The scope of this project is to present a semi-automated vessels segmentation algorithm, to describe its usage and results. This will be achieved combining several segmentation algorithms to get proper vessel segmentation and visualization. Consequently, automatic segmentation can significantly reduce the scan-to-diagnosis time, thus helping the clinicians to reach the fundamental goal of efficient patient management. In order to complete our project, we can identify different phases: - Correct reading of CT and MR images and extraction of data needed for the post-processing. - Processing of these images using the most appropriate segmentation techniques to get the desired contour. - Visualization of the contour. / -

In current digital imaging systems, new components such as digital display, image compression, image processing, as well as film digitization and film printing are introduced, in addition to analogue or digital imaging modalities. Although the current trend is towards fully digital systems, analog images (films) represent a high percentage of the volume of medical image data in the interim transition period from analog to digital. Soft copy display of medical image using CRT monitors, which plays a critical role in diagnostic information extraction, is one of the most vulnerable to failure and performance degradation component of the display workstation. Medical film digitizers and film printers play an important transitory role as analog-to-digital bridges in current PACS. Lossless compression algorithms are widely used in digital medical imaging systems for efficient image storage, transmission, and display, while lossy ones, offering significantly higher compression ratios, are emerging. An important factor for the acceptance of lossy compression in clinical practice is the assessment of “visually lossless” compression thresholds. The above components, as well as the services involving them in telemedicine or PACS systems, introduce additional needs of performance evaluation. In this thesis a performance evaluation protocol, applicable to each of the new components of digital medical imaging systems, as well as to telemedicine or PACS services, is proposed. The proposed protocol is based on a set of transfer characteristics assessment, such as characteristic curve, high contrast transfer, low contrast transfer, noise, uniformity, and geometric distortion, common to all components, and additional component specific parameters (i.e. veiling glare for CRT monitors). The application of the protocol for each component is based on the use of digital test objects, designed using a software tool, which enables (a) user-driven selection of patterns, associated to evaluation parameters, to be included, and (b) user-driven pattern specifications, according to requirements of individual components. The protocol has been applied for the assessment of transfer characteristics of: (a) three film digitizers, (b) two CRT monitors, (c) two film printers, and (d) two compression algorithms, used or intended for use in digital medical imaging systems, to demonstrate its completeness with respect to evaluation parameters, its sensitivity (i.e., the capability to differentiate between components of the same category and with similar performance), and its adaptability with respect to the specifications of the individual component being tested. Of the three film digitizers tested two are CCD based, Lumiscan 20 and Agfa DuoScan, and one is laser based, Lumiscan 75. Measurements performed show superior performance of the Lumiscan 75 digitizer with respect to its characteristic curve and amount of noise introduced. The Agfa DuoScan has superior performance with respect to spatial resolution. For low contrast discrimination the Agfa DuoScan has superior performance for low optical densities, up to 1.8 o.d. units, while for higher optical densities the Lumiscan 75 digitizer show better performance. The Lumiscan 20 film digitizer has a linear characteristic curve and acceptable noise handling up to 2.8 o.d. units, but low spatial resolution. Of the two CRT monitors tested, Sony E500 and Samsung 950p, the former exhibits slight performance superiority, but they are both characterized by limited performance with respect to maximum luminance, resolution (high contrast response), and low contrast discrimination. Of the two film printers tested, AGFA DrayStar 2000 and Kodak DrayView 8100, the latter shows better performance with respect to characteristic curve, high contrast response and low contrast discrimination. The assessment results for the JPEG compression algorithm tested (OTE-TS implementation) indicate the compression ratio of 15:1, as a visually lossless threshold in case of low contrast lesion detection in x-ray chest images, in agreement with previous observer performance studies. The wavelet based compression algorithm tested (Pegasus Imaging Corp. implementation) is JPEG 2000 compatible with respect to the wavelet filters used. Its visually lossless threshold, derived from contrast threshold curves associated with microcalcification cluster detection in mammograms, is at compression ratio 35:1, and it is lowered at 30:1 if a perceptibility criterion for image quality degradation is applied. The validation study, based on ROC analysis of observers’ performance, confirmed these values, as the threshold for cluster detection is at compression ratio 40:1, and it is lowered to 25:1 by observers’ image quality grading. Component performance evaluation results indicate that the proposed protocol can be successfully used for comparative evaluation of film digitizers, film printers and CRT monitors. In case of compression algorithms, the proposed protocol can be used: (a) as a preliminary step for testing the algorithm during development, (b) for comparative evaluation of algorithms, and (c) in the efficient planning of a ROC study with respect to range of interest of compression ratios. The wide applicability of the proposed protocol is based on a generic set of common transfer characteristics with respect to components and services, and is also empowered by the userdriven design of the digital test objects used. Test objects design is flexible, due to their soft character, enabling adaptation of the design to the technical specifications of each type of individual component. / Η τρέχουσα τάση στην ιατρική απεικόνιση είναι τα πλήρη ψηφιακά απεικονιστικά συστήματα. Κύρια χαρακτηριστικά των ψηφιακών απεικονιστικών συστημάτων είναι πρώτον ο διαχωρισμός καταγραφής και παρουσίασης εικόνας, μέσω ψηφιακών ανιχνευτών και οθονών CRT αντίστοιχα, και δεύτερον η ψηφιακή επεξεργασία/ανάλυση και μετάδοση ιατρικής εικόνας, στα πλαίσια συστημάτων PACS και Τηλε-ιατρικής. Μεταβατικά, οι ψηφιοποιητές και οι εκτυπωτές ιατρικού φιλμ διαδραματίζουν ένα σπουδαίο ρόλο ως “γέφυρες” μεταξύ αναλογικών και ψηφιακών συστημάτων. Η αποδοτική αποθήκευση, μετάδοση και παρουσίαση ψηφιακών ιατρικών εικόνων επέβαλλε τη χρήση αλγορίθμων συμπίεσης. Προς το παρόν, οι αντιστρέψιμοι αλγόριθμοι (lossless) είναι κλινικά αποδεκτοί, ενώ οι μη αντιστρέψιμοι (lossy), οι οποίοι χαρακτηρίζονται από μεγάλους λόγους συμπίεσης, αποτελούν τρέχον πεδίο έρευνας. Οι νέες συνιστώσες των ψηφιακών ιατρικών απεικονιστικών συστημάτων δημιουργούν την ανάγκη ανάπτυξης πρωτοκόλλων ελέγχου απόδοσης για τη διασφάλιση υψηλής ποιότητας ιατρικής εικόνας. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής αναπτύχθηκε ένα πρωτόκολλο ελέγχου απόδοσης, γενικής χρήσεως, ικανό να ανταποκρίνεται σε όλες τις ανωτέρω συνιστώσες και υπηρεσίες. Το πρωτόκολλο βασίζεται σε ένα σύνολο χαρακτηριστικών μεταφοράς, κοινό για όλες τις συνιστώσες, όπως η χαρακτηριστική καμπύλη, η μεταφορά υψηλής αντίθεσης, η μεταφορά χαμηλής αντίθεσης, ο θόρυβος, η ομοιογένεια και η γεωμετρική παραμόρφωση, καθώς και σε χαρακτηριστικά εξειδικευμένα για κάθε συνιστώσα. Η εφαρμογή του πρωτοκόλλου στηρίζεται στη χρήση ψηφιακών ομοιωμάτων (digital test objects) που σχεδιάζονται με χρήση λογισμικού που σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής. Η εφαρμοσιμότητα του πρωτοκόλλου πιστοποιήθηκε σε: (α) τρεις ψηφιοποιητές ιατρικού φιλμ (Lumiscan 75, Lumiscan 20 και Agfa DuoScan), (β) δύο οθόνες ψηφιακής παρουσίασης (Sony E500 και Samsung 950p), (γ) δύο εκτυπωτές ιατρικού φιλμ (Agfa DrayStar 200 και Kodak DrayView 8100) και (δ) δύο αλγορίθμους συμπίεσης (OTE-TS JPEG και Pegasus wavelet-based), που χρησιμοποιούνται ή προτείνονται για χρήση σε ιατρικά απεικονιστικά συστήματα. Ειδικότερα ελέγχθηκαν: (ι) η πληρότητα του κοινού συνόλου χαρακτηριστικών μεταφοράς, (ιι) η ευαισθησία τους, δηλαδή η ικανότητα διαφοροποίησης μεταξύ συνιστωσών της ίδιας κατηγορίας και (ιιι) η προσαρμοστικότητα των ψηφιακών ομοιωμάτων στις τεχνικές προδιαγραφές των επιμέρους συνιστωσών. Από τους ψηφιοποιητές ιατρικού φιλμ που ελέγχθηκαν, ο Lumiscan 75 έχει καλύτερη απόδοση ως προς την χαρακτηριστική καμπύλη και το θόρυβο. Ο ψηφιοποιητής Agfa DuoScan έχει καλύτερη απόδοση ως προς την μεταφορά υψηλής αντίθεσης. Ως προς την μεταφορά χαμηλής αντίθεσης, ο ψηφιοποιητής Agfa DuoScan έχει καλύτερη απόδοση για χαμηλές οπτικές πυκνότητες, μέχρι 1.8. o.d. μονάδες, ενώ ο ψηφιοποιητής Lumiscan 75 έχει καλύτερη απόδοση για υψηλές οπτικές πυκνότητες. Ο ψηφιοποιητής Lumiscan 20, έχει γραμμική χαρακτηριστική καμπύλη και ικανοποιητικό χειρισμό θορύβου για οπτικές πυκνότητες μικρότερες από 2.8 o.d. μονάδες, αλλά χαρακτηρίζεται από χαμηλή απόδοση ως προς την μεταφορά υψηλής αντίθεσης. Σχετικά με την απόδοση οθονών η Sony E500 έχει καλύτερη απόδοση, όμως και οι δύο οθόνες χαρακτηρίζονται από χαμηλή απόδοση ως προς την χαρακτηριστική καμπύλη και την μεταφορά υψηλής και χαμηλής αντίθεσης. Σχετικά με την απόδοση εκτυπωτών ιατρικού φιλμ ο Kodak DrayView 8100 να έχει καλύτερη απόδοση ως προς την χαρακτηριστική καμπύλη και την μεταφορά υψηλής και χαμηλής αντίθεσης. Ως προς τους αλγορίθμους συμπίεσης, επιβεβαιώθηκε το οπτικά αντιστρέψιμο κατώφλι (visually lossless threshold) του αλγορίθμου JPEG (OTE-TS υλοποίηση), με λόγο συμπίεσης 15:1, που αντιστοιχεί σε ανίχνευση πνευμονικών αλλοιώσεων χαμηλής αντίθεσης στην ακτινογραφία θώρακος. Για τον αλγόριθμο wavelet που μελετήθηκε (Pegasus Imaging Corp. υλοποίηση), ο οποίος είναι συμβατός με το πρότυπο JPEG 2000 ως προς το φίλτρο wavelet, προτείνεται οπτικά αντιστρέψιμο κατώφλι με λόγο συμπίεσης 35:1, στην περίπτωση ανίχνευσης ομάδων αποτιτανώσεων στη μαστογραφία. Με τη χρήση κριτηρίου αντίληψης υποβάθμισης ποιότητας εικόνας (perceptibility criterion for image quality degradation) το κατώφλι μειώνεται σε 30:1. Τα κατώφλια επιβεβαιώθηκαν και με ανάλυση ROC, η οποία ανάδειξε το οπτικά αντιστρέψιμο κατώφλι για ανίχνευση ομάδων αποτιτανώσεων σε 40:1, ενώ με τη διαβάθμιση ποιότητας εικόνας από τους παρατηρητές, το κατώφλι μειώνεται σε 25:1. Τα αποτελέσματα συγκριτικής απόδοσης των ψηφιοποιητών, των οθονών και των εκτυπωτών ανάδειξαν ότι το προτεινόμενο πρωτόκολλο ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις των ανωτέρω συνιστωσών. Ως προς τους αλγόριθμους συμπίεσης, το προτεινόμενο πρωτόκολλο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για: (α) βελτιστοποίηση των αλγορίθμων κατά τη διαδικασία ανάπτυξης, (β) συγκριτικό έλεγχο μεταξύ διαφορετικών αλγορίθμων, και (γ) αποδοτική σχεδίαση μελέτης ROC, μέσω του περιορισμού του εύρους των λόγων συμπίεσης. Η ευρεία εφαρμοσιμότητα του προτεινόμενου πρωτοκόλλου βασίζεται στο κοινό σύνολο χαρακτηριστικών μεταφοράς για συνιστώσες και υπηρεσίες, και ενδυναμώνεται με την χρήση ψηφιακών ομοιωμάτων. Ο σχεδιασμός των ψηφιακών ομοιωμάτων επιτρέπει την προσαρμογή τους στις ανάγκες του χρήστη και των τεχνικών προδιαγραφών της κάθε συνιστώσας.

Αρκετές έρευνες, παλαιές και πιο πρόσφατες, έχουν ασχοληθεί με την αξιολόγηση της ποιότητας της εικόνας των απεικονιστικών συστημάτων πυλαίας απεικόνισης (EPID). Έχουν επίσης, δημοσιεύσει αποτελέσματα ποιοτικών μετρήσεων όπως MTF, DQE, CNR και SNR. Ωστόσο, σε αυτές τις μελέτες η επίδραση των διαφόρων ενεργειών δεν αξιολογήθηκε συστηματικά[G.Jarry and F.Verhaegen, 2005]. Επιπλέον, ελάχιστες εργασίες έχουν χρησιμοποιήσει το ομοίωμα QC-3 για τις αντίστοιχες μελέτες ποιοτικής αξιολόγησης[Filipe Martins Garcia de Moura, 2008, Poonam Yadav et al, 2010]. Το προαναφερθέν ομοίωμα χρησιμοποιείται επί το πλείστον, κλινικά, για τον προσδιορισμό θέσης του ασθενούς[U. Ramm et al, 2013]. Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά την πειραματική αξιολόγηση της ποιότητας της εικόνας των συστημάτων πυλαίας απεικόνισης (Portal Imaging). Η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ποιοτικών δεικτών όπως είναι, η Συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF), Φάσμα ισχύος θορύβου (NPS), Κανονικοποιημένο φάσμα ισχύος του θορύβου (NNPS), Σχετική Ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα (R-DQE), Λόγος αντίθεσης προς θόρυβο (CNR), Λόγος σήματος προς θόρυβο (SNR), Δείκτης Ποιότητας Εικόνας (FIQ). To MTF υπολογίστηκε με χρήση του Συνάρτηση τετραγωνικής απόκρισης (SWRF), το NPS υπολογίστηκε μέσω του μετασχηματισμού Fourrier στην περιοχή ενδιαφέροντος της ακτινοβολούμενης εικόνας, το R-DQE υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας το MTF και το κανονικοποιημένο NPS, το SNR υπολογίστηκε από το κλάσμα, με αριθμητή τη τιμή του κάθε εικονοστοιχείου του σημείου ενδιαφέροντος της εικόνας και παρανομαστή την τυπική απόκλιση της αντίστοιχης περιοχής ενδιαφέροντος, το CNR υπολογίστηκε από την διαίρεση της αντίθεσης της περιοχής ενδιαφέροντος με τον στατιστικό θόρυβο, το FIQ υπολογίστηκε από το MTF της κάθε χωρικής συχνότητας διαιρούμενη με τον συντελεστή μεταβλητότητας (Coefficient of Variation (CV)). Οι προαναφερθέντες ποιοτικοί δείκτες χρησιμοποιήθηκαν σε ψηφιακές εικόνες DICOM χρησιμοποιώντας το εξειδικευμένο QC-3 test phantom. Πραγματοποιήθηκαν 48 απεικονίσεις, σε συνθήκες Ακτινοθεραπείας (20x20cm2, SSD=100cm), του εν λόγω φάντομ για έναν αριθμό από Monitor Units (MUs), για διάφορους Ρυθμούς δόσης (DR) και χρησιμοποιώντας 4 διαφορετικές ενέργειες. Συμπερασματικά διαπιστώθηκε ότι η ποιότητα της εικόνας βελτιώνεται όσο αυξάνουν τα MUs και τα DR, αλλά παρατηρήθηκε μία μικρή υποβάθμιση της εικόνας στις χαμηλές χωρικές συχνότητες. Για το ίδιο απεικονιστικό σύστημα, στα 6MV, με χαμηλές τιμές DR το CNR και το SNR είναι αυξημένο. Ενώ, συγκρίνοντας την ενέργεια δέσμης 6MV με 18MV, παρατηρήθηκε ότι το SNR και το CNR είναι υψηλότερα στα 6MV. Για τέσσερις διαφορετικές ενέργειες δέσμης φωτονίων παρατηρήθηκε παρόμοια συμπεριφορά του R-DQE στις τρεις ενέργειες(10MV, 15MV, 18MV), στα 6MV το R-DQE είχε φθίνουσα πορεία. Στα γραφήματα R-DQE για ίδιο DR υπήρξε μία μικρή διαφοροποίηση, αυξήθηκαν σε μικρό ποσοστό οι τιμές του R-DQE για τα 6MV και 18MV. / Several studies, older and more recent, have dealt with the evaluation of image quality of portal imaging systems (EPID). They also publish qualitative measurements such as MTF, DQE, CNR and SNR. However, in these studies the effect of different actions was not evaluated systematically [G.Jarry and F.Verhaegen, 2005]. Moreover, few works have used the QC-3 phantom for the respective quality evaluation studies [Filipe Martins Garcia de Moura, 2008, Poonam Yadav et al, 2010]. The phantom is used mostly clinically, for positioning the patient [U. Ramm et al, 2013]. This thesis concerns the experimental evaluation of the image quality of portal imaging systems (Portal Imaging). The evaluation was conducted using qualitative indicators such as the modulation transfer function (MTF), noise power spectrum (NPS), Normalized power spectrum of noise (NNPS), Relative detective quantum efficiency (R-DQE), contrast to noise ratio (CNR), Signal to Noise Ratio (SNR), Image Quality Index (FIQ). The MTF was calculated using the square wave response function (SWRF), the NPS was calculated via Fourrier transform the region of interest of the image radiated, the R-DQE was calculated using the MTF and the normalized NPS, the SNR calculated from the fraction with the numerator value of each pixel point of interest of the image and the denominator as the standard deviation of the corresponding region of interest, the CNR was calculated by dividing the contrast of the region of interest with the statistical noise, FIQ was calculated from the MTF of each spatial frequency divided by the coefficient of variation (Coefficient of Variation (CV)). The quality indicators were used in digital DICOM images using the specialized QC-3 test phantom. There were 48 displays, under Radiotherapy conditions (20x20cm2, SSD = 100cm), of that phantom for a variety of Monitor Units (MUs), for various dose rate (DR) and using 4 different energies. In conclusion, it was found that the image quality is improved by increasing the MUs and DR, but a small deterioration in the image was observed in low spatial frequencies. At the same imaging system at 6MV, low DR values the CNR and SNR were increased. While comparing the energy beam 6MV to 18MV, it was observed that the SNR and CNR were higher at 6MV. For four different photon energy beams were observed a similar behavior of R-DQE at three energy beams (10MV, 15MV, 18MV), at 6MV the R-DQE was declining. In the R-DQE graphs at the same DR there was a slight differentiation. The R-DQE was increased at small percentage rates for 6MV and 18MV.

H Διπλωματική Εργασία αυτή επικεντρώνεται στο θέμα της Υπερηχητικής Απεικόνισης του ανθρώπινού σώματος με την παρατήρηση της δεύτερης αρμονικής που πηγάζει από την μη-γραμμική αλληλεπίδραση των υπερήχων με τους ιστούς που φωτίζονται από ένα παλμικό σήμα με φέρουσα συχνότητα εκπομπής f0. Η επεξεργασία των σημάτων λήψης στην ζώνη γύρω από την συχνότητα 2f0 και η απεικόνισή τους με συμβατικό τρόπο (b-mode) επιτρέπει την επίτευξη καλλίτερης χωρητικής διακριτικής ικανότητας. Η μελέτη ακολουθεί δύο παράλληλες μεθόδους: α) την κυματική ανάλυση του φαινομένου σκέδασης από μια μη γραμμική σφαίρα των υπερηχητικών κυμάτων και β) την εκτέλεση πειραματικών μετρήσεων με χρήση συστήματος υπερηχογράφου που έχει "ανοικτή" αρχιτεκτονική. Τόσο τα θεωρητικά όσο και τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την χρησιμότητα της μεθόδου σαν μια εναλλακτική ιατρική απεικονιστική τεχνική. / The present Diploma Thesis is focused on the study of using 2nd harmonic ultrasound imaging of tissues as an alternate imaging technology in biomedical engineering.The principle of using of 2nd harmonic imaging is based on the illumination of a tissue medium with a frequency of f0 and then receive and prosess the signals with the same transducer at 2fo frequency. In order to derive specific conclusions this imaging problem is treated both theoreticaly and experimentally in the framework of the present Diploma Thesis.

Η διπλωματική αυτή εργασία ξεκινά με μια σύντομη αναφορά, στο κεφάλαιο 1, στις εξελίξεις που αφορούν τους διάφορους τρόπους ανίχνευσης της ακτινοβολίας, μετά από την αλληλεπίδρασή τους με το σώμα, και στην τεχνολογία απόκτησης ακτινοδιαγνωστικών εικόνων μέχρι την εισαγωγή της ψηφιακής απεικόνισης. Αναφέρεται, επίσης, η μετάβαση από το σύστημα φθορίζουσας οθόνης-φιλμ στο σύστημα του ενισχυτή εικόνας-tv monitor, στο σύστημα CCDs-tv camera και από εκεί στα συστήματα των επίπεδων ανιχνευτών. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα της ψηφιακής απεικόνισης και πώς αυτά οδήγησαν στα σύγχρονα ψηφιακά συστήματα ακτινοδιαγνωστικής. Μετά την περιγραφή των συστημάτων αυτών, ακολουθεί η κατηγοριοποίησή τους ανάλογα με την τεχνολογία ανίχνευσης και πιο συγκεκριμένα ανάλογα με το σχήμα του ανιχνευτή, τον τύπο του συστήματος ανίχνευσης και τον τρόπο ανίχνευσης. Το κεφάλαιο 2 αφορά κυρίως τους επίπεδους ανιχνευτές. Αφού παρουσιάζεται η διαδικασία ανάγνωσης σε πίνακα ενεργού μήτρας, αναλύονται οι αρχές άμεσης και έμμεσης ανίχνευσης και οι παράμετροι που χαρακτηρίζουν την απόδοση ενός επίπεδου ανιχνευτή. Ολοκληρώνοτας το κεφάλαιο αυτό, γίνεται σύγκριση μεταξύ των δύο προαναφερθέντων επίπεδων ανιχνευτών, σύγκριση μεταξύ των ανιχνευτών έμμεσης ανίχνευσης, που χρησιμοποιούνται σε κλινικές εφαρμογές, και του ενισχυτή εικόνας, που τείνει να αντικατασταθεί σχεδόν σε όλα τα σύγχρονα μηχανήματα, και, τέλος, αναφορά σε διάφορες εξελίξεις πάνω στην τεχνολογία των επίπεδων ανιχνευτών. Τα συστήματα των επίπεδων ανιχνευτών εφαρμόζονται ήδη σε μια μεγάλη γκάμα ακτινοδιαγνωστικών συστημάτων, στα οποία πραγματοποιούνται εξετάσεις, όχι μόνο διάγνωσης, αλλά και θεραπείας. Εξετάσεις όπως η αγγειογραφία, η ψηφιακή αφαιρετική αγγειογραφία (DSA), στεφανιογραφία και αγγειοπλαστική περιγράφονται στο κεφάλαιο 3. Εκτός, όμως, από τα οφέλη που προκύπτουν από τις παραπάνω διαδικασίες, είναι πιθανό να προκληθούν και βλαβερές συνέπειες από την έκθεση του ασθενούς στις ακτίνες Χ. Αφού περιγραφούν τα ντετερμινιστικά και στοχαστικά αποτελέσματα των ακτινοβολιών στον άνθρωπο, αναφέρονται κάποιες δοσιμετρικές έννοιες και κάποιες συναρτησιακές σχέσεις μεταξύ τους, που σχετίζονται με τα παραπάνω αποτελέσματα και την πρόληψή τους. Η παρούσα εργασία, συνεχίζεται με το ειδικό μέρος, στο οποίο γίνεται, αρχικά, στο κεφάλαιο 4, μία σύντομη περιγραφή του ψηφιακού συστήματος στεφανιογραφίας και μία εισαγωγή σε δοσιμετρικές και γεωμετρικές έννοιες που θα χρησιμοποιηθούν στο επόμενο κεφάλαιο. Το κεφάλαιο 5 αναφέρεται, εξ’ ολοκλήρου, στο σύστημα του ψηφιακού στεφανιογράφου. Μετά την αναφορά στην παλμική ακτινοσκόπηση, τα modes απεικόνισης fluoroscopy και cine, ακολουθεί περιγραφή της τοποθέτησης των δοσιμέτρων, της γεωμετρίας και των προγραμμάτων του συστήματος, που χρησιμοποιήθηκαν για την καταγραφή του ρυθμού δόσης στην είσοδο του ασθενούς. Παρουσιάζονται τ’ αποτελέσματα και οι γραφικές παραστάσεις αυτών, καθώς και τα σχόλια που σχετίζονται με τη δοσιμετρία. Με την ολοκλήρωση των σχολίων συτών, γίνεται μετάβαση στην ποιότητα εικόνας (διακριτική ικανότητα υψηλής και χαμηλής αντίθεσης) και τη συσχέτισή της με τη δοσιμετρία. Η διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται, κεφάλαιο 6, με διάφορους μελλοντικούς στόχους που προέκυψαν κατά τη διάρκεια της εκπόνησής της. / -

Το πεδίο έρευνας της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ευφυής διαχείριση ιατρικών δεδομένων και πιο συγκεκριμένα ιατρικό βίντεο που επιτυγχάνεται κυρίως με την ενσωμάτωση κλινικών δεδομένων με τη χρήση ψηφιακής υδατογραφίας στο ιατρικό βίντεο. Η ψηφιακή υδατογραφία είναι το ερευνητικό πεδίο που ασχολείται με τη διαδικασία ενσωμάτωσης κρυφών πληροφοριών σε ένα σήμα. Η συγκεκριμένη ερευνητική εργασία επικεντρώνεται σε ένα μη ορατό και εύρωστο υδατογραφικό σχήμα για ιατρικό βίντεο. Μια συχνή απαίτηση για τα υδατογραφικά σχήματα είναι η ικανότητα τυφλής αποκωδικοποίησης, η αποκωδικοποίηση δηλαδή χωρίς το αρχικό σήμα. Στην ερευνητική εργασία σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα υδατογραφικό σχήμα που σκοπό έχει τη χρήση του από ιατρικούς οργανισμούς για την προστασία των ιατρικών δεδομένων που παρέχουν τα ιατρικά βίντεο καθώς και την ευφυή διαχείριση των κλινικά χρήσιμων δεδομένων για διαγνωστικούς και εκπαιδευτικούς σκοπούς. Πιο συγκεκριμένα το σύστημα εφαρμόζει τρισδιάστατο μετασχηματισμό κυματιδίων σε ιατρικά βίντεο και ενσωματώνει πολλαπλά υδατογραφήματα, με διαφορετικές ανάγκες σε απαιτήσεις για ακεραιότητα και αδιορατότητα, χωρίς ωστόσο να αλλοιώνει τη διαγνωστική αξία των ιατρικών εξετάσεων. Καθώς η χρησιμότητα της εφαρμογής υδατογραφικών σχημάτων στις ιατρικές εικόνες είναι διεθνώς αναγνωρισμένη, ενώ αντίθετα δεν έχει γίνει μέχρι στιγμής καμία προσέγγιση για ιατρικά βίντεο, η παρούσα ερευνητική εργασία αποτελεί μια καινοτόμα προσέγγιση στην εισαγωγή υδατογραφίας και στα ιατρικά βίντεο, η οποία παράλληλα διαχειρίζεται ευφυώς τις κλινικές διαγνώσεις που προκύπτουν από αυτά. / The research field of this Ph.D thesis is the intelligent management of medical data, and more specifically medical video which is achieved based on the embedding of clinical data through the use of digital watermarking, on the medical video. Digital watermarking is the research field that uses a process to embed hidden information into a signal. The Ph.D thesis focuses on a non visible and robust watermarking scheme for medical videos. A common requirement of watermarking schemes is the ability to blindly decode a message without the use of the original signal. On the current work, a watermarking scheme was designed and implemented aiming to be used by medical organizations to protect medical data and to intelligent manage clinical useful data for diagnostic and educational purposes. In particular the system performs a three dimensional discrete wavelet transform into medical videos and embeds multiple watermarks with different requirements for integrity and imperceptibility without degradation of the diagnostic value of the medical examinations. The use of watermarking schemes on medical images is well established by the international literature. The use of a watermarking scheme for medical videos has not been achieved until today. The present scientific works proposes an innovative approach for medical video watermarking, that intelligently manages at the same time clinical diagnosis from the examinations.

- / -

- / -

This thesis is dealing with classifiers in Computer Aided Diagnosis in medical imaging. In particular, it focuses on artificial neural networks and feature selection methods. The specific goals of the thesis are: 1. Search for optimal topology of a feed-forward neural network (FFNN), dealing with four (4) medical imaging classification problems (Cytology, MRI, CT, and Mammography). 2. Study three (3) feature selection (dimensionality reduction) methods including PCA, stepwise analysis and t-test ranking for the FFNN topology defined in the previous step, for the four (4) medical imaging classification problems at hand. 3. Compare performance of the FFNN scheme to KNN, SVM, PNN and LDA classifiers, dealing with the above mentioned four (4) medical imaging classification problems. 10-fold cross validation estimation of generalization performance (generalization error) of the classification schemes was utilized. 4. Statistical significance of the results was validated utilizing ANOVA and Duncan’s test. To facilitate experimentation, a user-friendly application was developed (Chapter 3) that allows the user to find the best network topology on feature vectors, selected by various pre-processing techniques, and compared with other classifiers. The results of this are: 1. There is no statistical evidence that the different topology that is tested have any impact on classification performance of FFNN in any of the classification problem that this thesis is dealt off. 2. The stepwise method of dimensionality reduction (feature selection) is statistically significance better method than the other methods, except in the case of one dataset (Cytology) where there are no statistical significant differences. This is because of the inherent ability of stepwise method to select uncorrelated features unlike the other two methods (the datasets that the stepwise featured better performance had many highly correlated features). 3. There is no statistical significant better classifier in most cases, while neuronal classifier exhibits very good behaviour on all cases. For that reason, the selection of classifier does not seem to affect the classification problems at hand. Furthermore, the choice of classifier could be done based on other criteria than the classification performance, such as, the simplicity and plasticity, features that characterize the FFNN. / Το αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι οι ταξινομητές στα συστήματα υποβοηθούμενης διάγνωσης στην ιατρική απεικόνιση. Ειδικότερα, εστιάζει στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα καθώς και σε μεθόδους επιλογής χαρακτηριστικών. Οι στόχοι αυτής της εργασίας είναι: 1. Η αναζήτηση της βέλτιστης τοπολογίας ενός πρόσω κατευθυντικού νευρωνικού δικτύου, σε τέσσερα (4) προβλήματα ταξινόμησης ιατρικής απεικόνισης (κυτταρολογία, μαγνητική απεικόνιση, αξονική τομογραφία και μαστογραφία). 2. Η μελέτη τριών (3) μεθόδων επιλογής χαρακτηριστικών (μείωσης διαστάσεων) συμπεριλαμβανομένων της ανάλυσης κύριων συνιστωσών, της σταδιακής αναζήτησης και της κατάταξης κατά τ-τέστ για τα τέσσερα (4) προβλήματα ταξινόμησης που είχαμε στη διάθεσή μας. 3. Η σύγκριση της απόδοσης του πρόσω κατευθυντικού νευρωνικού δικτύου (FFNN) με τους KNN, SVM, PNN και LDA ταξινομητές, στα τέσσερα (4) προαναφερθέντα ιατρικά προβλήματα ταξινόμησης. Για την εκτίμηση της απόδοσης γενίκευσης (σφάλμα γενίκευσης) χρησιμοποιήθηκε η 10-πτυχη διασταυρούμενη επικύρωση. 4. Η στατιστική σημαντικότητα των αποτελεσμάτων ελέγχθηκε με τις δοκιμασίες της ανάλυσης της διακύμανσης κατά ένα παράγοντα (ANOVA) και της δοκιμασίας Duncan. Για την διευκόλυνση του πειραματικού μέρους αναπτύχθηκε μια φιλική στο χρήστη εφαρμογή που επιτρέπει την αναζήτηση της βέλτιστης τοπολογίας του νευρωνικού δικτύου για τα επιλεγμένα χαρακτηριστικά, και τις προεπιλεγμένες τεχνικές προ-επεξεργασίας, ενώ επιτρέπει και την σύγκριση του με άλλους ταξινομητές. Τα αποτελέσματα του πειραματικού μέρους αυτής της εργασίας είναι: 1. Δεν αποδεικνύεται στατιστικά ότι η τοπολογία του δικτύου έχει κάποια επίδραση στην απόδοση του στα τέσσερα αυτά προβλήματα που μελετήθηκαν. 2. Η μέθοδος σταδιακής αναζήτησης είναι στατιστικά καλύτερη μέθοδος για επιλογή χαρακτηριστικών (τη μείωση των διαστάσεων), εκτός από το ένα πρόβλημα που αφορούσε στην κυτταρολογία όπου δεν αποδείχθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ των μεθόδων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η μέθοδος σταδιακής αναζήτησης έχει την «ενδογενή» ικανότητα να επιλέγει χαρακτηριστικά που είναι ανεξάρτητα μεταξύ τους με αποτέλεσμα την αυξημένη διακριτική ικανότητα του τελικού συνόλου (τα προβλήματα που η μέθοδος αυτή επέδειξε καλή συμπεριφορά είχαν χαρακτηριστικά με υψηλό βαθμό συσχέτισης). 3. Δεν αποδεικνύεται στατιστικά καλύτερος ταξινομητής στις περισσότερες περιπτώσεις ενώ ο νευρωνικός ταξινομητής επιδεικνύει πολύ καλή συμπεριφορά σε όλες τις περιπτώσεις. Για το λόγο αυτό, η επιλογή του ταξινομητή δεν φαίνεται να επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό την απόδοση του συστήματος στα προβλήματα που έχουν μελετηθεί εδώ. Επιπλέον, η επιλογή του ταξινομητή μπορεί να γίνει με όρους διαφορετικούς από την ταξινομητική ικανότητά τους όπως απλότητα και ευελιξία, χαρακτηριστικά που έχει ο νευρωνικός ταξινομητής.

Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάκτηση πληροφορίας από δενδρικές δομές που εμφανίζονται σε ιατρικές εικόνες. Η διάγνωση με την βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών είναι ένας ευρέως αναπτυσσόμενος κλάδος της πληροφορικής καθώς υποβοηθά το ιατρικό έργο. Συχνά στην ιατρική απαιτείται αξιολόγηση δεδομένων που προκύπτουν από εικόνες (π.χ. απλή ακτινογραφία, αξονική τομογραφία). Οι ιατρικές αυτές εικόνες παρουσιάζουν τη μορφολογία διαφόρων οργάνων του ανθρώπινου σώματος. Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση ιατρικών εικόνων με τη βοήθεια προγραμμάτων που κατασκευάζουμε προκειμένου να αυτοματοποιηθεί η διαδικασία της διάγνωσης. Οι ιατρικές εικόνες τις οποίες μελετάμε απεικονίζουν δενδρικές δομές από ιστούς του ανθρώπινου σώματος. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται προσπάθεια να εντοπιστούν εκείνα τα χαρακτηριστικά των δενδρικών δομών που συμβάλλουν με ακρίβεια στη διάγνωση του ασθενούς. Παλιότερες εργασίες έχουν αποδείξει ότι η ανάλυση της μορφολογίας αυτών των δενδρικών δομών μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εξόρυξη περιγραφικών χαρακτηριστικών που διακρίνουν τους ασθενείς από τους μη ασθενείς. Αυτοματοποιημένες τεχνικές ανάλυσης των εικόνων αυτών έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση πρώιμων σταδίων όγκων του εγκεφάλου, καρκίνου του μαστού και τρισδιάστατη ανάλυση της μορφολογίας των αεραγωγών στον πνεύμονα. Η μέθοδός μας προσπαθεί να βελτιώσει τα αποτελέσματα από προηγούμενες μεθόδους αναλύοντας την εικόνα, ώστε να μοντελοποιηθεί η δενδρική δομή που υπάρχει. Με βάση τη δενδρική δομή λαμβάνονται μετρήσεις αρκετών παραμέτρων, όπως το πλήθος των διακλαδώσεων, η χωρική πυκνότητα των διακλαδώσεων (ανάλυση Sholl) και ο δείκτης ασυμμετρίας. Βάσει των παραπάνω μετρήσεων, γίνεται κατηγοριοποίηση των εξεταζόμενων ασθενών σε δύο κλάσεις (ασθενείς με ευρήματα και ασθενείς χωρίς ευρήματα). Τέλος, γίνεται αξιολόγηση της προτεινόμενης μεθόδου με κριτήρια την ευαισθησία και ειδικότητά της σχετικά με τον εντοπισμό ευρημάτων. Η έρευνά μας μπορεί να βρει εφαρμογές στην ανίχνευση ευρημάτων που οδηγούν σε καρκίνο του στήθους. Στην περίπτωση αυτή οι ιατρικές εικόνες που εξετάζονται είναι γαλακτογραφίες (είδος ακτινογραφίας που χρησιμοποιείται κατά την εξέταση του στήθους). Επίσης, μπορεί να εφαρμοστεί στις δενδρικές δομές που υπάρχουν στο πυελοκαλυκικό σύστημα των νεφρών. Καταλήγοντας, η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη σύγκριση και την κατηγοριοποίηση ιστών ή τμημάτων του ανθρωπίνου σώματος που αποτελούνται από δενδρικές δομές. / -