Recent developments in CT technology has resulted in a continuing expansion of CT practice. CT has become a major source of exposure in diagnostic radiology. Therefore, the European Union, in an ionizing radiation protection directive, has classified computed tomography as a high dose diagnostic procedure and has pointed to the need to reduce the dose to the patient. Efforts towards dose reduction in CT have been recommended by international organizations. The European Commission (EC) have recommended the setup and the implementation of CT dose guidance levels for the most frequent examinations to promote strategies for the optimization of CT doses. These dose guidance levels should be derived using data from a wide scale survey. Therefore, it is of great interest whether there are dose quantities whose values are easy to obtain, which can correctly reflect the patient dose and allow assessment of the risk associated with the CT examination. The most widely used CT Dose Quantity is the computed tomography dose index (CTDI). Another important dose quantity is the Dose Length Product (DLP), which includes the patient, or the phantom volume irradiated during a complex examination. The main purpose of this study is the measurement of CTDI and DLP during the most frequent CT examinations at the University Hospital of Patras. Also scan lengths used for the same type of examinations will be monitored. For the same types of examinations effective doses will be calculated. Four CT examination was selected because of their frequency, Routine Head, Routine Chest, Routine Abdomen and Cervical Spine. The protocols of these exams were compared with the European Commission’s recommendations. Data were collected from 120 patients, 30 for each examination. Data on the scanning parameters and the patient dose were selected from the CT scanner, a GE LightSpeed 16. Moreover, data were collected about the sex, the age and the weight of the patient undergone the examination. The mean values of CTDIw, DLP and Effective Dose were calculated for each protocol and were compared with the recommendations of European Commission. Moreover, an evaluation of the dose indication of the CT scanner was made. Using a head and a body CT Dose phantom made by PMMA, an ionization chamber and an electrometer, the CTDI was measured for each examination protocol. These values were compared with the indications of CT and the correspondent values published by ImPACT. / Τα τελευταία χρόνια έχει παρατηρηθεί επέκταση της χρήσης του Υπολογιστικού Τομογράφου(ΥΤ). Ο ΥΤ είναι η κυριότερη πηγή ακτινοβολίας ανάμεσα σε όλες τις ακτινοδιαγνωστικές εξετάσεις. Για αυτό το λόγο η Ευρωπαϊκή Ένωση, σε μια κατευθυντήρια οδηγία για την προστασία από ιοντίζουσες ακτινοβολίες σημείωσε την ανάγκη μείωσης της δόσης στον ασθενή. Προσπάθειες για τη μείωση της δόσης από ΥΤ έχουν γίνει από διεθνείς οργανισμούς, οι οποίοι έχουν προτείνει τον καθορισμό επιπέδων αναφοράς για τις πιο συχνές εξετάσεις ΥΤ με σκοπό την ανάπτυξη στρατηγικών για τη μείωση της δόσης από ΥΤ. Τα επίπεδα αναφοράς πρέπει να προκύπτουν από έρευνες μεγάλης κλίμακας. Για αυτό το λόγο οι ποσότητες της δόσης που χρησιμοποιούνται πρέπει να είναι εύκολο να υπολογιστούν, αλλά να αντανακλούν σωστά τη δόση στον ασθενή και να επιτρέπουν τον υπολογισμό του κινδύνου που προέρχεται από τη χρήση της ακτινοβολίας. Η ποσότητα που χρησιμοποιείται ευρέως στη Δοσιμετρία από ΥΤ είναι ο Computed Tomography Dose Index, CTDI, το Γινόμενο Δόσης Μήκους (Dose Length Product, DLP) το οποίο συνυπολογίζει τον όγκο του ασθενή ή του ομοιώματος που έχει ακτινοβοληθεί κατά τη διάρκεια μιας πλήρους εξέτασης. Ο κύριος σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μέτρηση του CTDI και του DLP για τις πιο συχνές εξετάσεις ΥΤ στο Πανεπιστημιακό Γενικό Νοσοκομείο Πατρών. Ακόμα υπολογίζεται το μέσο μήκος εξέτασης και η μέση ενεργός δόση για κάθε εξέταση. Επίσης ελέγχεται η αξιοπιστία των ενδείξεων της δόσης στην κονσόλα του ΥΤ. Επιλέχτηκαν τέσσερις εξετάσεις ΥΤ λόγω της συχνότητας τους, αυτές είναι: η εξέταση κεφαλής, θώρακα, κοιλίας και αυχένα. Τα πρωτόκολλα αυτών των εξετάσεων συγκρίνονται με τις συστάσεις της European Commission. Συνολικά συλλέχτηκαν δεδομένα από 120 ασθενείς, 30 για κάθε εξέταση. Δεδομένα που αφορούσαν τις παραμέτρους της σάρωσης κάθε ασθενή συλλέχτηκαν από την κονσόλα του ΥΤ, ο οποίος είναι ένας GE LightSpeed 16. Επιπλέον συλλέχτηκαν δεδομένα σχετικά με το φύλλο, την ηλικία και το βάρος του ασθενή που υποβλήθηκε σε εξέταση. Υπολογίστηκε η μέση τιμή του CTDIw, του DLP και της ενεργού δόσης για κάθε πρωτόκολλο και συγκρίθηκαν με τα όρια που προτείνει η European Commission σαν DRL. Επιπλέον, έγινε αξιολόγηση της τιμής της δόσης όπως αυτή εμφανίζεται στην κονσόλα του ΥΤ. Για αυτό το λόγο έγιναν μετρήσεις σε ένα ομοίωμα κεφαλής και σε ένα ομοίωμα σώματος κατάλληλο για την δοσιμετρία ΥΤ. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε ένας θάλαμος ιονισμού και ένα ηλεκτρόμετρο. Έτσι μετρήθηκε η τιμή του CTDI για κάθε πρωτόκολλο χρησιμοποιώντας τις ίδιες παραμέτρους σάρωσης. Οι τιμές που μετρήθηκαν συγκρίθηκαν με τις ενδείξεις του ΥΤ αλλά και με τις τιμές που έχει δημοσιεύσει το Imaging Performance Assessment of CT scanners (ImPACT).

Η υπολογιστική τομογραφία διπλής ενέργειας είναι μια σύγχρονη και συνεχώς εξελισσόμενη τεχνική, η οποία ενισχύει την διαφοροποίηση υλικών, βασιζόμενη στις φασματικές τους ιδιότητες. Φασματική απεικόνιση στην υπολογιστική τομογραφία απαιτεί τη χρήση δυο διαφορετικών ενεργειακών φασμάτων, και μπορεί να διαχωρίσει υλικά τα οποία διαφέρουν σημαντικά στον ατομικό τους αριθμό. Για το λόγο αυτό το ιώδιο (Ζ=53), το οποίο χρησιμοποιείται ως σκιαγραφική ουσία, καθώς και το οστό και οι ασβεστώσεις, τα οποία περιέχουν ασβέστιο (Ζ=20) σε μεγάλο ποσοστό, μπορούν να είναι διακριτά από τα υπόλοιπα στοιχεία τα οποία αποτελούν το ανθρώπινο σώμα, όπως υδρογόνο (Ζ=1), οξυγόνο (Ζ=8), άνθρακα (Ζ=6) και άζωτο (Ζ=7), τα οποία είναι υλικά χαμηλού ατομικού αριθμού. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν τρεις διαφορετικές τεχνολογίες υπολογιστικής τομογραφίας διπλής ενεργείας. Ο τομογράφος με ανιχνευτή δυο στρωμάτων, ο οποίος χρησιμοποίει μια λυχνία ακτίνων Χ και ένα ανιχνευτή με δύο στρώματα σπινθηρισμού τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο. Το πάνω στρώμα απορροφά τα μεγαλύτερο μέρος φωτονίων χαμηλής ενέργειας, ενώ το κάτω τα εναπομείναντα φωτόνια υψηλής ενέργειας, κάνοντας λήψη δυο σειρών δεδομένων διαφορετικών ενεργειών ταυτόχρονα. Η δεύτερη τεχνολογική προσέγγιση είναι μέσω ταχύτατης εναλλαγής της τάσης της λυχνίας. Με αυτό τον τρόπο γίνεται λήψη δυο σειρών δεδομένων διαφορετικών ενεργειών, μεταβάλλοντας τη τάση της λυχνίας από χαμηλή σε υψηλή μέσα σε μια μόνο περιστροφή. Τέλος ο τρίτος υπολογιστικός τομογράφος διπλής ενεργείας, ο οποίος χρησιμοποιείται και σε αυτή τη μελέτη, είναι ο τομογράφος δύο λυχνιών, οποίος αποτελείται από δυο λυχνίες ακτίνων Χ και δυο ανιχνευτές. Οι δύο λυχνίες μπορούν να λειτουργήσουν σε διαφορετικά kV ανεξάρτητα η μία από την άλλη, λαμβάνοντας δύο σειρές δεδομένων διαφορετικών ενεργειών ταυτόχρονα. Όταν ο υπολογιστικός τομογράφος δυο λυχνιών χρησιμοποιείται για λήψη εικόνων διπλής ενέργειας, η μια λυχνία λειτουργεί στα 80 kV και η άλλη στα 140 kV. Σε αυτή τη μελέτη εξετάστηκε η συμπεριφορά σε δύο ενέργειες μέσω μια σειράς πειραμάτων, υλικών όπως, πολυμερών ισοδύναμων με μαλακούς ιστούς και οστό, καθώς επίσης, συγκεντρώσεων ιωδίου και ασβεστίου. Χρησιμοποιήθηκαν δυο πρωτόκολλα λήψεων, ένα μιας ενέργειας με λήψεις στα 80, 100, 120, και 140 kV, καθώς και ένα πρωτόκολλο διπλής ενέργειας. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν μετρήθηκαν οι αριθμοί CT των υλικών, ο θόρυβος, η αντίθεση και ο λόγος αντίθεσης προς θόρυβο. Επίσης έγινε σύγκριση ως προς τα παραπάνω χαρακτηριστικά ποιότητα εικόνας με βάση τους παραπάνω δείκτες μεταξύ της συμβατικής 120 kV εικόνας και της ανακατασκευασμένης διπλής ενέργειας “virtual 120” kV. Η λεγόμενη “virtual 120” kV, μια αναμεμιγμένη εικόνα, κατασκευασμένη από δυο σειρές δεδομένων διαφορετικών ενεργειών, με γραμμικό συνδυασμό . Επιπλέον διερευνήθηκαν και συγκρίθηκαν ως προς τη ποιότητα εικόνας όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί των δυο σειρών δεδομένων ενέργειας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μόνο υλικά υψηλού ενεργού ατομικού αριθμού, όπως το οστό και οι υψηλές συγκεντρώσεις ιωδίου 17, 25 και 35 mg/ml, καθώς και ασβεστίου 200, 250 και 300 mg/ml, είχαν ενισχυμένη αντίθεση στα 80 kV. Αξίζει να σημειωθεί ότι για μικρές συγκεντρώσεις ,όπως 1.25, 2.5, 3.5 mg/ml και 45, 83 mg/ml ιωδίου και ασβεστίου αντιστοίχως, η αντίθεση έχει συμπεριφορά μαλακού ιστού. Αντίθετα η τιμή του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο δεν είναι όσο υψηλή είναι η τιμή της αντίθεσης. Τα επίπεδα θορύβου της εικόνας στα 80 kV είναι τόσο υψηλά, με αποτέλεσμα οι τιμές του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο για όλα τα υλικά υψηλού ατομικού αριθμού να είναι χαμηλότερες στα 80 kV, συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες τιμές στις υπόλοιπες τάσεις, παρά το γεγονός ότι η τιμή της αντίθεσης είναι πολύ υψηλή στα 80 kV. Όσο αναφορά τη σύγκριση της 120 kV εικόνας με την λεγόμενη “virtual 120” kV, τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι οι τιμές αντίθεσης του οστού, καθώς επίσης και των συγκεντρώσεων ιωδίου και ασβεστίου, ήταν ισοδύναμες, αλλά η τιμή του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο της “virtual 120” kV εικόνας ήταν αρκετά χαμηλότερη σε σχέση με την 120 kV εικόνα. Τέλος το τρίτο πείραμα έδειξε ότι η τιμή της αντίθεσης αυξάνεται όσο αυξάνεται το ποσοστό της 80 kV πληροφορίας στη μεικτή εικόνα, ενώ ο λόγος αντίθεσης προς θόρυβο έχει ένα εύρος συνδυασμών που είναι υψηλός. Συγκεκραμένα οι γραμμικοί συνδυασμοί οι όποιοι είχαν τη μεγαλύτερη τιμή αντιθέσεις προς θόρυβο ήταν οι συντελεστές της 80 kV πληροφορίας από 0.4 έως 0.7. / Dual Energy Computed Tomography (DECT) is an evolving technique, which enhances material differentiation benefiting from the spectral properties of the materials. Spectral CT imaging requires the use of two different energy spectra, and it can distinguish elements, which differ considerably in atomic number. Therefore iodine (Z=53) which is used as contrast agent in CT scans, bone and plaque calcifications which contain calcium (Z=20), can be distinguished from other elements of which the human body consists, such as hydrogen (Z=1), oxygen (Z=8), carbon (Z=6) and nitrogen (Z=7), which are low atomic number elements. Currently there are three technical approaches of dual energy computed tomography. The dual layer detector system, which uses a single x-ray source and a detector with two scintillation layers one on top of one another. The top layer absorbs most of the low energy photons, while the bottom one the remaining high energy photons, acquiring two energy datasets simultaneously. The second technology of dual energy imaging is via fast kVp switching, which acquires two different energy spectra, alternating on a view by view basis between low and high kVp in a single rotation. Finally the third dual energy imaging technique, used in this study, is via the dual source CT system, which contains two x-ray tubes and two detectors. The two tubes can be operated independently at different kV. The dual source CT when it is used for dual energy scan is operated 80 kV/140 kV. Thus two dual energy datasets are acquired simultaneously. In this study the dual energy behavior of soft tissue equivalent materials, bone, iodine and calcium water solutions are examined through a series of experiments. Two acquisition protocols are used, a single energy at 80, 100, 120 and 140 kV, and a dual energy protocol. The CT numbers of these materials, as well as image noise, contrast and contrast to noise ratio are measured. Moreover comparison of these image quality features for standard single energy 120 kV image, which is the convention CT scan, and the “virtual 120” kV image is presented. The “virtual 120” kV is a blended image, reconstructed by the two dual energy datasets in a linear combination of In addition examination of all the possible linear combinations of the two dual energy datasets, and comparison in image quality, is presented. The results showed that only high Zeff materials had enhanced contrast at 80 kV, like bone, and the high iodine and calcium concentrations, such as 17, 25, and 35 mg/ml and 200, 250, and 300 mg/ml respectively. It is noteworthy that for small concentrations, such as 1.25, 2.5, 3.5 mg/ml and 45, 83 mg/ml of iodine and calcium respectively, contrast behavior is like the one of a soft tissue. Contrarily contrast to noise ratio is not as high as contrast at 80 kV. Image noise values at 80 kV are so high that CNR values for all high atomic number materials are lower at 80 kV compared to the ones of other voltages, despite the fact that contrast is very high at 80 kV. As it concerns the comparison of the single energy 120 kV image and the “virtual 120” kV, the results of the experiments showed that contrast values of bone, iodine and calcium concentrations, were equal, but contrast to noise ratio of the “virtual 120” was quite lower compared to the single energy 120 kV. Finally the third experiment showed that contrast values increase as the percentage of the 80 kV datasets increases in the blended image, while contrast to noise ratio has a range in which is higher. Specifically the linear combinations which had the highest CNR values were the ones with weighting factor of the 80 kV starting from 0.4 to 0.7.

Στα πλαίσια της παρούσης εργασίας πραγματοποιήθηκε μελέτη της μεθόδου Συνόλων Επιπέδου για την κατάτμηση καροτίδων από τρισδίαστατες εικόνες. Ειδικότερα πραγματοποιήθηκε μελέτη των παθολογιών που συνδέονται με αυτές προκειμένου να καταστούν εμφανή τα κίνητρα της παρούσης εργασίας, όσον αφορά στη συμβολή της στην κλινική σημασία και ιατρική πρακτική. Κατ’αυτόν τον τρόπο, αφού παρουσιάστηκε η ανατομία των καροτίδων και οι δυσκολίες που ενέχει το εγχείρημα της κατάτμησής τους καθώς και μια ανασκόπηση των μεθόδων Συνόλων Επιπέδου (Level-Sets) για κατάτμηση ιατρικής εικόνας και δη καροτίδων, παρουσιάστηκε το γενικό μοντέλο και ο μαθηματικός φορμαλισμός της μεθόδου που χρησιμοποιήθηκε. Εν συνεχεία παρουσιάστηκαν τα τρισδιάστατα δεδομένα και η διαχείρησή τους, οι προγραμματιστικές διαπαφές και υποδομές με τις οποίες υλοποιήθηκαν δύο παραλλαγές της μεθόδου. Επίσης παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μεθόδου οπτικοποιημένα και τέλος συγκρίνονται με αντίστοιχα αποτελέσματα ενός ειδικού ακτινολόγου στη βάση κάποιων κατάλληλων μετρικών. Τέλος παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν καθώς και κάποιες ιδέες για μελλοντική δουλειάπου μπορεί να γίνει στη βάση αυτής που έγινε στα πλαίσια της εν λόγω μεταπτυχιακής διατριβής. / The present thesis outlines the methods we have developed for segmenting both normal and pathological carotid images, acquired with the Computed Tomography (CT) protocol. The layout of the thesis is the following: Chapter 2 analyses the methodological background of the current study. At first, section 2.1 provides an overview to the anatomy of carotids. Section 2.2 reviews the literature of segmentation methods based on level sets for medical images and at last reviews the level set methods developed for segmenting carotids. In addition, section 2.3 presents the conceptual model deployed in the current study, following with the analysis of the particular class we used. Next, section 2.4 treats of the level set method, presenting its basic derivation and furthermore discriminating between the two algorithms used according to their speed function. Chapter 3 refers to the materials and methods. It begins in section 3.1 with a description of the data provided for the experimental demonstration, and the programming interface by deployment of which the experimental procedure took place. Later on, in section 3.2 the implementation of the deployed methods in the programming interface used is presented with an analysis of their components. At last, all intermediate outputs and the final results of each method are illustrated. Chapter 4 presents the evaluation of the results of each method by comparison with a corresponding manual segmentation result on the basis of appropriate metrics. At last, refers to the conclusions occurred and to future work that can be carried out based on the current Msc thesis. In Appendix A some subsidiary methods, for the sake of a coherent flow are stated and analyzed independently.

- / -

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.

- / -

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).

Η παρούσα διπλωματική εργασία διεισδύει σε δύο χώρους. Αρχικά στον χώρο του Ηλεκτρολόγου Μηχανικού, μέσω των μηχανικών (γεωμετρικών ) ελέγχων των Ακτινολογικών μηχανημάτων, καθώς και των ελέγχων – επιδιορθώσεων στις γεννήτριες και στις Ακτινολογικές λυχνίες. Συγχρόνως διεισδύει στο χώρο της Ακτινοφυσικής και της Ακτινολογίας, αφού ασχολείται με τις δόσεις, τις παροχές ακτινοβολίας, καθώς και τις επιδράσεις αυτών στα ακτινολογικά φιλμ απεικόνισης. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η περιγραφή και η πλήρη ανάλυση των γεωμετρικών ελέγχων καθώς και των ελέγχων γεννητριών - ακτινολογικών λυχνιών, που πρέπει να γίνονται στα ακτινολογικά μηχανήματα. Τα μηχανήματα αυτά βρίσκονται στα Ακτινολογικά τμήματα των Δημόσιων και Ιδιοτικών Νοσοκομείων και γενικά σε χώρους παραγωγής ιοντιζουσών ακτινοβολιών. Οι έλεγχοι αυτοί, η συχνότητά τους, καθώς και ο τρόπος διεξαγωγής τους ορίζονται από τα πρωτόκολλα της Ελληνικής Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας ( Ε.Ε.Α.Ε. ) Σκοπός των ελέγχων αυτών, βάσει των πρωτοκόλλων της Ε.Ε.Α.Ε., είναι η διασφάλιση ποιότητας των ακτινολογικών μηχανημάτων, με στόχο την βέλτιστη παροχή ιατρικών υπηρεσιών προς τους εξεταζόμενους. / This essay enters into two areas. Initially the area of Electrical Engineering, through mechanical (geometrical) tests of X-ray machines, and controls - repairs to generators and x-ray tubes. At the same time enters the field of Radiology and Radiation, after dealing with the doses, the radiation output and its effects on X-ray film imaging. The purpose of this paper is to describe and complete analysis of the geometrical controls and generator controls - X-ray tubes, which must be made in radiography machines. These machines are in the radiology department of Public Hospitals and Privacy Policy and generally in areas of production of ionizing radiation. These checks, their frequency and the pattern are defined by the protocols of the Greek Atomic Energy Commission (GAEC). The purpose of these inspections, under the protocols of GAEC, is the quality assurance of radiological equipment, to the best medical services to the examinees.

Le développement d’une nouvelle sonde dite « activity-based probe » pour réaliser la détection de formes actives de protéases appartenant à la famille des protéases à zinc de la matrice (MMP) a été réalisé dans ce travail, en partant d’un inhibiteur phosphinique puissant des MMP dans lequel a été introduit un groupement photoactivable de type diazérine. Ce composé se révèle un inhibiteur puissant de plusieurs MMP avec des affinités nanomolaires. Ce composé incubé avec différentes MMP est par ailleurs capables de modifier de façon covalente un grand nombre de MMP au niveau de leur site actif, avec des rendements de modification variant de plus de 50% à 11%, selon la nature des MMP. En ayant choisi comme moyen de détection la radioactivité, nous démontrons qu’avec cette nouvelle sonde qu’il est possible de détecter des formes actives de MMP avec des sensibilités de l’ordre de la femtomole dans des systèmes modèles de protéomes complexes. Appliquée à l’analyse de lavages broncho alvéolaires de souris traitées par voie pulmonaire avec des nanoparticules pour induire une réponse inflammatoire, cette nouvelle sonde permet de mettre en évidence la présence de formes actives du domaine catalytique de la MMP-12, une métalloprotéase à zinc exprimée par les macrophages, mais pas dans les animaux contrôles. En revanche l’analyse de carotides humaines de patients souffrant d’athérosclérose ne nous pas conduit avec cette sonde à la détection de formes actives de MMP. Malgré ce résultat, il est à noter que la détection de forme active de MMP dans un fluide pathologique est une première dans ce domaine. Cette sonde étant validée pour sa capacité à détecter des formes actives de MMP, elle permettra dans l’avenir de tester d’autres fluides pathologiques d’origine humaine ou bien des extraits de tissu comme des tumeurs pour lesquels les MMP pourraient être des marqueurs de ces pathologies. / A new activity-based probe able to covalently modify the active site of proteases belonging to the matrix metalloprotease family (MMPs) has been developed in this thesis project. The probe was shown to behave as potent inhibitor of several MMPs, with nanomolar Ki values. This probe was also able to modify specifically only the free active site of MMPs, with particular high yields of cross-linking varying from 50 % to 11 %, depending of the MMPs tested. Using radioactivity as means of detection, this probe was able to detect active form of MMPs with a threshold of 1 femtomole. Applied to the study of bronchoalvelolar fluids (BAL) from mice exposed to nanoparticles by a lung aspiration protocol, this probe revealed the presence of the catalytic domain of MMP-12 under its active form, but not in control animals. When used to detect active form of MMPs from extracts obtained from human arteries of patient suffering from atherosclerosis, the probe was not able to detect such MMP active forms. Despite this negative result, the detection of active form of MMP in pathological fluid like BAL has never been reported before this work. Having validated this novel MMP activity-based probe, it will be possible to use it now for detecting MMPs from other pathological fluids or tissues extracts in which MMPs can be good markers of the pathology.