0.795-0.891]). Για τα επιμέρους πρότυπα η ποσοτικοποίηση του ground glass από το σύστημα συσχετίζεται λιγότερο με τις εκτιμήσεις των ακτινολόγων ( και με τις δύο μεθόδους, ημιποσοτικά και ποσοτικά) από το reticular. Σε κάθε περίπτωση η ποσοτική αξιολόγηση των ακτινολόγων που θεωρητικά αποτελεί καλύτερη βάση αναφοράς συσχετίζεται σταθερά καλύτερα με το CAD για όλα τα πρότυπα. Η συμφωνία μεταξύ ακτινολόγων είναι παρόμοια και για τις δύο μεθόδους (ICC =0.856 [0.811-0.891], 0.856 [0.806-0.893]). Η ίδια τάση παρατηρείται και για τα δυο πρότυπα (reticular και ground glass). Από την μελέτη των διαφορών όπως απεικονίζονται από τις αναλύσεις Blant Altman, το σύστημα παρουσιάζει ένα μικρό βαθμό υπερεκτίμησης της έκτασης νόσου συγκριτικά με την βάση αναφοράς: Συνολική έκταση νόσου (MD: 2.5%; LoA95: -14.3%, 19.3%), έκταση ground glass: (MD: 1.3%; LoA95: -10.9%, 13.5%) έκταση reticular: (MD: 1.2%; LoA95: -12.7%, 15.1%) και σημαντική συμφωνία με την νέα βάση αναφοράς: 86.5%, 75.1% και 81.6% αντίστοιχα. Οι ημιποσοτικές μετρήσεις παρουσιάζει μεγαλύτερη υπερεκτίμηση με τη βάση αναφοράς: Συνολική έκταση νόσου MD: 9.2%; LoA95: -12.8%, 31.2%, έκταση ground glass: MD: 4.6%; LoA95: -9.8%, 19.0% και έκταση reticular: MD: 4.6%; LoA95: -10.0%, 19.3% και σαφώς μικρότερη συμφωνία με την βάση αναφοράς (69.2%, 70.8%, 70.3%, αντίστοιχα). Τέλος η συμφωνία με την βάση αναφοράς βελτιώνεται ελάχιστα με την χρήση υποβοηθούμενου CAD σε σύγκριση με το CAD σύστημα μόνο του, ιδίως για το ground glass πρότυπο (88.1%, 78.4% and 81.6%, αντίστοιχα). Προτείνεται επίσης στην παρούσα διατριβή η χρήση των καμπυλών συμφωνίας, όπου οπτικοποιείται η διασύγκριση μεταξύ τους, αποδεικνύοντας το υποβοηθούμενο CAD ως το βέλτιστο σύστημα, ακολουθούμενο με μικρή διαφορά από το CAD , ενώ η ημιποσοτικές μετρήσεις διαφέρουν σημαντικά από τα άλλα δύο και από την χειρωνακτική βάση αναφοράς. Oι καμπύλες τονίζουν επίσης την διάσταση των δυο διαφορετικών μεθόδων αξιολόγησης από τους ακτινολόγους ημιποσοτικής-χειρωνακτικού σχεδιασμού, επιβεβαιώνοντας τα αποτελέσματα της πρώτης φάσης της διατριβής. Η εφαρμογή διαφορετικών διαστημάτων διαφορών ±5% ή ±25 % σε συνάφεια με το βήμα ±5% της ημιποσοτικής κλίμακας κατά Desai ή 25% της κλίμακας Likert στην εκτίμηση της έκτασης της νόσου, δείχνουν τα εξής: ‘Οσο πιο λεπτομερές(±5%) είναι το βήμα της ποσοτικοποίησης τόσο μεγαλύτερα τα σφάλματα ποσοτικοποίησης και ιδίως με την ημιποσοτική μέθοδο. Αντίθετα, ενώ για αδρό βήμα 25% οι διαφορετικές μέθοδοι ποσοτικοποίησης συμφωνούν μεταξύ τους και οι μεταξύ τους διαφορές δεν είναι αντιληπτές. Τέλος, το 3D σύστημα συσχετίζεται αρνητικά με όλους τους πνευμονικούς δείκτες για την συνολική έκταση νόσου με με καλύτερη την συσχέτιση με τους δείκτες FEV1. και DLCO ( R=-0.545 p=<0.0001, R=-0.567 p=<0.0001, αντίστοιχα). Για το reticular η συσχέτιση ήταν μέτρια για όλους τους δείκτες με καλύτερη την συσχέτιση FEV1, TLC και DLCO (R=-0.602p=<0.0001, R=-0.615 p=<0.0001 αντίστοιχα), ενώ για το ggo το σύστημα παρουσιάζει μη στατιστικά σημαντική συσχέτιση για όλους τους δείκτες. Tο 2D σύστημα παρουσιάζει μέτρια αρνητική συσχέτιση με τις πνευμονικές δοκιμασίες για την συνολική έκταση νόσου και το reticular πρότυπο, με καλύτερη την μέτρια αρνητική συσχέτιση με τον DLCΟ (R=-0.485, p= 0.002, R=-0.601 p=<0.001 αντίστοιχα). Για το ggo πρότυπο, το 2D σύστημα παρουσιάζει επίσης μη στατιστικά σημαντική συσχέτιση για όλους τους δείκτες, όπως και το 3D σύστημα. Οι ημιποσοτικές μετρήσεις των ακτινολόγων για την συνολική έκταση νόσου 3DSQRconsRcons και 2DSQ παρουσιάζουν στατιστικά σημαντική συσχέτιση, ωστόσο ασθενή μόνο με τον δείκτη DLCO (R=-0.382, p= 0.020, R=-0.398,p=<0.02 αντίστοιχα). Για την 3DSQRcons εκτίμηση στο reticular πρότυπο παρατηρείται στατιστικά σημαντική ασθενής συσχέτιση για όλους τους δείκτες εκτός από τον TLC (FVC: R=-0.331, p= 0.045, FEV1: R=-0.393, p=0.016, DLCO : R=-0.392, p= 0.016). Για την 2DSQ εκτίμηση στο reticular πρότυπο παρατηρείται στατιστικά σημαντική ασθενής έως μέτρια συσχέτιση για όλους τους δείκτες (FVC: R=-0.360, p= 0.029, FEV1: R=-0.411, p=0.012, TLC : R=-0.326, p= 0.049, DLCO : R=-0.485, p= 0.002). Για το ground glass η συσχέτιση είναι μη στατιστικά σημαντική για όλους τους πνευμονικούς δείκτες τόσο για την 3DSQRcons όσο και για την 2DSQ εκτίμηση. Συμπεράσματα Αξιολογήθηκε ένα σύστημα ποσοτικοποίησης της διάμεσης νόσου από CT θώρακος, που βασίζεται σε μεθόδους ανάλυσης υφής, το οποίο ποσοτικοποιεί τα βασικά απεικονιστικά πρότυπα της νόσου, το ggo και το reticular πρότυπο. Αρχικά αξιολογήθηκε σε κάθε βήμα από δύο έμπειρους ακτινολόγους με ικανοποιητική απόδοση. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε ο 3D αλγόριθμος ποσοτικοποίησης σε διαφορετικό κλινικό δείγμα 37 ασθενών, προκειμένου να γίνει και κλινική αξιολόγηση της απόδοσης του με βάση ημιποσοτικές κλίμακες ποσοτικοποίησης, που χρησιμοποιούνται στην βιβλιογραφία, με πολύ καλή συσχέτιση. Με αναλυτικότερη μελέτη προέκυψε μια μεγαλύτερη απόκλιση των τιμών CAD και ημιποσοτικών αξιολογήσεων από τις ημιποσοτικές αξιολογήσεις μεταξύ τους. Το γεγονός αυτό οδήγηση στην περαιτέρω αξιολόγηση του CAD συστήματος με μια χειρωνακτική βάση αναφοράς σε 2D επίπεδο και σύγκριση με τις ημιποσοτικές μετρήσεις. Το σύστημα παρουσίαζε σημαντική συσχέτιση με την βάση αναφοράς και με τις ημιποσοτικές μετρήσεις. Ωστόσο επιβεβαιώθηκε ότι οι ημιποσοτικές μετρήσεις υπολείπονται συγκριτικά με την χειρωνακτική βάση αναφοράς από τους ακτινολόγους στην αξιολόγηση του CAD, όπως είναι φανερό και από τις καμπύλες διασύγκρισης των συστημάτων. Από τη διατριβή αυτή προκύπτει επίσης ένας αριθμός δευτερογενών συμπερασμάτων: Πρώτον, η ποσοτικοποίηση της διάμεσης νόσου παρουσιάζει αυξημένη μεταβλητότητα για όλα τα συστήματα αξιολόγησης , όσο αυξάνεται η έκταση της νόσου. Δεύτερον, από τα δύο πρότυπα, η ποσοτικοποίηση του ggo προτύπου παρουσίαζε τις μεγαλύτερες δυσκολίες. Τρίτον, η αξιολόγηση με υποβοηθηση CAD βελτιώνει ελάχιστα το αποτέλεσμα του συστήματος, και κυρίως διορθώνει το ggo πρότυπο. Τέταρτον, το σύστημα συσχετίζεται με τις πνευμονικές δοκιμασίες, περισσότερο από τις ημιποσοτικές εκτιμήσεις των ακτινολόγων. Ιδίως το reticular πρότυπο μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μόνο του ως δείκτης πνευμονικής δυσλειτουργίας. Συνοψίζοντας, το σύστημα CAD που αναπτύχθηκε είναι ένα αξιόπιστο εργαλείο ποσοτικοποίησης, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βιολογικός δείκτης σταδιοποίησης της διάμεσης νόσου. / The aim of this thesis was the evaluation of an automated system in 3D quantification of interstitial lung disease extent in CT compared to semiquantitative scoring method and with continuous extent assessments by radiologists based on manual segmentations of abnormal areas. The CAD system output was also compared to extent assessments by radiologists assisted by CAD. To facilitate intercomparison among different evaluation assessments curve representations of extent assessments is proposed. Finally the system output semiquantitative assessment by radiologists were correlated with laboratory markers of ILD, meaning pulmonary function tests (PFTs) indexes. Materials and Methods A dataset of 47 patients with interstitial lung disease secondary to collagen vascular disease were recruited for this thesis as well as 4 normal patients. Out of the dataset, 14 cases were used to train the system and 37 cases were selected to evaluate the system. The above cases presented with ground glass and reticular patterns. A low-dose MDCT scanner (16 detectors) protocol was utilized to obtain volumetric system output. Initially, the automated quantification system was developed using MATLAB (ΜΑΤLAB 7.5 R 2007b) and was trained by radiologists in different development stages: (1) Preprocessing: Segmentation of lung fields and vessel tree segmentation, (2) Identification and Classification of interstitial lung disease. The evaluation performance of the system was evaluated in terms of volume overlap, ΤPF, FPF. Following, the system was evaluated in a case sample of 37 patient scans with semiquantitative scoring by two experienced radiologists (A’ cycle of experimental design). In this evaluation, correlation between 3D system output and 3D semiquantitative evaluations of volumetric scans (approximately 200 slices per patient scan) was performed by two expert radiologists and average of the two evaluations, regarding total disease, ground glass and reticular pattern extent, using Spearman rank order. The differences in extent assessment (R1vsCAD, R2vsCAD, RmvsCAD, R1vsR2, R1vsR1s) were also analyzed using Blant–Altman plots and box plots. Statistic evaluation was performed using two-tailed Wilcoxon signed-rank test for paired data. Intra and interobserver agreement was also measured. At the B’ cycle of experimental design the 2D system output was evaluated, out of 185 axial slices (37 patient scans) regarding total disease, ground glass and reticular pattern extent, As reference standard in consensus evaluation by two expert radiologists was used by drawing disease area segments on a drawing tablet (Wacom Intuos 3 Tokyo, Japan), utilizing a home-developed graphical-user interface (GUI). The same slices were also assessed semiquantitatively by radiologists in consensus. Finally, the same slices were assessed with assisted CAD and compared to reference standard. The 2D CAD output was correlated with semiquantitative evaluation by radiologists (CADvsSQRcons) and quantitatively by drawing disease area segments pixel-wise (CADvsRref). Correlations were performed with Intraclass Correlation Coefficient (ICC) and 95% Confidence Intervals (CI). Intra and interobserver agreement was also measured. Differences in extent assessment for different evaluations (CAD- Rref, CAD+Rcons -Rref and SQRcons -Rref) were plotted using Bland-Altman analysis were assessed for total disease, ground glass and reticular pattern extent. The mean difference (MD) and 95% of the differences (mean±1.96 standard deviation), called limits of agreement (LoA95), were calculated. A curve representation is proposed to visualize agreement and facilitate agreement inter-comparison for various evaluations, as a function of reference. Finally, volumetric system output of 37 patient scans were correlated regarding total disease, ground glass and reticular pattern extent (3DCAD) and volumetric semiquantitative evaluation by radiologists (3DSQRcons) were correlated with physiologic parameters, pulmonary function tests, in terms of Pearson correlation (R). The same correlations were performed for 185 axial slices (average of 5 slices per patient scan) for 2DCAD and 2DSQ. Comparison of 3DCAD vs2D CAD and 3DSQvs2DSQ was also performed. Results Performance evaluation of segmentation of lung fields was measured: (1) Volume overlap: 0.931±0.027, (2) ΤPF: 0.935±0.036 (3) FPF: 0.074±0.03. Performance evaluation of segmentation of vessel tree was measured: (1) Volume overlap: 0.931 ±0.027, (2) ΤPF: 0.935±0.036 (3)FPF: 0.074±0.03. Performance evaluation in identification and characterization of ILD patterns was measured: For ground glass pattern: (1) Volume overlap: 0.794±0.038, (2) ΤPF: 0.812±0.045 (3) FPF: 0.163±0.017. For reticular patterns: (1) Volume overlap: 0.883 ± 0.037, (2) ΤPF: 0.972±0.013(3) FPF: 0.0971±0.012. Performance evaluation of intraobserver agreement was: For ground glass pattern: (1) Volume overlap : 0.47±0.20, (2) ΤPF: 0.972±0.013 (3) FPF: 0.0971±0.012. For reticular patterns: (1) Volume overlap: 0.53±0.19, (2) ΤPF: 0.715±0.20 (3) FPF: 1.72±1.05. For total disease extent: (1) Volume overlap: 0.54±0.18, (2) ΤPF: 0.74±0.18(3) FPF: 1.19±1.85. Performance evaluation of interobserver agreement was: For ground glass pattern: (1) Volume overlap: 0.33±0.22, (2) ΤPF: 0.58±0.27, (3) FPF: 2.48±2,74. For reticular patterns: (1) Volume overlap: 0.51±0.11, (2) ΤPF: 0.72± .19,(3) FPF: 1.36±1.33. For total disease extent: (1)Volume overlap: 0.51±0.21, (2)ΤPF: 0.69±0.220, (3)FPF: 1.21±0.89. The A’ cycle of experimental design in 3D quantification, results show statistically significant correlation of CAD quantification output and semiquantitative evaluation by radiologists (reference standard), regarding total and reticular disease extent (R=0.949, p=<0.0001, R= 0.915, p=<0.0001, respectively), while moderate correlation regarding ground glass pattern (R=0.806, p=0.0009). Intra and interobserver agreement were as follows: For Intra observer agreement: For total disease extent: R=0.903, p=<0.0001, reticular pattern: R=0.966, p=<0.0001 and ground glass pattern and R : 0.766, p=<0.0001. For Interobserver agreement: For total disease extent: R=: 0.838, p=0.0018, reticular pattern: R= 0.895, p=0.0006 and ground glass pattern: R= 0. 655, p=0.0017. Observed differences in extent assessment as plotted at Blant Altman και boxplot representation, between radiologists and CAD (R1 vs. CAD, R2 vs. CAD, Rm vs. CAD), radiologists themselves (R1 vs. R2, R1 vs. R1s) were not statistically significant (two-tailed Wilcoxon signed-rank test for paired data, p>0.05). Results indicate that the CAD tool analyzed demonstrates similar performance to radiologists semiquantitative assessment, ranging within inter- και intra- observer variation and can be considered as a reliable independent reader of lung abnormalities in ILD. However, differences of extent assessment between radiologists and CAD are (CADvsR1, CADvsR2, CADvsRm ) differ significantly to those obtained between radiologists (R1vsR2 ) and radiologist second opinion (R1vsR1s) in terms of median and IQR values. This implies that the automated system compared to the semiquantitative radiologist assessment, does not behave in an identical manner, as indicated by decreased variability of inter- and intraobserver data. The maximum median and IQR values (3.6% and 32.6%, respectively), were obtained between CAD and R2, probably attributed to experience differences between experts. Finally. Blant Altman plots indicate that in all differences in extent CADvsR1, CADvsR2, CADvsRm, R1vsR2, R1vsR1’ increasing differences occur in increasing extent assessments, especially> 20%. Out of the two patterns, reticular presents greater variability of mean values. Considering the different behavior in extent assessment between CAD system and semiquantitative scoring, we considered a more accurate reference standard based on manual drawing of abnormal areas, leading to the B’ cycle of experimental design. In B’ cycle of experimental design, the system shows significant correlation to semiquantitative and quantitative extent assessments (ICC =0.809 [0.599-0.894], 0.851 [0.795-0.891]). Correlation to quantitative extent assessments was slightly better and was used as a reference standard for this phase of thesis. For the constituent patterns quantification of ground glass by CAD system correlates less with radiologists assessments (both semi quantitatively and quantitatively) than reticular pattern. In every case quantitative evaluation by radiologists correlates better in all patterns with CAD system. Interobserver agreement is similar for both evaluation methods (ICC =0.856 [0.811-0.891], 0.856 [0.806-0.893]). The same trend is observed for both patterns (reticular and ground glass). Analyzing the differences as plotted by Blant Altman, the system depicts a small degree of overestimation of extent assessment as compared to reference standard. Total disease extent: (MD: 2.5%; LoA95: -14.3%, 19.3%), ground glass extent (MD: 1.3%; LoA95: -10.9%, 13.5%), reticular pattern extent (MD: 1.2%; LoA95: -12.7%, 15.1%). The system shows substantial agreement to pixel-wise (reference): 86.5%, 75.1% και 81.6%, for total lung disease, ground glass and reticular pattern, respectively. Semiquantitative scoring demonstrates higher degree of disease extent overestimation to reference: Total disease extent: MD: 9.2%; LoA95: -12.8%, 31.2%, ground glass extent: MD: 4.6%; LoA95: -9.8%, 19.0% and reticular extent: MD: 4.6%; LoA95: -10.0%, 19.3%) and achieves significantly lower agreement to reference (69.2%, 70.8%, 70.3%, respectively). Finally, agreement to reference achieved by assisted CAD, is slightly improved compared to CAD alone, especially for ground glass pattern (88.1%, 78.4% and 81.6%, respectively). The utilization of curve representation of the degree of agreement is proposed in this thesis, in an effort to visualize agreement of extent assessments and to facilitate agreement inter-comparison. These curves indicate assisted CAD as the best system, presenting with the higher agreement to reference, with CAD alone nearby, while semiquantitative scoring differs significantly from the manually drawn reference. CAD system and assisted CAD. These curves depict distinctively the differences in agreement between the two evaluation approaches by radiologists: semiquantitative and pixel-wise, confirming the observations of the first part of the thesis. On these curves difference interval ±5% ή ±25 % in extent assessment can be applied, according to 5% step used in semiquantitative scoring by Desai et al. or 25% in Likert scaling. Τhe more detailed (±5%) the quantification step is the greater the quantification errors are. Οn the contrary for wider step 25% the different the differences among them are not perceivable Finally, comparison of volumetric system output (3D) with PFTs yields strong negative correlations for total disease with all indexes, with better correlation with FEV1 and DLCO (R=-0.545 p=<0.0001, R=-0.567 p=<0.0001, respectively). For reticular pattern, correlation was moderate to all PFT indexes with better correlation with FEV1 and DLCO (R=-0.602, p=<0.0001, R=-0.615 p=<0.0001, respectively). For ground glass pattern there is no statistical correlation to neither of PFT indexes. For 2D system output, negative correlation was shown to PFTs for total disease and reticular pattern. Best moderate negative correlation was shown with DLCΟ (R=-0.485, p= 0.002, R=-0.601 p=<0.001 respectively). For ggo pattern, 2D system output showed no statistically significant correlation to all indexes, as in 3D system output. Semiquantitative scoring 3DSQRconsRcons and 2DSQ showed for total disease statistically significant negative correlations to PFTs, albeit weak, only with index DLCO (R=-0.382, p= 0.020, R=-0.398p=<0.02, respectively).. For 3DSQRcons semiquantitative scoring, reticular pattern showed statistically significant weak negative correlation to PFTs (not included to TLC) (FVC: R=-0.331, p= 0.045, FEV1: R=-0.393, p=0.016, DLCO : R=-0.392, p= 0.016). For 2DSQ semiquantitative scoring, reticular pattern showed statistically significant weak to moderate negative correlation to all PFTs (FVC: R=-0.360, p= 0.029, FEV1: R=-0.411, p=0.012, TLC : R=-0.326, p= 0.049, DLCO: R=-0.485, p= 0.002). For ground glass there was no statistically significant correlation for all indexes regarding 3DSQRcons and 2DSQ valuation. Conclusions In conclusion, an automated quantification system for ILD extent in CT was assessed, based on texture features, quantifying the two major imaging patterns of the disease, ggo and reticular pattern. Initially the system was evaluated by two experiences radiologists with performance within interobserver variability. Accordingly, the 3D system output was evaluated in a different dataset of 37 patients in order to evaluate the results with semiquantitative scoring published in literature. The correlation was very good. Further analysis of differences showed greater deviation of CAD and semiquantitative quantification, compared to semiquantitative quantification by radiologists (interobserver agreement). This remark led to further evaluation of CAD with a reference standard in 2D, based on manual drawings by radiologists and comparison with semiquantitative quantification. The 2D system output showed significant correlation to the reference standard and semiquantitative scoring. However semiquantitative quantification are less accurate in assessment of CAD quantification systems than quantitative quantification by manual drawing by radiologists. This is depicted in curve representation of different scoring systems compared to reference. From this thesis a number of secondary conclusion are drawn: First, in all systems, quantification variability augments with augmentation of extent. Second, between the two patterns analyzed quantification of ground glass is more difficult. Moreover, assisted CAD slightly improves the system output and mostly the ground glass pattern is corrected. Finally, the system correlates better to PFTs than semiquantitative quantification by radiologists. Especially reticular pattern by itself can be used as a reliable marker of pulmonary dysfunction. Overall, the system analysed is a useful disease extent quantification tool, than could act as a biomarker for staging and follow up of interstitial lung disease.

Optical Coherence Tomography (OCT) is a catheter‐based imaging method that employs near‐infrared light to produce high‐resolution cross sectional intravascular images. Α new segmentation technique is implemented for automatic lumen area extraction and stent strut detection in intravascular OCT images for the purpose of quantitative analysis of neointimal hyperplasia (NIH). Also a graphical user interface (GUI) is designed based on the employed algorithm. Methods: Four clinical dataset of frequency‐domain OCT scans of the human femoral artery were analysed. First, a segmentation method based on Fuzzy C Means (FCM) clustering and Wavelet Transform (WT) was applied towards inner luminal contour extraction. Subsequently, stent strut positions were detected by utilizing metrics derived from the local maxima of the wavelet transform into the FCM membership function. Results: The inner lumen contour and the position of stent strut were extracted with very high accuracy. Compared with manual segmentation by an expert physician, the automatic segmentation had an average overlap value of 0.917 ± 0.065 for all OCT images included in the study. Also the proposed method and all automatic segmentation algorithms utilised in this thesis such as k‐means, FCM, MRF – ICM and MRF – Metropolis were compared by means of mean distance difference in mm and processing time in sec with the physician’s manual assessments.. The strut detection procedure successfully identified 9.57 ± 0.5 struts for each OCT image. Conclusions: A new fast and robust automatic segmentation technique combining FCM and WT for lumen border extraction and strut detection in intravascular OCT images was designed and implemented. The proposed algorithm may be employed for automated quantitative morphological analysis of in‐stent neointimal hyperplasia. / Η τομογραφία οπτικής συνοχής (OCT) είναι μια απεικονιστική μέθοδος βασισμένη στον καθετηριασμό και χρησιμοποίει υπέρυθρο φως για να παράγει ένδo‐αγγειακές εικόνες – εγκάρσιας τομής με υψηλή ανάλυση. Σε αυτήν την διατριβή, μια νέα τεχνική τμηματοποίησης υλοποιήθηκε για την αυτόματη εξαγωγή της περιοχής του αυλού καθώς και για την ανίχνευση των «strut» στις ένδo‐ αγγειακές OCT εικόνες με σκοπό την ποσοτική ανάλυση της υπερπλασίας. Επίσης ένα εύκολο στην χρήση περιβάλλον γραφικών για καθημερινή κλινική χρήση σχεδιάστηκε με τον υλοποιημένο αλγόριθμο. Μέθοδοι: Τέσσερις OCT κλινικές εξετάσεις πεδίου‐συχνότητας της ανθρώπινης μηριαίας αρτηρίας αναλύθηκαν. H προτεινόμενη μέθοδος τμηματοποίησης για την εξαγωγή του εσωτερικού περιγράμματος αυλού, είναι βασισμένη στον Fuzzy CMeans (FCM) clustering και τον μετασχηματισμό κυματιδίου. Στη συνέχεια, οι θέσεις των «strut» εντοπίστηκαν χρησιμοποιώντας διάφορες τοπικές παραμέτρους που προέρχονται από τα τοπικά μέγιστα του μετασχηματισμού κυματιδίων εντός της FCM συνάρτησης. Αποτελέσματα: Το εσωτερικό περίγραμμα αυλού και η θέση των «strut» εξήχθηκαν με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Σε σύγκριση με την ποσοτική αξιολόγηση από έναν ειδικό ιατρό, η αυτόματη τμηματοποίηση είχε μέση τιμή επικάλυψης 0,917±0,065 για όλες τις OCT εικόνες που περιλαμβάνονται στη μελέτη. Επίσης, έγινε σύγκριση με τους k‐means, FCM, ICM και Μetropolis αυτόματους αλγόριθμους τμηματοποίησης για εξαγωγή του εσωτερικού περιγράμματος αυλού και επέδειξε υψηλής ακρίβειας αποτελέσματα στον μικρότερο δυνατό χρόνο επεξεργασίας. Η διαδικασία ανίχνευσης «strut» προσδιόρισε επιτυχώς 9.57± 0,5 «strut» για κάθε OCT εικόνα. Συμπεράσματα: Μια νέα αποτελεσματική και γρήγορη αυτόματη τεχνική τμηματοποίησης που συνδυάζει FCM και WT για την εξαγωγή των ορίων του αυλού και την ανίχνευση των «strut» στις ένδο‐αγγειακές εικόνες OCT σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε. Ο προτεινόμενος αλγόριθμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αυτοματοποιημένη ποσοτική μορφολογική ανάλυση της υπερπλασίας.

Στον χώρο της Πανεπιστημιούπολης, πιστοποιήθηκε η ύπαρξη μιας γεωλογικής ασυνέχειας που ήδη έχει προξενήσει ζημιές τόσο σε κτίρια του Πανεπιστημίου όσο και στο οδόστρωμα. Έτσι ομάδα από το Εργαστήριο γεωφυσικής άρχισε την χαρτογράφηση της ασυνέχειας αυτής με την βοήθεια της κατακόρυφης ηλεκτρικής απεικόνισης. Σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι η ανάδειξη λεπτομερειών της υπάρχουσας γεωλογικής ασυνέχειας καθώς και παρουσίαση αυτής μέσω μαθηματικού προτύπου τριών διαστάσεων. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η απεικόνιση της κατανομής της ειδικής ηλεκτρικής αντίστασης στον χώρο, ενώ ταυτόχρονα παρέχονται πληροφορίες για τις διάφορες μεταβολές των υποκείμενων γεωλογικών σχηματισμών λόγω της υπάρχουσας γεωλογικής ασυνέχειας. / At the University of Patras we certified the existence of a geologic discontinuation which has caused damages throughout the years to both buildings as well as the surrounding environment. That is why our team here at the Geophysics lab started to map this discontinuation with the help of vertical electronic imaging (G.R.P.) The purpose of this project is to determine the details of this geologic discontinuation as well as to define its importance to the geology of the area. This will be done by presenting it through a mathematical model in three dimension projection (3D). By doing that we manage to represent the distribution of the specific resistivity in the area while at the same time we can get information about the continuous changes of the underlying geologic formations due to the presence of the geologic discontinuation.

The current thesis concerns Dual Energy Computed Tomography and specifically the physical principles and methods it is based on. Dual Energy CT offers the potential of not only anatomical, but also functional information from Computed Tomography (CT) exams. This is achieved by utilizing the energy dependence of X-rays’ attenuation within matter. In this way, materials are divided into those that are characterized by energy-dependent attenuation (strong spectral behavior), due to strong photoelectric effect contribution to total attenuation, and those that do not exhibit important photoelectric attenuation at radiological energies and therefore they attenuate X-rays in a much less energy dependent way. This information is useful for the identification of materials that, despite the fact that they are completely different as far as their chemical composition is concerned, they have the same or similar CT number values at a particular kVp level. The energy dependence of attenuation leads to the determination of a polychromatic linear attenuation coefficient. This coefficient may be approximated either by considering an equivalent monoenergetic attenuation coefficient that is characterized by the same half value layer as the the polyenergetic beam, or by a local linear attenuation coefficient that is determined by knowledge of the local x-ray spectrum. The energy dependence of attenuation is the cause of beam hardening effects. The basic fields where dual energy CT has become feasible and its current clinical applications are described in the thesis. The utility of DECT ranges from artifact elimination (beam hardening, metal artifacts) to tissue discrimination, material selective images and “conventional CT acquisition” equivalent images. The implementations of dual energy CT are also presented in the thesis and include consecutive scans at two different kVp values, fast kV-switching, dual source CT and dual layer CT. / Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά στην τομογραφία διπλής ενέργειας και ειδικότερα τις φυσικές αρχές και μεθόδους στις οποίες βασίζεται. H τομογραφία διπλής ενέργειας δίνει την προοπτική της απόκτησης όχι μόνο ανατομικής, αλλά και λειτουργικής πληροφορίας από τις εξετάσεις αξονικής τομογραφίας. Αυτό το επιτυγχάνει χρησιμοποιώντας την εξάρτηση της εξασθένησης των ακτίνων X μέσα στην ύλη από την ενέργεια των φωτονίων. Με αυτό τον τρόπο, τα υλικά διαχωρίζονται σε αυτά που εξασθενούν τα φωτόνια με πολύ διαφορετικό τρόπο σε διαφορετικές ενέργειες λόγω έντονου φωτοηλεκτρικού φαινομένου και σε αυτά που η ενεργειακή εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης τους είναι λιγότερο έντονη (λιγότερη συμμετοχή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου στη συνολική εξασθένηση). Η πληροφορία αυτή είναι χρήσιμη για την ταυτοποίηση της σύστασης υλικών, που ενώ είναι εντελώς διαφορετικά σε χημική σύσταση, έχουν τον ίδιο αριθμό CT (CT number) σε συγκεκριμένη τάση λειτουργίας της πηγής ακτίνων X. Στην εκτεταμένη περίληψη αυτής της εργασίας, αρχικά γίνεται σύντομη αναφορά στην εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης από την ενέργεια και πώς αυτή επηρεάζει τον ορισμό του συντελεστή γραμμικής εξασθένησης για πολυχρωματικές ακτινοβολίες. Στη συνέχεια ακολουθεί μια συνοπτική περιγραφή υλοποιήσεων της τομογραφίας διπλής ενέργειας καθώς επίσης και των αλγορίθμων και των κλινικών εφαρμογών που είναι διαθέσιμες σήμερα. Τέλος, περνώντας στην περιγραφή του κυρίως μέρους της διπλωματικής, ακολουθεί συνοπτική περιγραφή της θεωρητικής και πειραματικής μελέτης της συμπεριφοράς διπλής ενέργειας του ιωδίου, του ασβεστίου, του οστού και υλικών που προσομοιάζουν το μαλακό και λιπώδη ιστό. Στη θεωρητική περιγραφή, η διπλωματική εστιάζει στις εξαρτήσεις του συντελεστή γραμμικής εξασθένησης, πρώτα από τα χαρακτηριστικά του ίδιου του υλικού (πυκνότητα, χημική σύσταση) και έπειτα από την ενέργεια των φωτονίων. Ο προβληματισμός σχετικά με την εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης με την ενέργεια έχει οδηγήσει συχνά σε τρόπους προσέγγισης και ορισμού ενός συντελεστή γραμμικής εξασθένησης που να ανταποκρίνεται σε πολυενεργειακές δέσμες, όπως αυτές που χρησιμοποιεί ο αξονικός τομογράφος. Ο συντελεστής γραμμικής εξασθένησης μιας πολυενεργειακής δέσμης από ένα συγκεκριμένο υλικό, προσδιορίζεται είτε μέσω ενός ισοδύναμου μονοενεργειακού συντελεστή εξασθένησης που να χαρακτηρίζεται από το ίδιο half value layer (HVL) με την πολυενεργειακή δέσμη είτε μέσω ενός «τοπικού» συντελεστή εξασθένησης. που για να προσδιοριστεί απαιτείται γνώση του φάσματος στην συγκεκριμένη θέση και στο συγκεκριμένο υλικό. Η εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης από την ενέργεια των φωτονίων ευθύνεται για τεχνήματα σκλήρυνσης δέσμης (beam hardening artifacts).

Με την τομογραφία επιχειρείται η δημιουργία μιας εικόνας-τομής των ιδιοτήτων ενός αντικειμένου χρησιμοποιώντας μετρήσεις της ενέργειας που διαδόθηκε μέσω του αντικειμένου, σε δέκτες στην περιφέρειά του. Έχει αποδειχθεί ότι ένα αντικείμενο είναι δυνατόν να απεικονισθεί με ακρίβεια από ένα πλήρες σύνολο περιμετρικών προβολών του. Η τομογραφική ανάλυση είναι δυνατό να γίνει αξιοποιώντας κυματική ενέργεια που έχει διαδοθεί μέσω του υπό μελέτη αντικειμένου (ακτινική τομογραφία) ή προέρχεται από ανάκλαση, περίθλαση κ.ο.κ. σε ανομοιογενή τμήματα του αντικειμένου (περιθλαστική τομογραφία). Στην παρούσα εργασία γίνεται πειραματική εφαρμογή της μεθόδου της σεισμικής τομογραφικής απεικόνισης σε αρχαιολογικά προβλήματα, όπως στην ανίχνευση αρχαιολογικών αντικειμένων στο υπέδαφος ή σε περιβάλλον τεχνητών λόφων (τύμβων -ταφικών μνημείων). Η εφαρμογή αυτή συνιστά ενδιαφέρουσα πρόκληση λόγω του ιδιαίτερα ανομοιογενούς περιβάλλοντος στο οποίο επιχειρείται η ανίχνευση των αντικειμένων καθώς και των μικρών γενικά, αλλά και συχνά απροσδιόριστων, διαστάσεων των αντικειμένων αυτών. Ο μη καταστρεπτικός χαρακτήρας της εφαρμογής είναι ιδιαίτερα ευνοϊκός και αποδεκτός στην αρχαιολογική έρευνα, τόσο σε αναγνωριστικό όσο και σε ανασκαφικό/ σωστικό επίπεδο. Παρουσιάζονται αναλυτικά οι αρχές και το θεωρητικό μέρος της τομογραφικής μεθοδολογίας, με ιδιαίτερη αναλυτική αναφορά στις δύο κύριες μεθόδους ανασύνθεσης των χαρακτηριστικών του εσωτερικού του ερευνώμενου μέσου (χώρου), την ακτινική τομογραφία και περίθλασης, καθώς και τις σχετικές τεχνικές και αλγόριθμους αντιστροφής. Τέλος γίνεται εφαρμογή της ακτινικής τομογραφίας σε 3 διαστάσεις, σε σεισμικές καταγραφές από αρχαιολογικούς-μνημειακούς χώρους, με τη χρήση του αλγόριθμου SIRT (τεχνική ταυτόχρονης επαναληπτικής ανασύνθεσης). Τα δεδομένα ήταν χρόνοι πρώτης άφιξης καθώς και πλάτη σε μια περίπτωση. Kατά την εφαρμογή της ακτινικής τομογραφίας, γίνονται δοκιμές ρύθμισης των παραμέτρων και μεταβλητών κατά τη διαδικασία της αντιστροφής, ώστε να διερευνηθεί η επίδρασή τους στο αποτέλεσμα. Επίσης, διερευνάται η αποτελεσματικότητα της μεθόδου με κατασκευή μοντέλων με βάση πληροφορίες για τους χώρους έρευνας, υπολογισμό συνθετικών χρόνων και αντιστροφή των συνθετικών χρόνων για σύγκριση με τα αποτελέσματα των πραγματικών χρόνων και εξαγωγή συμπερασμάτων. Λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία από τις ανωτέρω δοκιμές, επιλέγονται τελικές τιμές παραμέτρων για την αντιστροφή των πραγματικών δεδομένων και γίνεται αξιολόγηση και ερμηνεία των αποτελεσμάτων. Γίνεται επίσης δοκιμαστική εφαρμογή τεχνικών επεξεργασίας / ενίσχυσης εικόνας στα αποτελέσματα της αντιστροφής, για την ενίσχυση κυρίως των μικρών, τοπικών, μεταβολών της σεισμικής ταχύτητας και την πληρέστερη απεικόνιση των χώρων έρευνας. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από την έρευνα του προϊστορικού οικισμού Παλαμαρίου Σκύρου, του χώρου θεμελίωσης του Καθολικού (Ναού) της Ι.Μ. Δαφνίου Αττικής, του εσωτερικού του τεχνητού λόφου – πιθανού τύμβου Καστά Μεσολακκιάς Σερρών και των νεκροταφείων της περιοχής Chatby της Αλεξάνδρειας Αιγύπτου. / With tomography is attempted the creation of an image – slice of the internal properties of a medium / object with use of measurements of the energy which was transmitted through the medium, at receivers on the outside of it. It has been proved that a medium can be imaged with precision by a set of perimetric projections. Tomographic analysis is possible by employing wave energy that has been transmitted through the medium under investigation (ray tomography) or has been reflected or diffracted at various inhomegeneities within the medium (diffraction tomography). In the present study, an experimental application of the seismic tomographic imaging method is made in the field of archaeological exploration, such as detection of archaeological remains in the subsurface or in artificial hills (tumuli). The application poses an interesting challenge, because of the highly inhomogeneous environment where the detection is tried and the small and unknown, in general, dimensions of the target objects. The non-destructive character of the application makes it quite attractive and acceptable in archaeological exploration, both at reconnaissance and later stages of excavation. The principles and theoretical foundations of the tomographic methodology are presented, with particular reference to the two main methods of reconstruction of the internal character of the investigated medium and included objects, that is ray and diffraction tomography, as well as the relevant inversion techniques and algorithms. Finally, an application of ray tomography on seismic recordings from archaeological / monumental sites is made, with use of the simultaneous iterative reconstruction technique (SIRT). In the application of ray tomography, adjustment tests of inversion parameters and variables are made, in order to study their effect on the inversion result. The effectiveness of the method and of the algorithm is investigated with the aid of synthetic models based on possible information from the test sites and the bibliography. Using the models as starting models, synthetic travel times are calculated and are then inverted, while the resulting image is compared with the synthetic starting model and conclusions are drawn. Based on the results of the above tests, final parameter values are set for the inversion of real field data and an assessment and an interpretation of the results is made. Image processing and enhancement is applied to the resulting tomograms, in order to enhance and clarify the small (hidden) variations of seismic velocity, which may reflect important subsurface information, mainly related to particular archaeological targets. There are presented the results from the investigation of the subsurface of a part of the prehistoric settlement of Palamari (Skyros isl., Greece) of the foundations of the church of Dafni Monastery (Attica, Greece), of the interior of the artificial hill / possible tumulus at Kasta Messolakia (Serrae, Greece) and of the subsurface of the cemeteries of Chatby area (Alexandria, Egypt).