Η προληπτική μαστογραφία στα πλαίσια προγραμμάτων πληθυσμιακού ελέγχου έχει αυξήσει τον αριθμό ων μη-ψηλαφητών καρκινωμάτων μαστού που διαγιγνώσκονται σε ασυμπτωματικές γυναίκες. Οι μικρο-αποτιτανώσεις με κακοήθεις χαρακτήρες αποτελούν ένα από τα πιο πρώϊμα μαστογραφικά ευρήματα των μη-ψηλαφητών καρκινωμάτων μαστού. Προηγούμενες κλινικές μελέτες προσπάθησαν να συσχετίσουν τα ακτινολογικά με τα ιστολογικά χαρακτηριστικά των κακοήθων μικρο-αποτιτανώσεων. Στην παρούσα μελέτη αξιολογήθηκε μορφολογικά η έκφραση συγκεκριμένων μοριακών δεικτών σε μη-ψηλαφητά καρκινώματα μαστού και η πιθανή συσχέτισή της με τις μαστογραφικά εντοπιζόμενες κακοήθεις μικρο-αποτιτανώσεις. Μελετήθηκαν συνολικά τριακόσιοι πενήντα ασθενείς με μη-ψηλαφητές ύποπτες βλάβες μαστού οι οποίες εντοπίστηκαν κατά τη διάρκεια προληπτικής μαστογραφίας τα έτη 1994 έως 2004. Όλοι οι ασθενείς υποβλήθηκαν σε κατευθυνόμενη από μαστογραφία βιοψία με λεπτή βελόνα. Η ιστολογική εξέταση ανέδειξε 95 (27.2%) καρκινώματα [50 (52.3%) πορογενή διηθητικά, 35 (37.3%) πορογενή in situ και 10 (10.4%) λοβιακά διηθητικά]. Ανοσοϊστοχημεία πραγματοποιήθηκε σε τομές παραφίνης σε 75 από τα 95 καρκινώματα χρησιμοποιώντας μία ποικιλία μονοκλωνικών και πολυκλωνικών αντισωμάτων ενάντια στις εξής πρωτεϊνες: ER, PR, p53, Bcl-2, Bax, FasL, DFF, HER-1, HER-2, HER-3 and HER-4. Οι κακοήθεις μικρο-αποτιτανώσεις ήσαν το κύριο μαστογραφικό εύρημα σε 60 από τους 75 (80%) ασθενείς. Η ανίχνευση πυρηνικής θετικότητας για τους οιστρογονικούς (ER) και τους προγεστερονικούς υποδοχείς (PR) βρέθηκε να σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με την ύπαρξη μικρο-αποτιτανώσεων (P=0.04). Η ER(+) βρέθηκε να σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με την ανίχνευση ανοσοθετικότητας για τις πρωτεϊνες HER-2 (P=0.011) και ΗER-4 (P=0.016), αλλά όχι για τα άλλα μέλη της οικογένειας των EGFR πρωτεϊνών. Η PR(+) αντίθετα δε βρέθηκε να σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με καμία πρωτεϊνη της οικογένειας του EGRF. Θετική στατιστικά σημαντική συσχέτιση διαπιστώθηκε επίσης μεταξύ ER(+) και Bax (P=0.016), Fas (P=0.022) και DFF ανοσοϊστοχημικής θετικότητας (P=0.001), ενώ αρνητική σχέση βρέθηκε με την ύπαρξη θετικότητας για την πρωτεϊνη Bcl-2 (P=0.013). Η PR(+) επίσης βρέθηκε να σχετίζεται θετικά με την έκφραση των πρωτεϊνών Fas (P=0.013) και DFF (P=0.026), ενώ αρνητική σχέση διαπιστώθηκε με την έκφραση των πρωτεϊνών Bcl-2 (P=0.025) και p53 (P=0.009). Οι σχετιζόμενες με την απόπτωση πρωτεϊνες που μελετήθηκαν στην παρούσα διατριβή περιελάμβαναν τις p53, Bax, FasL, Bcl-2 και DFF. Η έκφραση των πρωτεϊνών Bcl-2 και p53 δε βρέθηκε να σχετίζεται με την έκφραση καμία άλλης σχετιζόμενης με την απόπτωση πρωτεϊνης. Αντίθετα, η ανοσοθετικότητα για την πρωτεϊνη Bax βρέθηκε να σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με την έκφραση της DFF (P=0.006), ενώ παρόμοια αποτελέσματα διαπιστώθηκαν για τις πρωτεϊνες Fas και DFF (P<0.001). Στατιστικά σημαντικές συσχετίσεις διαπιστώθηκαν επίσης μεταξύ των κακοήθων μικρο-αποτιτανώσεων και της έκφρασης των πρωτεϊνών Bax (P=0.03), Fas (P=0.03) και DNA fragmentation factor (P=0.03), ενώ καμία στατιστικά συσχέτιση δε βρέθηκε με την έκφραση των πρωτεϊνών Bcl-2 και p53 (P>0.05). Η έκφραση της οικογένειας των πρωτεϊνων του EGFR ανιχνεύθηκε σε 78.7% των περιστατικών για τον HER-1, 45% για τον HER-2, 32% για τον HER-3 και 74.7% για τον HER-4. Στατιστικά σημαντικές συσχετίσεις διαπιστώθηκαν μεταξύ της έκφρασης όλων αυτών των πρωτεϊνών μεταξύ τους. Στατιστικά σημαντικές συσχετίσεις βρέθηκαν επίσης μεταξύ κακοήθων μικρο-αποτιτανώσεων και της ύπαρξης ανοσοθετικότητας για τις πρωτεϊνες HER-1 (P=0.001), HER-2 (P=0.015) και HER-4 (P=0.034), αλλά όχι για τον HER-3 (P>0.05). Στη συνέχεια ακολούθησε αξιολόγηση της συνδυασμένης έκφρασης όλων των πρωτεϊνών της οικογένειας του EGFR. Δεν ανιχνεύθηκε κανένα ομοδιμερές, ενώ η πιο έντονη συνδυασμένη έκφραση αυτών των πρωτεϊνών ήσαν HER-1/HER-2/HER-4 και HER-1/HER-4 σε 16 (21.4%) περιστατικά, ακολουθούμενη από HER-1/HER-2/HER-3/HER-4 σε 14 (18.6%) καρκινώματα. Δεκαπέντε (20%) καρκινώματα ήσαν αρνητικά για όλες τις πρωτεϊνες της οικογένειας του EGFR, ενώ άλλοι συνδυασμοί έκφρασης που ανιχνεύθηκαν ήταν HER-1/HER-2 και HER-1/HER-3/HER-4 σε 2 (2.7%) και 10 (13.3%) περιστατικά, αντίστοιχα. Η συνδυασμένη πρωτεϊνική έκφραση HER-1/HER-4 και HER-1/HER- 2/HER-4 βρέθηκε να σχετίζεται στατιστικά σημαντικά αφενός με ER(+) (P=0.002 και P=0.001, αντίστοιχα) και αφετέρου PR(+) (P=0.019 και P=0.004, αντίστοιχα), αλλά δε βρέθηκε στατιστικά σημαντική σχέση με την παρουσία κακοήθων μικρο-αποτιτανώσεων. Η συνδυασμένη αρνητική έκφραση όλων των πρωτεϊνών της οικογένειας του EGFR βρέθηκε να σχετίζεται στατιστικά σημαντικά με ER(+) (P=0.006) και με την παρουσία κακοήθων μικρο-αποτιτανώσεων (P=0.03). Οι κακοήθεις μικρο-αποτιτανώσεις που διαπιστώνονται κατά τη διάρκεια προληπτικής μαστογραφίας αποτελούν μία διαγνωστική, προγνωστική και θεραπευτική πρόκληση. Τα ευρήματα της μελέτης μας ενδυναμώνουν την ήδη διατυπωθείσα ιδέα ότι η εξέλιξη του καρκινώματος του μαστού συμβαίνει αργά στην προκλινική φάση της φυσικής ιστορίας του και οφείλεται κυρίως σε διαταραχή της ευαίσθητης ισορροπίας μεταξύ των μοριακών μηχανισμών που ρυθμίζουν τον κυτταρικό πολλαπλασιασμό και των μονοπατιών που καθορίζουν την απόπτωση, η οποία μπορεί να αντανακλά στη μαστογραφική απεικόνιση. Επιπλέον, φαίνεται ότι η έκφραση των πρωτεϊνών της οικογένειας του EGFR ανιχνεύεται από την προκλινική φάση των καρκινωμάτων του μαστού και σχετίζεται πολύ σημαντικά (με εξαίρεση τον HER-3) με τη μαστογραφική εμφάνιση μικρο-αποτιτανώσεων με κακοήθεις χαρακτήρες. Τα μοντέλα συνδυασμένης έκφρασης των τεσσάρων μελών της οικογένειας του EGFR συνδυαζόμενα με το μοντέλο έκφρασης άλλων σημαντικών μοριακών παραγόντων και σε συνάρτηση με τη μαστογραφική απεικόνιση μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της φυσικής ιστορίας των μη-ψηλαφητών καρκινωμάτων του μαστού. / Screening mammography has greatly increased the number of non-palpable breast carcinomas diagnosed in asymptomatic women. Malignant-appearing microcalcifications represent one of the earliest mammographic findings of nonpalpable breast carcinomas. Previous studies have attempted to correlate radiological with histological features of malignant appearing microcalcifications. In the present study, we have evaluated the expression of selected molecular markers in nonpalpable breast carcinomas and its possible association with mammographically detected malignant-appearing microcalcifications. Three hundred fifty patients with non-palpable suspicious breast lesions that were detected during screening mammography between 1994 and 2004 were studied. All patients underwent msmmographically-guided needle localization breast excision biopsy. Histological examination revealed 95 (27.2%) carcinomas [50 (52.3%) ductal invasive, 35 (37.3%) ductal in situ and 10 (10.4%) lobular invasive]. Immunohistochemistry was performed on formalin-fixed paraffin-embedded sections in 75 out of 95 carcinomas by using a panel of monoclonal and polyclonal antibodies for ER, PR, p53, Bcl-2, Bax, FasL, DFF, HER-1, HER-2, HER-3 and HER-4. Malignant-appearing microcalcifications were the major mammographic finding in 60 out of 75 (80%) patients. Nuclear ER(+) and PR(+) positivity were statistically correlated with malignant-appearing microcalcifications (P=0.04). ER(+) was found to be statistically significantly correlated with HER-2 (P=0.011) and HER-4 immunopositivity (P=0.016), but not with the other EGFR family members. PR(+) was not found to be associated with the expression of any EGRF family protein. Positive statistically significant association was detected between ER(+) and Bax (P=0.016), Fas (P=0.022) and DFF expression (P=0.001), while an inverse correlation was found with Bcl-2 positivity (P=0.013). PR(+) was also found to be positively associated with Fas (P=0.013) and DFF (P=0.026) expression, while an inverse correlation was detected with Bcl-2 (P=0.025) and p53 positivity (P=0.009). Apoptosis-related proteins that were studied consisted of p53, Bax, FasL, Bcl-2 and DFF. Bcl-2 and p53 protein expression was not associated with any of the others proteins. Instead, Bax immunopositivity was found to be statistically significant correlated with DFF expression (P=0.006), while similar results were detected regarding Fas and DFF expression (P<0.001). Statistical significant associations were also found between malignant-appearing microcalcifications and Bax (P=0.03), Fas (P=0.03) and DNA fragmentation factor positivity (P=0.03) while no statistical correlation was found with Bcl-2 and p53 positivity (P>0.05). EGFR family proteins immunopositivity was detected in 78.7% cases for HER-1, 45% for HER-2, 32% for HER-3 and 74.7% for HER-4. Statistically significant associations were found between all EGFR proteins’ expression. Statistical significant associations were also found between malignant-appearing microcalcifications and HER-1 (P=0.001), HER-2 (P=0.015) and HER-4 positivity (P=0.034), but not with HER-3 (P>0.05). We then evaluated the co-expression of all EGFR proteins. No homodimer was detected, whilst the most prominent HER-protein co-expression was HER-1/HER-2/HER-4 in 21.4% cases, followed by HER-2/HER-4 and HER-1/HER- 2/HER-3/HER-4 in 21.4% and 18.6% carcinomas, respectively. Fifteen (20%) cases displayed no immunoreactivity for all EGFR proteins, while HER-1/HER-3/HER-4 and HER-1/HER-2 co-expression was found in 13.3% and 2.7% cases, respectively. HER-1/HER-4 and HER-1/HER-2/HER-4 protein co-expression was found to be statistically correlated with ER (P=0.002 and P=0.001, respectively) and PR(+) (P=0.019 and P=0.004, respectively), but no association was found with MAMCs. The combined negative immunoreactivity of all EGFR proteins was associated with ER(+) (P=0.006) and MAMCs (P=0.03). Malignant-appearing microcalcifications detected during screeningmammography represent a diagnostic, prognostic and therapeutic challenge. The findings of our study consolidate the already adopted idea that tumor progression occurs late in the preclinical phase of the disease due to a failure of equilibrium between proliferation controlling mechanisms and programmed cell death pathways which can be reflected upon mammographic appearance. EGFR family proteins’ expression is present since the preclinical phase of breast carcinomas and is strongly correlated (except HER-3) with the mammographic finding of malignant-appearing microcalcifications. The co-expression pattern of the four EGFR family members combined with the expression profile of other molecular prognostic factors and the mammographic appearance might predict the natural history of non-palpable breast carcinomas.

- / -

- / -

Στη παρούσα διπλωματική εργασία έχοντας σα βάση το γεγονός ότι η μαστογραφία αποτελεί την καλύτερη τεχνική έγκαιρης ανίχνευσης του καρκίνου του μαστού και ότι το μέγιστο όφελος της μαστογραφίας βρίσκεται στην πρώιμη ανίχνευση του καρκινώματος στα αρχικά στάδιά του, ασχοληθήκαμε με την ανάλυση και εφαρμογή μεθόδων ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας, που εφαρμόζονται στη μαστογραφία. Ορίσαμε και αναλύσαμε τους διάφορους αλγόριθμους ενίσχυσης εικόνας, που στηρίζονται στην ενίσχυση αντίθεσης μέσω: (α) αύξησης των διαβαθμίσεων του γκρι σε συγκεκριμένες υπό περιοχές (π.χ. μέθοδος παραθύρου, εξίσωση ιστογράμματος) (μέθοδοι ενίσχυσης αντίθεσης) (β) αύξησης των διαφορών διαβάθμισης του γκρι της εικόνας, που αντιστοιχούν στην ενίσχυση της παρυφής της εικόνας, που συνήθως παρέχεται από φίλτρα που υλοποιούν τελεστές παραγώγου εικόνας (μέθοδοι ενίσχυσης αιχμών). Οι τεχνικές ενίσχυσης εικόνας που χρησιμοποιήσαμε στα πλαίσια της παρούσας Διπλωματικής Εργασίας είναι η Μέθοδος παραθύρου (Intesity Windowing), η Εξισορρόπηση Ιστογράμματος με ψαλίδισμα (Clipped Adaptive Histogram Equalization) και η Καταστολή θορύβου-Ενίσχυσης παρυφής με μέθοδο μετασχηματισμού κυματίου (Wavelet). Πριν την εφαρμογή των μεθόδων ενίσχυσης εικόνας στις μαστογραφικές εικόνες ήταν αναγκαία η δημιουργία ψηφιακών συνθετικών εικόνων οι οποίες μιμούνται τα παθολογικά ευρήματα και μέσω αυτών εξάγουμε τις βέλτιστες παραμέτρους που θα χρησιμοποιηθούν στις μεθόδους ενίσχυσης εικόνας. Αυτό το πετύχαμε κάνοντας χρήση των ποσοτικών δεικτών αξιολόγησης ποιότητας εικόνας. Οι δείκτες αυτοί στηρίχτηκαν σε μετρήσεις θορύβου και αντίθεσης για συγκεκριμένη περιοχή ενδιαφέροντος μαστογραφικής εικόνας και είναι ο Δείκτης Βελτίωσης Αντίθεσης (Contrast improvement index-CII), ο Δείκτης Ενίσχυσης Θορύβου (Noise amplification index- NAI) και ο λόγος CII/NAI (Contrast to noise ratio index -CNRI). Στη συνέχεια κάνοντας χρήση των βέλτιστων παραμέτρων ενίσχυσης εικόνας που βρήκαμε μέσω των ποσοτικών δεικτών, ενισχύσαμε το δείγμα των 105 μαστογραφικών εικόνων (περιοχής ενδιαφέροντος) και με τη βοήθεια ακτινολόγου προχωρήσαμε στο πειραματικό στάδιο της Διπλωματικής Εργασίας αξιολογώντας τις μαστογραφικές εικόνες με βάση το σύστημα BIRADS του ACR. Τελευταίο βήμα της μελέτης μας αποτέλεσε η διαγνωστική ακρίβεια του ακτινολόγου βασιζόμενη στη ROC καμπύλη. Υπολογίσαμε το εμβαδό κάτω από την καμπύλη ROC για κάθε μέθοδο ενίσχυσης ξεχωριστά αλλά και για τις αρχικές μαστογραφικές εικόνες στις οποίες είχαμε τις εκτιμήσεις από δύο ακτινολόγους. / In the present postgraduate thesis, we studied the application of image enhancement methods in X-ray mammography, the best technique for detection of breast cancer in early stages. We defined and analyzed the various algorithms of mammographic image enhancement, which are based in contrast enhancement: (a) Increasing the differences in grey level values in specific regions (Intensity Windowing, Histogram Equalization), called contrast enhancement methods. (b) Increasing the gradation of the differences of grey level values of regions that correspond in edge enhancement, provided by filters such applying first or second order derivatives, called edge enhancement methods). Three image enhancement methods were used in the present study, Manual Intensity Windowing (MIW), the Contrast-Limited Adaptive Histogram Equalization (CLAHE) and a dual-stage (denoising and enhancement) Adaptive Wavelet-based Enhancement method (WAVELET). Before applying the three image enhancement methods in mammographic images (regions of interests, ROIs), it was necessary to determine the optimal values of parameters that will be used in image enhancement methods. Digital synthetic images simulating pathological findings, such as microcalcification clusters, were developed for the determination of optimal values of parameters for CLAHE and WAVELET of the image enhancement methods. This was achieved by using quantitative metrics for image quality evaluation. These metrics were based on measurements of noise and contrast for a specific ROI in mammographic images containing the simulated microcalcification clusters. These metrics are: Contrast Improvement Index (CII), Noise Amplification Index (NAI) and the Contrast-to-Noise Ratio Index (CNRI). For the two image enhancement methods (CLAHE and WAVELET) the optimal values of parameters were used, while for MIW a radiologist manually determined the values of parameters (centre and level of windowing) for enhancing the sample of 105 mammographic images (ROIs) containing microcalcification clusters. Evaluation of the three image enhancement methods was performed based on BI-RADS of ACR for patient management determined by one radiologist. Last step of our study was to estimate the diagnostic accuracy of radiologist based on ROC analysis. We calculate the area under ROC curve for each enhancement method, as well as for the initial mammographic images (original).

Στην παρούσα διπλωματική εργασία στόχος είναι η μελέτη της δυνατότητας επεξεργασίας των εικόνων των μαστογραφιών με σκοπό την ανίχνευση σε αυτές ύποπτων περιοχών. Η μελέτη αυτή βασίζεται στις ήδη υπάρχουσες επιστημονικές γνώσεις γύρω από τον καρκίνου του μαστού και τις ιδιότητές του και γίνεται μέσω επεξεργασίας των εικόνων με Matlab. Στο πρώτο κεφάλαιο αναφέρονται οι γνώσεις που έχουμε συλλέξει από επιστημονικές πηγές σχετικά με τις αιτίες,τη φαινομενολογία,την έκταση και τα είδη του καρκίνου του μαστού καθώς και τη διαδικασία της αναλογικής και της ψηφιακής μαστογραφία. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναλύονται ενδελεχώς όλα τα χαρακτηριστικά της ψηφιακής μαστογραφίας.Στο τρίτο κεφάλαιο γίνεται ανασκόπηση των τεχνικών οι οποίες έχουν προταθεί ή χρησιμοποιηθεί για την αυτοματοποιημένη διάγνωση, κατηγοριοποίηση και επεξεργασία μαστογραφικών εικόνων.Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται ανάλυση της μεθόδου εντοπισμού καρκίνου από εικόνες μαστογραφίας με τη χρήση μετασχηματισμού Watershed. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξετάζεται η κλινική χρησιμότητα της καμπύλης ROC και JAFROC στη διαγνωστική έρευνα. Στο έκτο και τελευταιο κεφάλαιο γίνεται ολόκληρη η πειραματική διαδικασία στην οποία δοκιμάζονται διάφοροι τρόποι επεξεργασίας της εικόνας για όλα τα είδη καρκίνων του μαστού σε ένα μεγάλο πλήθος μαστογραφιών και εξάγονται σημαντικά συμπεράσματα για την επιλογή κάποιων από αυτών ανά είδος. / In this essay the purpose is the study of the possibility of mammography image processing techniques in order to detect possible breast cancer tissues. The study is based on already gained scientific knowledge on breast cancer and its characteristics and it is achieved through image processing techniques in matlab. In the first chapter is reported the knowledge we have gained on causes ,description, range and kinds of breast cancer , as also as the analogical and digital mammography procedure. In the second chapter, there are fully analyzed the digital mammography features. In the third chapter, there is a review of techniques used or tested in the past in automatic mammographic diagnosis and in image categorization and processing. In the fourth chapter,an image detection technique based on transformation Watershed is analyzed. In the fifth chapter, the clinical usefulness of ROC and JAFROC study is studied. In the sixth and last chapter, there is the whole experimental procedure that we have accomplished in order to test the advantages of various matlab image detection tools in various breast cancer kinds. There are also made some very important conlusions in the last chapter.

Breast cancer screening and diagnosis in X-ray mammography rely on the detection and visualization of microcalcifications (μCs) and soft tissue masses. The early detection of breast cancer has been shown to decrease breast cancer mortality. The μCs are composed mainly of calcium with attenuation coefficients greater than that of soft tissue. The detection and visualization of μCs are relatively easy over a uniform tissue background, but limited by the ‘‘clutter’’ due to overlapping tissue background present on the mammogram. The clutter in tissue background arises from the structures of glandular tissue, vessels, and soft tissue masses in the breast. However, depending upon their size and location, the visualization of calcifications in mammograms may be limited by the superimposed anatomical structures even when the calcifications have adequate contrast-to-noise ratio (CNR). Dual-energy subtraction imaging techniques offer an alternative approach to the detection and visualization of μCs. With this technique, high- and low-energy images are separately acquired and ‘‘subtracted’’ from each other in a weighted fashion to cancel out the cluttered tissue structure so as to decrease the obscurity from overlapping tissue structures. In this study, computer simulations were developed in order to compute SNR as a function of various imaging parameters (X-ray spectra, μC size, breast thickness, and total exposure- 2 different cases) in Dual Energy Calcification images. Emphasis was placed on the monochromatization of the X-ray spectra with the use of K-edge filtering technique. Also, simulations provided values for various quality parameters of the spectra. Optimization was based on maximization of SNRtc while reducing total entrance exposure of the breast or Coefficient of Variation of the incident photons (CVIinc). / Ο καρκίνος του μαστού, ο οποίος είναι μια κοινή αιτία θανάτου μεταξύ των γυναικών του πληθυσμού, μπορεί να εκδηλωθεί μέσω μικροαποτιτανώσεων. Στη μαστογραφία, η ιατρική διάγνωση (συμπεριλαμβανομένων των τεχνικών ελέγχου) βασίζεται στην ανίχνευση και απεικόνιση αυτών των μικροαποτιτανώσεων (μCs) ή/ και της μάζας των μαλακών ιστών. Η έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου έχει αποδειχθεί ότι μειώνει τη θνησιμότητα λόγω καρκίνου του μαστού. Οι μCs αποτελούνται κυρίως από ασβέστιο (Ca), με αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη εξασθένηση της ακτινοβολίας σε σχέση με τον μαλακό ιστό. Η ανίχνευση και η απεικόνιση των μικροαποτιτανώσεων είναι σχετικά εύκολη για έναν ομοιόμορφο μαστό. Ωστόσο, η απεικόνιση περιορίζεται από την ανομοιομορφία του υγιούς επικείμενου ιστού, που προκύπτει από τον αδενώδη ιστό, τις φλέβες και τους μαλακούς ιστούς στο μαστό. Ανάλογα με το βαθμό της ανομοιομορφίας, την αντίθεση των μCs, και τον τρόπο της επικάλυψης του ιστού, μπορεί να είναι δύσκολο να εντοπιστεί μια μικροαποτιτάνωση, παρόλο που ενδέχεται να υπάρχει επαρκής λόγος αντίθεσης προς θόρυβο (CNR). Η απεικόνιση με αφαιρετική τεχνική διπλής ενέργειας προσφέρει μια εναλλακτική προσέγγιση για την ανίχνευση και απεικόνιση των μCs. Με την τεχνική αυτή, αποκτώνται ξεχωριστά εικόνες υψηλής και χαμηλής ενέργειας και στη συνέχεια αφαιρείται η μια από την άλλη, με σκοπό να μειωθεί η ασάφεια από τις επικαλυπτόμενες δομές του ιστού. Στη παρούσα μελέτη, αναπτύχθηκε αλγόριθμος προσομοίωσης για τον υπολογισμό του SNR για διάφορους παράγοντες απεικόνισης (φάσματα ακτίνων-Χ, μέγεθος αποτιτάνωσης, πάχος μαστού και συνθήκες έκθεσης). Έμφαση δόθηκε στη τροποποίηση των φασμάτων ακτίνων-Χ ώστε να αποκτηθούν όσο το δυνατόν πιο «μονοχρωματικά» φάσματα με τη χρήση της τεχνικής K-edge. Η επιλογή των βέλτιστων φασμάτων υψηλής και χαμηλής ενέργειας βασίστηκε στην αύξηση του SNRtc με ταυτόχρονη μείωση της έκθεσης εισόδου στην επιφάνεια του μαστού ή τη μείωση του συντελεστή διακύμανσης των προσπιπτόντων φωτονίων στην είσοδο του μαστού (CVIinc).

Magnetic resonance mammography (MRM) is a promising technique, since it provides high resolution breast imaging with no use of ionising radiation and with inherently good soft tissue discrimination. The addition of dynamic contrast enhancement kinetics of the breast upgraded the method to a great extend, due to highly differentiated malignant vs. benign lesion hemodynamics resulting from the angiogenetic properties of cancerous cells. Straightforward pharmacokinetic analysis, such as the 3TP algorithm, has been implemented in commercially available CAD systems. Quantitative parameters can be extracted that directly correspond to different aspects of the underlying pathology and can be compared to biopsy results. However, there is a general understanding that straightforward pharmacokinetic analysis (3TP model) requires a very demanding imaging protocol in order to be able to measure such parameters accurately. Fitting the experimental data of the dynamic series to simple mathematical models extracting quantitative features provides a means to evaluate and to shrink the big amount of data of the study to one set of images, in order make the diagnostic process faster and more robust. That could facilitate the clinical routine. The dynamic series of the MRM examinations of the 55 patients were analyzed in this study. Radiologists specialized in MRM have identified and characterized all suspicious lesions according to BIRADS lexicon. Dynamic data were fitted pixel-wise to a simple bilinear model to extract washout, time to peak and washin parameters. Subsequently, those parameters were mapped to Hue, Saturation and Value, respectively, of an HSV color model, which was utilized for characterizing the lesions. Also, Hue heterogeneity was qualitatively assessed for the characterization of lesions. In addition, observers evaluated the haemodynamic properties of the lesions with the conventional hand-drawn ROI based technique (Kuhl system). The results of the two methods were then compared to the histological ground truth to derive their classification performance. Classification performance for the proposed and the conventional one was Az=0.880.05 and Az=0.860.05, respectively, by means of ROC analysis. Results indicate no statistically different performance between the two methods, with the proposed one offering time savings and reproducibility. / Η μαγνητική τομογραφία μαστών (MRM) είναι μια πολλά υποσχόμενη τεχνική, αφού προσφέρει απεικόνιση των μαστών με υψηλή διακριτική ικανότητα αλλά και εγγενή ικανότητα διάκρισης διαφόρων τύπων μαλακών ιστών, χωρίς τη χρήση ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Η προσθήκη δυναμικής απεικόνισης των ιστών του μαστού με τη χρήση παραμαγνητικής σκιαγραφικής ουσίας στο εξεταστικό πρωτόκολλο ισχυροποίησε τη μέθοδο αφού υπάρχει σημαντική διαφοροποίηση στην αιμοδυναμική συμπεριφορά ανάμεσα σε καλοήθεις και κακοήθεις παθήσεις λόγω του αγγειακού δικτύου που δημιουργούν οι μεταβολικές ανάγκες των καρκινικών κυττάρων. Υπολογιστικά συστήματα αυτόματης διάγνωσης που διατίθενται εμπορικά, πραγματοποιούν φαρμοκοκινητική ανάλυση της δυναμικής συμπεριφοράς των ιστών του μαστού με χρήση μαθηματικών αλγορίθμων όπως ο αλγόριθμος τριών χρονικών σημείων (3TP). Από τέτοιες αναλύσεις εξάγονται ποσοτικές παράμετροι που έχουν ευθεία συσχέτιση με διάφορα χαρακτηριστικά της υποκείμενης παθολογίας και μπορούν να συγκριθούν με τα αποτελέσματα ιστολογικών μελετών. Παρόλα αυτά είναι γενικά αποδεκτό ότι για να επιτευχθεί ακριβής υπολογισμός των παραμέτρων αυτών απαιτείται η επιλογή ειδικού εξεταστικού πρωτοκόλλου με μεγάλες απαιτήσεις σε χρονική διακριτική ικανότητα. Η επιλογή απλών μαθηματικών μοντέλων για τον υπολογισμό ποσοτικών παραμέτρων με έμμεση συνάφεια με την παθολογία μας δίνει τη δυνατότητα να ελαχιστοποιήσουμε τον όγκο δεδομένων που παρέχει η εξέταση σε ένα σετ εικόνων και να κάνουμε τη διαδικασία της διάγνωσης πιο γρήγορη και ασφαλή από ότι παρουσιάζεται σήμερα στην κλινική ρουτίνα. Η σειρά των εικόνων της δυναμικής μελέτης των εξετάσεων μαγνητικής τομογραφίας μαστών 55 ασθενών αναλύθηκαν για αυτή τη μελέτη. Ακτινολόγοι με εξειδίκευση στην εξέταση κατέταξαν όλες τις ανιχνευθείσες παθολογικές περιοχές κατά BIRADS. Έγινε προσέγγιση των πειραματικών τιμών των pixels των δυναμικών σειρών με ένα απλό διγραμμικό μοντέλο και εξάχθηκαν χάρτες ποσοτικών παραμέτρων έκπλυσης σήματος (washout), χρόνου μέγιστης ενίσχυσης (time to peak) και ενίσχυσης (washin). Στη συνέχεια αυτές οι παράμετροι χρησιμοποιήθηκαν σαν απόχρωση (Hue), κορεσμό (Saturation) και ένταση (Value) της χρωματικής κλίμακας HSV. Με αυτή την αντιστοίχηση δημιουργήθηκαν χάρτες λειτουργικής απεικόνισης οι οποίοι και χρησιμοποιήθηκαν για το χαρακτηρισμό της παθολογίας. Για τον τελικό χαρακτηρισμό εκτιμήθηκε ποιοτικά και η ανομοιογένεια των λειτουργικών χαρτών ως προς την απόχρωση. Επιπλέον η αιμοδυναμική συμπεριφορά των ευρημάτων εκτιμήθηκε με τη συμβατική μέθοδο περιγραφής περιοχής ενδιαφέροντος με το χέρι και εξαγωγής καμπύλης σήματος – χρόνου από αυτήν την περιοχή (μέθοδος Kuhl). Τα αποτελέσματα των δυο μεθόδων συγκρίθηκαν με τα αποτελέσματα της ιστολογικής εξέτασης των ελεγχθεισών παθολογιών και υπολογίστηκε η απόδοση της κάθε μεθόδου. Αυτή βρέθηκε Az=0.880.05 για την προτεινόμενη μέθοδο και Az=0.860.05 για την κλασική, με χρήση ανάλυσης ROC. Τα αποτελέσματα αυτά υποδεικνύουν ότι δεν υπάρχει στατιστικώς σημαντική διαφορά μεταξύ των δυο μεθόδων, με την προτεινόμενη να παρουσιάζει κέρδος χρόνου και αυξημένη επαναληψιμότητα.

Η παρούσα εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια, τα οποία έχουν την εξής δομή: Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή στο πρόβλημα του καρκίνου του μαστού, κάνοντας αρχικά μία παρουσίαση της ανατομίας και της φυσιολογίας του μαστού. Στη συνέχεια γίνεται μια αναφορά στο πως αναπτύσσεται ο καρκίνος του μαστού, ποιοι προδιαθεσιακοί παράγοντες υπάρχουν και πως αντιμετωπίζεται. Επίσης περιγράφονται και τα διάφορα είδη καρκινικών ευρημάτων. Αναλύονται τα διάφορα διαγνωστικά μέσα δίνοντας έμφαση στη μαστογραφία ως μέσο απεικόνισης του καρκίνου, στον τρόπο που παράγεται, ψηφιοποιείται και ερμηνεύεται. Τέλος γίνεται αναφορά στα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τη χρήση του υπολογιστή στη μαστογραφική μελέτη. Στο κεφάλαιο 2 γίνεται αναφορά στις μεθόδους ψηφιακής επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας που εφαρμόζονται στη μαστογραφία. Αναλύονται μια σειρά από τεχνικές βελτίωσης της ποιότητας των ψηφιακών μαστογραφιών, δίνοντας έμφαση στην έννοια του ιστογράμματος εικόνας και στις διάφορες τεχνικές τροποποίησης του. Τέλος γίνεται αναφορά στην υφή της εικόνας και στις διάφορες παραμέτρους που χρησιμοποιούνται στην ψηφιακή ανάλυση ενός μαστογραφήματος όπως επίσης και στην διαδικασία κατάταξης των διαφόρων περιοχών του σε υγιή και μη φυσιολογικά. Στο κεφάλαιο 3 αναλύεται μια άλλη ομάδα μεθόδων ανάλυσης εικόνας μαστογραφιών η οποία μπορεί να περιγραφεί ως τεχνικές ανίχνευσης ανωμαλιών. Αυτές οι μέθοδοι προσπαθούν να εντοπίσουν συγκεκριμένες ανωμαλίες, όπως οι μικροαποτιτανώσεις, οι οζώδεις σκιάσεις, ή οι αλλοιώσεις της δομής των γειτονικών ιστών μέσα στις εικόνες μαστογραφιών. Αυτές οι μέθοδοι ταξινομούνται στην ερευνητική περιοχή της επεξεργασίας εικόνας για τον εντοπισμό των ανωμαλιών στις μαστογραφίες. Στο κεφάλαιο 4 της διπλωματικής εργασίας γίνεται παρουσίαση της συγκριτικής ανάλυσης που χρησιμοποιείται για την ερμηνεία των ψηφιακών μαστογραφημάτων. Γίνεται αναφορά στα είδη της, στα στάδια από τα οποία αποτελείται καθώς και στις δυσκολίες που παρουσιάζονται κατά την εφαρμογή της. Αναλύεται η διαδικασία της συστοίχισης μαστογραφημάτων, που είναι ένα από τα πιο βασικά αλλά και συνάμα από τα πιο πολύπλοκα στάδια της συγκριτικής ανάλυσης και τέλος γίνεται εκτενής αναφορά στο συντελεστή ετεροσυσχέτισης ως μέσο για την αναγνώριση και τη συστοίχιση δισδιάστατων προτύπων. Στο κεφάλαιο 5 αναλύονται τα συστήματα ταξινόμησης προτύπων που χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση των υπόπτων περιοχών στα ψηφιακά μαστογραφήματα. Δίνεται έμφαση στα τεχνητά νευρωνικά δίκτυα, που αποτελούν τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα συστήματα απόφασης στο χώρο αυτό, και ιδιαίτερα στα δίκτυα ακτινικών συναρτήσεων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διπλωματική εργασία. Στο κεφάλαιο 6 περιγράφονται τρεις ξεχωριστές μελέτες. Αρχικά μελετήθηκε το πρόβλημα της συστοίχισης ψηφιακών μαστογραφιών. Το πρώτο στάδιο της συγκριτικής ανάλυσης μαστογραφημάτων, είτε αυτή είναι δίπλευρη είτε πρόσκαιρη, είναι η συστοίχιση των αντίστοιχων μαστογραφημάτων. Στο σύστημα που υλοποιήθηκε, επιδιώκουμε τη συστοίχιση μαστογραφημάτων μέσω της εξαγωγής του περιγράμματος κάθε μαστού και της ελαχιστοποίησης της διαφοράς των εμβαδών τους. Βρίσκοντας την ελάχιστη τιμή του εμβαδού μετατοπίζοντας στο χώρο την μια μαστογραφία υπολογίζουμε ταυτόχρονα και τη θέση του καλύτερου ταιριάσματος των δύο μαστογραφημάτων. Έπειτα μελετήθηκαν διάφορες τοπολογίες νευρωνικών δικτύων ακτινικών συναρτήσεων. Ως παραμέτρους –εισόδους στο νευρωνικό δίκτυο- χρησιμοποιήσαμε στατιστικούς περιγραφείς της υφής. Οι πιο απλές τεχνικές περιγραφής της υφής, με πολύ καλή απόδοση, είναι οι στατιστικές τεχνικές που βασίζονται στα ιστογράμματα των περιοχών, τις επεκτάσεις τους και τις ροπές τους. Πραγματοποιήθηκαν αξιολογήσεις του συστήματος αναγνώρισης για ροπές από 1ης έως και 15ης τάξης ώστε να βρεθεί ο αριθμός που μας εξασφαλίζει την καλύτερη απόδοση. Η καλύτερη τοπολογία του δικτύου χρησιμοποιήθηκε για την ανάπτυξη ενός συστήματος ανίχνευσης υπόπτων περιοχών σε ψηφιακές μαστογραφίες. Τέλος αναπτύσσεται διεξοδικά σύστημα ανίχνευσης υπόπτων περιοχών σε ψηφιακά μαστογραφήματα Η ταξινόμηση πραγματοποιείται με στατιστικούς περιγραφείς της υφής ενώ ο έλεγχος γίνεται μέσω χρήσης νευρωνικού δικτύου ακτινικών συναρτήσεων. Το σύστημα ανίχνευσης δίνει ως αποτέλεσμα τα αρχικά μαστογραφήματα σηματοδοτημένα με τις πλέον ύποπτες περιοχές για την ύπαρξη νεοπλασίας. Παρουσιάζονται αναλυτικά τα στάδια που ακολουθήθηκαν για τη υλοποίηση του συστήματος, τα πειραματικά αποτελέσματα, τα προβλήματα που αντιμετωπίστηκαν και τα συμπεράσματα που εξήχθησαν. / -

Mammography is currently the gold standard technique for early detection of breast cancer before it becomes clinically palpable. Breast compression is essential part of mammography which provides better contrast and smaller radiation dose. It optimizes the image quality and the visualization of small lesions by reducing the breast thickness. The overall goal of this thesis is to simulate the complete mammographic imaging chain, starting from the creation of breast phantoms, compression, and mammogram simulation. A specific aim is to carry out a study that compares the quality of breast lesions on simulated mammographic images obtained from both uncompressed and compressed breast models. For the creation of the breast models, we use a software breast phantom which incorporates a 3D voxel array with geometric primitives, a ductal network, and a model for lesions. Further on, a Simulation Algorithm for Soft Tissue Compression (SASTC) is used for the compression of the breast phantoms. For this purpose, the algorithm was implemented into C++ language and incorporated into the available Breast Simulator software. The SASTC algorithm is based on the spring-mass model according to which the volume of the breast phantom is divided into a number of elements, each one consisting of 27 nodes and the nodes are connected with springs. The compression algorithm allows stretching and compression of the volume object. Due to these deformations the voxels of the breast’s volume are distorted. Several algorithms are developed to correct for these distortions. These algorithms are based on interpolation techniques and on the Jordan Curve Theorem. We designed 11 models of small breast phantoms that included microcalcifications of different sizes. These breast phantoms as well as the compressed model of each phantom are subjected to mammography simulation to create mammograms. The x-ray image acquisition model, used for the acquirement of the mammographic images, is based on a combination of ray tracing techniques and the x-ray attenuation law. A comparison between the acquired mammograms of both uncompressed and compressed breast phantom was performed. A preliminary visual evaluation demonstrates that the clarity of the structures in the breast model is improved in the images of the compressed breast. Quantitative evaluation involving contrast calculations supports the former results. / Η μαστογραφία αποτελεί τον καλύτερο τρόπο για την έγκαιρη ανίχνευση του καρκίνου του μαστού προτού να είναι δυνατός ο εντοπισμός του με τη μέθοδο της ψηλάφισης. Η συμπίεση του μαστού είναι ένα σημαντικό μέρος της μαστογραφίας καθώς βελτιστοποιεί την ακτινογραφική ποιότητα της εικόνας και επιτρέπει την ελλάτωση της δόσης της ακτινοβολίας στον ασθενή καθώς μειώνεται το πάχος του μαστού. Ο γενικός στόχος της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας είναι η προσομοίωση της διαδικασίας της μαστογραφίας, η οποία περιλαμβάνει τη δημιουργία των μοντέλων μαστού, τη συμπίεση τους και την προσομοίωση λήψης των εικόνων της μαστογραφίας. Πιο συγκεκριμένα, στόχος είναι να δημιουργηθούν οι μαστογραφικές εικόνες των ασυμπίεστων και συμπιεσμένων μοντέλων μαστού προκειμένου να πραγματοποιηθεί σύγκριση μεταξύ τους. Για τη δημιουργία των μοντέλων του μαστού χρησιμοποιείται το λογισμικό προσομοίωσης BreastSimulator που αναπτυχθηκε στο εργαστηρίο Βιοϊατρικής Τεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο Πατρών (Bliznakova 2003). Η εξωτερική και εσωτερική δομή του μαστού καθώς και οι διάφορες παθολογικές δομές προσομοιόνονται με τη χρήση βασικών γεωμετρικών σχημάτων. Τα μοντέλα αποκτούνται υπό τη μορφή τρισδιάστατου πίνακα. Για τη συμπίεση των μοντέλων μαστού χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος SASTC (Simulation Algorithm for Soft Tissue Compression), αφού πρώτα πραγματοποιήθηκε μετατροπή από τη γλώσσα προγραμματισμού Java σε C++ έτσι ώστε να είναι δυνατή η χρησιμοποίησή του ως μέρους του λογισμικού BreastSimulator. Αυτός ο αλγόριθμος βασίζεται στο μοντέλο μάζας-ελατηρίου σύμφωνα με το οποίο ο όγκος του μοντέλου του μαστού χωρίζεται σε στοιχεία, καθένα από τα οποία αποτελείται από 27 κόμβους. Οι κόμβοι συνδέονται μεταξύ τους με ελατήρια. Ο αλγόριθμος συμπίεσης επιτρέπει την εξάπλωση και τη συμπίεση του όγκου του αντικειμένου. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση παραμορφώσεων στα voxel του τρισδιάστατου μοντέλου του μαστού. Για την διόρθωση αυτών των παραμορφώσεων αναπτύχθηκε ένας νέος αλγόριθμος. Τα τρισδιάστατα μοντέλα μαστού που προκύπτουν από τον αλγόριθμο συμπίεσης χρησιμοποιούνται ως είσοδος στον προσομοιωτή ακτινοβόλησης του μαστού και προκύπτουν οι εικόνες της μαστογραφίας. Εικόνες μαστογραφίας από διάφορα μοντέλα ασυμπίεστου και συμπιεσμένου μαστού δημιουργήθηκαν ακολουθώντας την παραπάνω διαδικασία και στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε σύγκριση αυτών των εικόνων. Από μια πρώτη οπτική αξιολόγηση προκύπτει ότι η ευκρίνεια των δομών του μαστού είναι βελτιωμένη στις εικόνες που αντιστοιχούν στα μοντέλα συμπιεσμένου μαστού. Η ποσοτική αξιολόγηση η οποία στηρίζεται στον υπολογισμό του CNR (contrast to noise ratio) επιβεβαίωσε την παραπάνω διαπίστωση.

Η προσομοίωση της συμπίεσης του μαστού κατά την διάρκεια της μαστογραφίας πραγματοποιείται σήμερα με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων (FEM), η οποία επιβάλει την χρήση ενός μικρού αριθμού κόμβων, λόγω της μεγάλης υπολογιστικής ισχύς που απαιτεί, οδηγώντας σε χαμηλή ανάλυση της εικόνας του συμπιεσμένου μαστού. Επιπρόσθετα, η ανάγκη για την δημιουργία ενός πλέγματος του υπο συμπίεση όγκου, αποτελεί μία πολύπλοκη και μονότονη διαδικασία που δεν έχει αυτοματοποιηθεί πλήρως μέχρι σήμερα. Στη εργασία αυτή έχει αναπτυχθεί μια νέα μέθοδος για την προσομοίωση της συμπίεσης κατά την διάρκεια της μαστογραφίας, η οποία μπορεί να συμπιέσει ένα εικονικό ομοίωμα μαστού (Breast Phantom) υψηλής ανάλυσης με οποιαδήποτε γεωμετρική δομή και σύνθεση. Κύριος στόχος δεν αποτέλεσε η ακριβής μοντελοποίηση της δομής και συμπεριφοράς των ανθρώπινων ιστών, αλλά η απόκτηση ρεαλιστικών αποτελεσμάτων συμπίεσης μαστού με στόχο μια ακριβέστερη προσομοίωση μαστογραφίας. Η μέθοδος που αναπτύχθηκε βασίζεται σε ένα μοντέλο γραμμικών ελατηρίων και χρησιμοποιεί μια επαναληπτική τυχαία διαδικασία για την επίτευξη της ισορροπίας όλων των διακεκριμένων σημείων του όγκου(κόμβων). Τα στοιχεία του μοντέλου απαρτίζονται από 27 κόμβους, έχοντας 1 κόμβο ως κεντρικό και 26 ως γείτονες. Επιπλέον τα γειτονικά στοιχεία μοιράζονται κοινούς κόμβους και συνεπώς αλληλεπικαλύπτονται. Το πολύ σπουδαίο ζήτημα της διατήρησης του όγκου, επιλύθηκε με την χρήση ελατηρίων μεταβλητού μήκους ισορροπίας τα οποία ανάλογα με την εφαρμοσμένη συμπίεση σε κάθε στοιχείο συστέλλονται ή διαστέλλονται με στόχο την διατήρηση του όγκου κάθε στοιχείου. Τέλος δεν απαιτείται η δημιουργία ενός πλέγματος στον χώρο διότι το μοντέλο βασίζεται στα διακεκριμένα σημεία του breast phantom (voxel-based). Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου έκανε εφικτό τον υπολογισμό των νέων θέσεων ισορροπίας 500.000 κόμβων ενός Breast Phantom που δέχθηκε 50% συμπίεση και περιείχε λιπώδη ιστό, δομές αδένων και ανωμαλίες (ασβεστώματα), με μέση απόκλιση μικρότερη από 0.1 χιλιοστά. Η αντιστρεψιμότητα του αλγόριθμου καθώς και η ακρίβεια του εκτιμητή απόκλισης επιβεβαιώθηκαν με την βοήθεια μια «αντίστροφης προσομοίωσης» κατά την διάρκεια της οποίας ένας συμπιεσμένος μαστός αποσυμπιέστηκε πλήρως για να επιστρέψει στην αρχική ασυμπίεστη μορφή του. Η διαδικασία τόσο για την συμπίεση όσο και για την αποσυμπίεση διήρκεσε περίπου 12 ώρες η κάθε μία, σε ένα σύστημα WinXp PC 2.4 GHz. Ο κώδικας του αλγόριθμου είναι γραμμένος σε γλώσσα Java. Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι είναι εφικτό να προσομοιωθεί η συμπίεση ενός Breast phantom ανάλυσης 512x512x512 ,απεριόριστου αριθμού ιστών και γεωμετρικών δομών, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε υψηλής ανάλυσης προσομοίωση μαστογραφίας. / Breast compression during Mammography is currently being simulated using FEM analysis, which due to its computational greed, forces the use of a relatively small number of nodes leading to a low resolution image of the compressed breast. Moreover the mesh generation of the volume under compression is a tedious and complex task which demands user interaction. In the current work a novel method for simulating compression during mammography which uses a high resolution 3D Breast Phantom with any geometrical structure and contents has been developed. This work was not focused on producing a precise model of the structure and behavior of human tissues, but on achieving realistic results of breast compression during mammography, and therefore contributing to a more accurate mammography simulation. This method is based on a linear spring model and uses a repetitive random process to reach the equilibrium position for all the discrete points in the volume (nodes). The elements of the model consist of 27 nodes each, 1 center node and 26 neighbor nodes. Moreover neighbor elements share common nodes, and therefore overlap each other. The very critical issue of volume preservation was resolved by the introduction of variable equilibrium length springs which, depending on the compression applied on each element, expand or contract in order for the volume of each element to be preserved. Finally, user interaction is minimized by dismissing the tedious and time consuming need for a mesh generation and using a fully automated voxel based model instead. Applying this method it was made possible to compute the new position of each of the 500.000 nodes of a Breast Phantom subjected to 50% compression, which was composed of fatty tissue, gland and various abnormalities, with an average deviation less than 0.1 mm. The reversibility of the algorithm as well as the validity of the deviation estimator were verified by the means of a “reverse simulation” during which the compressed breast phantom was perfectly decompressed to its initial uncompressed state. The entire process both for compression and decompression took approximately 12 hours each on a WinXp PC 2.4 GHz. The source code is written in Java language. The results show that it is possible to obtain a 512x512x512 compressed 3D Breast Phantom with unlimited number of different tissues and structures which can be used in high resolution mammography simulation.