Breast cancer is the prime factor of women mortality in the developed countries. During the recent years however, many techniques in breast imaging have been developed and applied, with X-ray mammography been perhaps the most widely used of cancer diagnostic tests. Nevertheless, X-ray mammography although still remains the frontline diagnostic technique in the fight against breast cancer and has been a contributing factor in the steady decline in deaths from breast cancer, it has certain drawbacks which range from false-positive results to missed lesions and the risk of carcinogenesis. Mammography, whether conventional or digital, has been thoroughly documented as missing between 25% and 40% of breast cancers, with a higher miss rate among women with dense breasts, which constitute 40% of the female population. Because the mammogram is a projected image of superimposed breast structures, it is generally more difficult to detect cancer in a breast with a dense (i.e. lighter in appearance on a mammogram) pattern. As a result, mammography appears low sensitivity (ranging from 24.5% to 37%), especially in women with dense breasts. This is due to the fact that it only images anatomic detail and provides no functional information which is essential for early and accurate diagnosis of breast cancer and can be expected to significantly reduce the number of unnecessary biopsies. The special properties of light could help optical imaging "see" what other diagnostic methods, including conventional x-ray mammography, may miss. One of the newest techniques on the scene is CT laser mammography (CTLM), a computed tomographic laser light-based scanner for the breast, which is able to detect greater blood flow that is a sign of cancer, with a radiation free energy source. The Computed Tomography Laser Mammography (CTLM®) system uses laser to image the breast in a non-invasive procedure. Unlike x-ray mammography, CTLM images blood hemoglobin and the process of neoangiogenesis or new vessel formation which is often associated with breast cancer. The CTLM functions somewhat like a conventional CT scanner in that an energy source, a near-infrared (NIR) laser, scans the breast; a computer reconstructs cross-sectional images based on measured optical data. The measured optical values are directly related to the optical effective transport coefficient of the breast tissue. Like CT, the images may be viewed as single slices or as 3D volumes. The Computed Tomography Laser Mammography method is a rather new breast imaging technique, yet studies from diagnostic centers all over the world present it as a promising tool in the imaging of the breast either alone or as an adjunctive to conventional mammography. When applying laser light to biological tissue, the occurrence of a variety of interaction mechanisms is multiple. This diversity is due to specific tissue characteristics as well as laser parameters. Laser radiations induce biological damage in tissues via photochemical, photothermal, and photomechanical interactions. During the CTLM technique of the NIR laser irradiation of the breast tissue, thermal effects take place, which were studied in this thesis with the aid of a Monte Carlo simulation code, the MCSLTT (Monte Carlo Simulation of Light Transport in Tissue) code. With the assistance of the MCSLTT code the simulation of the photon propagation inside the breast tissue and the skin was performed and graphics (appearing the temperature rise (°C) as a function of the depth that the laser light penetrates inside the tissue) and results that concerned the parameters under investigation (the total heat, the maximum photon depth when using different input powers and different medium thicknesses) were extracted. The combination of those results, led to the extraction of useful information and to the quantification of the thermal effects induced on skin and breast tissue and to the quantification of the influence of several parameters on breast’s temperature, when being irradiated with laser beams. Photochemical interactions, photoablation, plasma-induced ablation and photodisruption could as well be examined with the development of a new Monte Carlo simulation code, giving interesting results about the interaction mechanisms observed during the CTLM’ s laser beam irradiation of the breast tissue as an aspect of future work. / Ο καρκίνος του μαστού αποτελεί τον πρωταρχικό παράγοντα θνησιμότητας των γυναικών στις ανεπτυγμένες χώρες. Κατά την διάρκεια των τελευταίων χρόνων, εντούτοις, αρκετές τεχνικές στην απεικόνιση του μαστού έχουν αναπτυχθεί και εφαρμοστεί, με την μαστογραφία ακτινών Χ να αποτελεί ίσως την πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη από τις διαγνωστικές μεθόδους καρκίνου. Παρόλο που η μαστογραφία ακτινών Χ ακόμη παραμένει η κύρια διαγνωστική τεχνική στην μάχη κατά του καρκίνου του μαστού και αποτελεί έναν συνεισφέρων παράγοντα στην σταδιακή μείωση των θανάτων από καρκίνο του μαστού, παρουσιάζει συγκεκριμένα μειονεκτήματα τα οποία ποικίλλουν από ψευδή-θετικά αποτελέσματα έως χαμένες αλλοιώσεις καθώς και το ρίσκο της καρκινογένεσης. Έχει εκτενώς τεκμηριωθεί ότι η μαστογραφία, συμβατική ή ψηφιακή, “χάνει” το 25% - 40% των καρκίνων του μαστού, με το ποσοστό να αυξάνει μεταξύ γυναικών με πυκνούς μαστούς οι οποίες και αποτελούν το 40% του γυναικείου πληθυσμού. Εφόσον η μαστογραφία αποτελεί μια προβολική απεικόνιση υπερτιθέμενων δομών μαστού είναι γενικότερα δυσκολότερο να ανιχνευτεί καρκίνος σε έναν μαστό με πυκνή μορφή. Σαν αποτέλεσμα η μαστογραφία παρουσιάζει χαμηλή ευαισθησία (κυμαίνεται από 24.5% έως 37%) ειδικά σε γυναίκες με πυκνούς μαστούς. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι απεικονίζει μόνο ανατομική λεπτομέρεια και δεν παρέχει λειτουργική πληροφορία που είναι απαραίτητη για την πρώιμη και ακριβή διάγνωση του καρκίνου του μαστού και αναμένεται να μειώσει σημαντικά τον αριθμό των μη απαραίτητων βιοψιών. Οι ειδικές ιδιότητες του φωτός μπορούν να βοηθήσουν την οπτική απεικόνιση να “δει” αυτά που οι άλλες διαγνωστικές μέθοδοι, συμπεριλαμβανομένης και της συμβατικής μαστογραφίας ακτινών Χ, μπορεί να χάσουν. Μία από τις νεότερες τεχνικές στο προσκήνιο, είναι η μαστογραφία laser με μεθόδους υπολογιστικής τομογραφίας (CTLM), ένας υπολογιστικός, τομογραφικός, βασιζόμενος σε ακτινοβολία laser ανιχνευτής για τον μαστό, που μπορεί να ανιχνεύει μεγαλύτερη ροή αίματος (η οποία αποτελεί ένδειξη καρκίνου), χρησιμοποιώντας μία μη ιοντίζουσα πηγή ενέργειας. Το σύστημα CTLM χρησιμοποιεί laser για να απεικονίσει τον μαστό σε μία μη διηθητική διαδικασία. Αντίθετα με την μαστογραφία ακτινών Χ, το σύστημα CTLM απεικονίζει την αιμογλοβίνη του αίματος και την διαδικασία της νέο-αγγειογέννεσης ή του σχηματισμού νέων αγγείων που συχνά σχετίζεται με τον καρκίνο του μαστού. Το CTLM λειτουργεί σαν ένας συμβατικός ανιχνευτής υπολογιστικής τομογραφίας εφόσον η πηγή ενέργειας, ένα laser που εκπέμπει στο εγγύς υπέρυθρο ανιχνεύει τον μαστό και ένας υπολογιστής αναδομεί εικόνες από εγκάρσιες τομές που βασίζονται σε μετρήσιμα οπτικά δεδομένα. Οι μετρήσιμες οπτικές τιμές σχετίζονται απευθείας με τον οπτικό δραστικό συντελεστή μεταφοράς του μαστού. Όπως στην υπολογιστική τομογραφία, οι εικόνες μπορούν να απεικονιστούν σαν ατομικές τομές ή ως τρισδιάστατοι όγκοι. Η μαστογραφία laser με μεθόδους υπολογιστικής τομογραφίας (CTLM) είναι μια σχετικά νέα τεχνική απεικόνισης του μαστού, παρόλα αυτά μελέτες διαγνωστικών κέντρων από όλο τον κόσμο την παρουσιάζουν ως μία πολλά υποσχόμενη μέθοδο στην απεικόνιση του μαστού είτε μόνη της είτε βοηθητικά στην συμβατική μαστογραφία. Κατά την εφαρμογή ακτινοβολίας η μαστογραφία laser με μεθόδους υπολογιστικής τομογραφίας laser σε βιολογικό ιστό, η εμφάνιση διαφόρων μηχανισμών αλληλεπίδρασης είναι πολλαπλή. Η ποικιλία αυτή οφείλεται στα ειδικά χαρακτηριστικά του ιστού καθώς και στις παραμέτρους του laser. Η ακτινοβολία laser προκαλεί βιολογική καταστροφή σε ιστούς μέσω φωτοχημικών, φωτοθερμικών και φωτομηχανικών αλληλεπιδράσεων. Κατά την διάρκεια της NIR laser ακτινοβολίας του μαστού της τεχνικής CTLM, θερμικά φαινόμενα λαμβάνουν χώρα, τα οποία μελετήθηκαν σε αυτή την διπλωματική εργασία με την βοήθεια ενός Monte Carlo κώδικα προσομοίωσης, του κώδικα MCSLTT (Monte Carlo Simulation of Light Transport in Tissue). Με την βοήθεια του συγκεκριμένου κώδικα πραγματοποιήθηκε η προσομοίωση της διάδοσης των φωτονίων εντός του ιστού και του δέρματος του μαστού και ελήφθησαν γραφικές που παρουσίαζαν την αύξηση της θερμοκρασίας (°C) ως συνάρτηση του βάθους που η ακτινοβολία laser φτάνει εντός του ιστού και αποτελέσματα που αφορούσαν τις παραμέτρους υπό διερεύνηση (συνολική θερμότητα, μέγιστο βάθος φωτονίων με χρήση διαφορετικών ισχύων εισόδου και διαφορετικών παχών μέσου). Ο συνδυασμός αυτών των αποτελεσμάτων οδήγηση σε χρήσιμες πληροφορίες και στην ποσοτικοποίηση των θερμικών φαινομένων στο δέρμα και στον ιστό του μαστού καθώς και στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης αρκετών παραμέτρων στην θερμοκρασία του μαστού όταν αυτός ακτινοβολείται από δέσμες laser. Οι φωτοχημικές αλληλεπιδράσεις, η φωτοαποκόλληση, η αποκόλληση επαγόμενη από πλάσμα και η φωτοδιάσπαση θα μπορούσαν να μελετηθούν σε μία μελλοντική εργασία με την ανάπτυξη ενός νέου Monte Carlo κώδικα προσομοίωσης, οδηγώντας στην εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τους μηχανισμούς αλληλεπίδρασης κατά την διάρκεια της CTLM μεθόδου ακτινοβόλησης του μαστού.

Σκοπός της μελέτης ήταν η ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός προγράμματος πολυμέσων για την εκμάθηση των φυσικών αρχών της μαγνητικής τομογραφίας από μεταπτυχιακούς φοιτητές της Ιατρικής Φυσικής του Πανεπιστημίου της Πάτρας. Η ανάπτυξη του εκπαιδευτικού προγράμματος έγινε με την χρήση κατάλληλου προγράμματος συγγραφής πολυμέσων. Δεκαοχτώ μεταπτυχιακοί φοιτητές της Ιατρικής Φυσικής κατατάχτηκαν τυχαία σε δύο ομάδες, την ομάδα των υπολογιστών και την ομάδα του βιβλίου. Όλοι οι συμμετέχοντες αξιολογήθηκαν με ένα τεστ με ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής 2 εβδομάδες πριν την αρχή των παραδόσεων, στο τέλος των παραδόσεων και ένα μήνα μετά το τέλος των παραδόσεων. Επιπλέον συμπλήρωσαν ερωτηματολόγια για την αξιολόγηση των στάσεων και πεποιθήσεων τους σχετικά με την χρήση υπολογιστών στην εκπαίδευση. Οι βαθμολογίες των δύο ομάδων συγκρίθηκαν με την βοήθεια της στατιστικής δοκιμασίας ANOVA. Το εκπαιδευτικό πρόγραμμα που αναπτύχτηκε αποτελείται από 6 ενότητες για την διδασκαλία πολύπλοκων φυσικών αρχών MRI με την βοήθεια animation. Κάθε ενότητα περιλαμβάνει ένα τεστ και οι επιδόσεις των χρηστών μπορούν να καταγραφούν και να αναλυθούν με ένα ξεχωριστό πρόγραμμα. Στην ενότητα που χρησιμοποιήθηκε για την αξιολόγηση οι φοιτητές της ομάδας με τους υπολογιστές πέτυχαν στατιστικά υψηλότερους βαθμούς (Μ=80.5, SD=9.4) από τους σπουδαστές με το βιβλίο (M=61.3, SD=12.5, p=.003). Επιπλέον οι φοιτητές των υπολογιστών φαίνεται να εκτιμούν περισσότερο την εκμάθηση μέσω της χρήσης υπολογιστών συγκριτικά με τους σπουδαστές της ομάδας του βιβλίου (p=.230). Οι απόψεις των φοιτητών για την επέκταση της χρήσης των πολυμέσων στην ιατρική φυσική εστιάζονται σε θέματα σχετικά με τα κίνητρα, τις εκπαιδευτικές δυνατότητες και την αξία του περιεχομένου. Τα αναφερθέντα μειονεκτήματα ήταν ελάχιστα, και ήταν επικεντρωμένα κυρίως σε τεχνικά θέματα και σε μαθησιακές δυσκολίες. Η εκπαίδευση με χρήση πολυμέσων είναι χρήσιμη και επικουρική μέθοδος για την εκμάθηση των φυσικών αρχών MRI από μεταπτυχιακούς φοιτητές. Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι η χρήση κατάλληλων προγραμμάτων πολυμέσων βελτιώνει την κατανόηση πολύ περισσότερο συγκριτικά με παραδοσιακές μεθόδους μάθησης. / The objectives of this study were to develop and evaluate an interactive multimedia computer based instructional package in MRI physics and to provide first year medical physics postgraduate students of University of Patras with an interactive means of self-study and self-evaluation. An authoring system was used to develop the courseware package. Eighteen postgraduate medical physics students were prospectively, randomly assigned to receive instruction on the same topic from a textbook and an interactive computer module. Participants were evaluated by a multiple choice test 2 weeks before the lectures, at the end of the lectures and by a retention test 1 month after the end. They also completed questionnaires to elicit their attitudes toward the two instructional methods. Mean test scores of the textbook and computer groups were compared by means of analysis of variance. The developed MRI program is a suite of 6 interactive modules designed to dynamically teach complex MRI concepts using media-rich animations. All modules include a quiz and since patterns of use by student can be recorded a Log Decryption utility and a Log Reader utility was also developed. The tested module demonstrated that students in the computer group (M=80.5, SD=9.4) scored significantly higher on their post-test when compared with the textbook group (M=61.3, SD=12.5, p=.003). Furthermore students in the computer group seem to appreciate multimedia modules more compared to textbook students (p=.003). There were no differences noted between method of instruction and learner satisfaction (p=.230). Students’ rationale for expanding the use of multimedia in physics education seemed to focus on issues concerning motivation, instructional capabilities and content value. The disadvantages reported were few, their prevalence considerably small, especially after the intervention and were mostly focused on technical issues and some difficulties in learning. Computer aided instruction is a useful and effective aid for teaching MRI principles to postgraduate students. The study demonstrated that the inclusion of properly designed multimedia modules enhance conceptual understanding far more than do traditional methods.