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

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να συμβάλει στην επιλογή του βέλτιστου σπινθηριστή ανάμεσα σε αυτούς που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα απεικονιστικά συστήματα τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων PET και PET μικρών ζώων, ο οποίος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ένα ανιχνευτικό σύστημα πολλαπλών εφαρμογών PET/CT, MV CBCT, κλπ.) με έναν κοινό ανιχνευτή. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκαν δείγματα από τους ακόλουθους κρυσταλλικούς σπινθηριστές: α) πυριτικού οξειδίου του γαδολινίου (GSO), β) πυριτικού οξειδίου του λουτεσίου (LSO), γ) πυριτικού οξειδίου του λουτεσίου-υτρίου (LΥSO), δ) αλουμινικού οξειδίου του υτρίου (YAP) και ε) αλουμινικού οξειδίου του λουτεσίου-υτρίου (LuYAP). Όλα τα δείγματα των σπινθηριστών ήταν ενεργοποιημένα με τρισθενές δημήτριο (Ce+3). Η μελέτη έγινε σε ευρεία κλίμακα ενεργειών (20kV-18MV). / The aim of this thesis was to select the best scintillator among the ones currently used in PET and animal PET systems, which could be used in a single detector multimodality scanner. To this aim crystal samples of GSO, LSO, LYSO, LuYAP and YAP scintillators, doped with cerium (Ce+3) were examined under a wide energy range (from 20kV-18MV). Measurements concerning determination of absolute efficiency, energy absorption efficiency, intrinsic conversion efficiency, detector optical gain and detector quantum efficiency, giving information on light yield and the intrinsic properties of the scintillators. Information on the compatibility of the light emission spectrum of the scintillators with the currently used optical photon detectors was obtained by calculating the spectral matching factors of each scintillator examined.

Κατά τα τελευταία έτη παρατηρείται μια ραγδαία αύξηση του ενδιαφέροντος, από μια μεγάλη γκάμα κοινωνικών ομάδων (φαρμακευτικές εταιρίες, ιδιώτες κτλ), αλλά και το κράτος, για την οικονομική αποτίμηση των ιατρικών πράξεων. Ο χώρος της ακτινολογίας ιδιαίτερα, παρουσιάζει στην Ελλάδα μια ιδιαίτερη δυναμική και αυξανόμενους ρυθμούς, γι’ αυτό το λόγο πέρα από την καθαρά ιατρική επισκόπηση των εξελίξεων της επιστήμης, απαιτείται και μια επιστημονικά έγκυρη οικονομική αποτίμηση και αξιολόγηση. Η παρούσα διατριβή έρχεται να καλύψει το κενό αυτό που υπάρχει στον χώρο της υγείας, ή ακριβέστερα στην επιτομή της Ιατρικής και Οικονομικής Επιστήμης για την εξαγωγή γόνιμων συμπερασμάτων που αφορούν την ορθολογική αξιολόγηση των περιορισμένων πόρων της Υγείας. Το πρώτο μέρος της εργασίας, που αποτελείται από τα 4 πρώτα κεφάλαια, αναφέρεται στο καθαρά ιατρικό μέρος που αφορά την ακτινολογία στις μέρες μας. Στο δεύτερο μέρος η μεθοδολογία και το ύφος αλλάζουν, προκειμένου να καλυφθεί αυτή η δεύτερη αναγκαιότητα για την οποία έγινε λόγος παραπάνω. Ευελπιστώ ότι η παρούσα διατριβή θα αποτελέσει την απαρχή και άλλων τέτοιων προσπαθειών, δεδομένης της σχεδόν ανύπαρκτης παιδείας των Ιατρών στην Οικονομική επιστήμη και στις συχνά ενδιαφέρουσες και γοητευτικές - αν και ενίοτε δυσνόητες- μεθόδους της. / -

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.

- / -

- / -

- / -

- / -

Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι να εξετάσουμε πως οι παράμετροι σάρωσης και ανακατασκευής επηρεάζουν την ποιότητα της εικόνας. Καθόσον, ορισμένες από τις παραμέτρους, αυξάνουν την δόση στον εξεταζόμενο, μελετήσαμε σε ποιες περιπτώσεις θα πρέπει να τις τροποποιήσουμε, άλλοτε για λόγους ακτινοπροστασίας και άλλοτε για την βελτιστοποίηση της ποιότητα της εικόνας. Υλικό και μέθοδος : Το πείραμα μας έγινε σε ελικοειδή Υ .Τ (Philips 5000SR), χρησιμοποιώντας πρόγραμμα συμβατικής σάρωσης (τομής-τομής) και ελικοειδούς σάρωσης σε ομοίωμα που χρησιμοποιείται για τον ποιοτικό έλεγχο. Σαρώσαμε τα διαφορετικά τμήματα του ομοιώματος, εφαρμόζοντας όλους τους δυνατούς συνδυασμούς των παραμέτρων σάρωσης και ανακατασκευής. Μετρήσαμε σε όλες τις εικόνες τον θόρυβο, την χωρική διακριτική ικανότητα (Χ.Δ.Ι ) και την αντιθετική διακριτική ικανότητα. Αποτελέσματα: Η Χ.Δ.Ι μεταβάλλεται περισσότερο από το πάχος τομής και τον αλγόριθμο ανακατασκευής, ενώ οι παράμετροι έκθεσης την επηρεάζουν λιγότερο σε εξεταζομένους με φυσιολογικές διαπλάσεις. Ο θόρυβος της εικόνας είναι μεγαλύτερος στο κέντρο της εικόνας και αυξάνει περισσότερο όταν μειώνουμε τους παράγοντες έκθεσης. Η αντιθετική διακριτική ικανότητα βελτιώνεται με αύξηση των παραμέτρων έκθεσης και με εφαρμογή κατάλληλου αλγόριθμου ανακατασκευής. Συμπέρασμα: Η σωστή επιλογή των παραμέτρων σάρωσης και ανακατασκευής μπορεί να οδηγήσει στην βελτίωση της ποιότητας της εικόνας ή στην βέλτιστη εικόνα με την λιγότερη δυνατή δόση στον εξεταζόμενο. / The purpose of the present study is to examine how the scanning and reconstruction parameters effect the quality imaging. While, some of the parameters increase the dose to the patient, we studied in which cases we have to modify them either for the benefit of the radiation protection or for the optimization of the quality imaging. Material and method. Our experiment was put into practice in conventional spiral CT (Philips 5000SR), using conventional scanning software ( slice-slice) and helical scanning at a phantom situable for quality control. We scanned the different parts of the phantom, by appling all the various combinations of the scanning and reconstruction parameters. We measured in all the images the noise, the spacial resolution and the low contrast resolution. Results. The spacial resolution is mainly influenced by the slice thickness and the reconstuction algorithm, while is less affected by the exposure parameters as far as it concerns patients with normal body mass. The noise of the image is greater at the center of the image and increases mostly when the exposure parameters are reduced. The low contrast resolution is improved by the increase of the exposure parameters and by the application of the suitable reconstruction algorithm. Conclusion. The reasonable choice of the scanning and reconstruction parameters results in the optimization of the quality imaging or in the best image with the less possible dose for the patient.

The work covered in this thesis deals with the problem of automatically registering 3D images acquired from different medical imaging modalities. The approach taken is to develop generic measures of image registration derived from the co-occurence of values in the two images. The development of statistical alignment measures is reviewed. The registration problem is then expressed in terms of entropy and developed using tools from information theory. The problem of the optimization of the registration process in the different types of algorithms is identified as important and the power of Genetic Algorithms is applied. The application of image registration techniques, implemented during this thesis, in complex situations is evaluated. The cases of patients with brain ischemia and brain tumour residual disease are elaborated. This is accomplished with the formation of Groupwares where the tacit knowledge, owned by the individual specialists that take part in the collaboration, is exposed and made explicit in the process of the evaluation of the findings, provided by the fused images. This is performed in a high performance computer network that has been developed between the Department of Medicine and the University Hospital. / Η παρούσα εργασία ασχολείται με το πρόβλημα της αυτοματοποιημένης προσαρμογής και σύντηξης τρισδιάστατων απεικονίσεων από διαφορετικές ιατρικές απεικονιστικές μεθοδολογίες.