O καρκίνος του μαστού είναι μια από τις κυρίες αιτίες θανάτου στις γυναίκες. Καθώς η επιτυχής αντιμετώπιση του συνδέεται με τη φάση της νόσου η έγκαιρη διάγνωση του είναι πολύ σημαντική για τους ασθενείς. Ως τεχνική έγκαιρης διάγνωσης αλλά και πληθυσμιακού έλεγχου χρησιμοποιείται η μαστογραφία με χρήση ακτινών-Χ. Η αποτελεσματικότητα της μαστογραφίας στηρίζεται στην υψηλή ποιότητα απεικόνισης του μαστού αλλά και στο όσο το δυνατόν μικρότερη δόση που εναποτίθεται στον μαστό. Ένα από τα βασικότερα χαρακτηριστικά ποιότητας ενός μαστογραφικου συστήματος που επηρεάζει την ικανότητα απεικόνισης ανομοιογενειών μικρών διαστάσεων (π.χ. αποτιτανώσεων) είναι η χωρική διακριτική ικανότητα. Το κατώτερο αποδεκτό όριο είναι 12 lp/mm για μαστογραφία επαφής. H εστία και ο βαθμός φθοράς της σχετίζεται άμεσα με την χωρική διακριτική ικανότητα και την ποιότητα εικόνας. Σκοπός αυτής της μελέτης ήταν να εξετάσουμε την επίδραση της φθοράς της μαστογραφικής ανόδου, στην χωρική ικανότητα υπό συμβατική και μεγεθυντική γεωμετρία. Μια τέτοια μελέτη δεν ήταν δυνατόν να γίνει πειραματικά σε κλινικές συνθήκες. Για αυτό τον λόγο έγινε χρήση ενός προγράμματος προσομοίωσης σε υπολογιστικό περιβάλλον που στηρίζεται στην τεχνική τυχαίας δειγματοληψίας και στην μέθοδο Monte Carlo (MASTOS Code). Η σημαντική παράμετρος η οποία επιλέχτηκε να εκφράζει τον βαθμό φθοράς της ανόδου είναι η κατανομή της έντασης των φωτονίων της εστίας. Τυπικά υπάρχουν τρεις αντιπροσωπευτικές κατανομές φωτονίων της εστίας, η ομοιόμορφη, η απλή κανονική κατανομή (Gaussian), και η διπλή κανονική ή κανονική κατανομή δύο κορυφών(Double Gaussian). Μια άνοδος χωρίς φθορά αρχικά θεωρήθηκε να έχειμια σχεδόν κανονική κατανομή ένταση φωτονίων και μόλις η καταστροφή αρχίζει η απλή κανονική κατανομή μετατρέπεται σε διπλή κανονική. Αυτή η φθορά της ανόδου οφείλεται κυρίως στην υπερβολική χρήση της και στα υψηλά θερμικά φορτία . Για τη μελέτη της χωρικής διακριτικής ικανότητας χρησιμοποιήθηκε απότομη αιχμή(edge) πάχους 4 cm αποτελούμενη από μόλυβδο, μη διαπερατή από ακτίνες-χ, τοποθετημένη στο κέντρο του πεδίου με την κεντρική ακτίνα της δέσμης κάθετη στην αιχμή και την επιφάνεια του ακτινοβολούμενου αντικειμένου. Έπειτα για τον υπολογισμό της χωρικής διακριτικής ικανότητας υπολογίστηκε αρχικά μία συνάρτηση διασποράς ορίου (ESF) για κάθε εικόνα. Για το σκοπό αυτό μία ορθογώνια περιοχή ενδιαφέροντος επελέγη περιλαμβάνοντας 2 mm από κάθε πλευρά της αιχμής. Το προφίλ του κάθετα υπολογισμένου μέσου όρου των τιμών του grey level κατά μήκος αυτής της απόστασης αντιστοιχεί στη συνάρτηση διασποράς ορίου. Από μαθηματική παραγώγηση της συνάρτησης αυτής προέκυψε η συνάρτηση διασποράς γραμμής (LSF) και με εφαρμογή σε αυτή μετασχηματισμού Fourier καταλήγουμε στη συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF). Οι προκύπτουσες συναρτήσεις μεταφοράς διαμόρφωσης προσαρμόστηκαν με τμήμα κανονικής καμπύλης και η χωρική διακριτική ικανότητα σε lp/mm εξήχθη από αυτές, θεωρώντας ότι αντιστοιχεί στο 5% της MTF. Η συγκεκριμένη μέθοδος μέτρησης της συνάρτησης μεταφοράς διαμόρφωσης είναι πολύ δημοφιλής τελευταία λόγω της απλότητάς της και της καταλληλότητάς της, ειδικά στην ψηφιακή απεικόνιση. Μελετήσαμε την επίδραση της φθοράς της ανόδου στην χωρική διακριτική ικανότητα για δυο μεγέθη εστίας, μια 0.1mm η οποία χρησιμοποιείται στα περισσότερα μαστογραφικά μηχανήματα σήμερα και μια με μεγάλες διαστάσεις όπως 0.5mm. Η μελέτη αυτή έγινε μεταβάλλοντας κάθε φορά τα χαρακτηριστικά της απλής και διπλής κανονικής κατανομής έντασης φωτονίων της εστίας. Ουσιαστικά μεταβάλλαμε την απόσταση μεταξύ των δυο κορυφών (δμ) και την τυπική απόκλιση (σ).Με τον τρόπο αυτό πήραμε εικόνες που αντιστοιχούν κάθε φορά σε διαφορετική κατανομή των φωτονίων στην εστία και επομένως σε διαφορετικό βαθμό φθοράς της ανόδου. Όταν η απόσταση των δυο κορυφών της διπλής κανονικής κατανομής ήταν μηδέν τότε είχαμε κανονική κατανομή η οποία αντιστοιχούσε σε μια άνοδο χωρίς φθορά ενώ όταν η απόσταση των δυο κορυφών της διπλής κατανομής αυξανόταν τότε αντιστοιχούσε σε άνοδο με μεγαλύτερο βαθμό φθοράς. Τέλος διατηρώντας σταθερή την απόσταση τον δυο κορυφών μεταβάλαμε την τυπική απόκλιση της κατανομής (σ) με αποτέλεσμα και σε αυτή την περίπτωση να έχουμε ασυμπτωτική προσέγγιση τηςδιπλής κανονικής κατανομής στην απλή κανονική κατανομή της έντασης των φωτονίων της εστίας. Όταν η εστία είναι καινούργια ακόμα και με διαστάσεις 0.5 mm x 0.5 mm (οι οποίες είναι πάνω από τις τυπικές μαστογραφικές τιμές) τότε η χωρική ικανότητα είναι υψηλή και πάνω από το αποδεκτό όριο των 12 lp/mm για την συμβατική μαστογραφία και καθώς αρχίζει η φθορά της η χωρική διακριτική ικανότητα μειώνεται σε ποσοστό 4% με 8%. Αντίθετα για μεγεθυντικές λήψεις όταν αρχίζει η φθορά της ανόδου λόγο της χρήσης της η χωρική διακριτική ικανότητα γίνετε πολύ μικρή με τιμές που κυμαίνονται γύρω στο 5 lp/mm . Επομένως εστίες με μεγάλες διαστάσεις όπως 0.5 mm δεν είναι κατά κανόνα κατάλληλες για μεγεθυντική λήψη καθώς η χωρική διακριτική ικανότητα είναι πολύ μικρή ειδικά όταν αρχίζει η φθορά τους. Για την ονομαστική εστία 0.1 mm x 0.1 mm. τα αποτελέσματα καθορίζουν ότι μια φθαρμένη άνοδος δεν επηρεάζει σημαντικά την ποιότητα εικόνας στην συμβατική μαστογραφία. Η χωρική διακριτική ικανότητα διατηρείται σε υψηλές τιμές(21 lp/mm) με ασήμαντη διακύμανση (περίπου 2% με 5%) μεταξύ των αποτελεσμάτων κατά τη διάρκεια της φθοράς της. Παρόλα αυτά μια φθαρμένη άνοδος έχει σημαντικό αντίκτυπο στη χωρική διακριτική ικανότητα υπό μεγεθυντικές συνθήκες. Όταν η απόσταση των δυο κορυφών της διπλής κατανομής αυξάνει (που αντιστοιχεί σε μεγαλύτερο βαθμό φθοράς ), η χωρική διακριτική ικανότητα μειώνεται σημαντικά ακόμα και κάτω από το αποδεκτό όριο των 12 lp/mm που συνήθως χρησιμοποιείται σε κλινική πρακτική. Για τον μέγιστο βαθμό μεγέθυνσης (m=2) η σχετική υποβάθμιση ης χωρικής διακριτικής ικανότητας φτάνει το 66%. Όταν η τυπική απόκλιση (σ) των δυο κορυφών αυξάνει σε μια διπλή κατανομή με σταθερή απόσταση (δμ) μεταξύ των δυο κορυφών, τότε το αποτέλεσμα είναι η υποβάθμιση της χωρικής διακριτικής ικανότητας σχεδόν 40% (για m= 1.6 κ εστία 0.1 mm). Η επίδραση της φθοράς της ανόδου στην χωρική διακριτική ικανότητα είναι σημαντική ειδικά για μεγάλους βαθμούς μεγέθυνσης (1.6, 1.8, 2.0). Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι μια καινούργια άνοδος προκαλεί μείωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας κατά 27%, ενώ μια φθαρμένη άνοδος προκαλεί μείωση που φτάνει το 75% καθώς αυξάνουμε την μεγέθυνση από 1 έως 2 με βήμα 0.2. Επομένως η χωρική διακριτική ικανότητα επηρεάζεται ευθέως από την μορφή την κατανομή της έντασης των φωτονίων στην εστία, η οποία προσδιορίζει και την κατάσταση που βρίσκεται η άνοδος , το μέγεθος της εστίας και την μεγέθυνση. Σανσυμπέρασμα μπορούμε να πούμε ότι μόνο εστίες με μικρές διαστάσεις όπως 0.1 mm είναι κατάλληλες για μεγεθυντική μαστογραφία. Μια φθαρμένη άνοδος με εστία 0.1 mm δεν επηρεάζει σημαντικά την χωρική διακριτική ικανότητα στην μαστογραφία επαφής, ενώ αντίθετα για την μεγεθυντική μαστογραφία(κυρίως μεγάλους βαθμούς μεγέθυνσης) η υποβάθμιση της χωρικής διακριτικής ικανότητας είναι σημαντική. Αυτό το γεγονός είναι σημαντικό για υψηλούς βαθμούς μεγέθυνσης και έτσι η αντικατάσταση της λυχνίας ακτινών–x όταν η εστία αρχίζει να φθείρεται είναι πολύ κρίσιμη καθώς μπορεί να οδηγήσει στον υποβιβασμό της χωρικής διακριτικής ικανότητας. / The aim of this study was to examine the influence of mammographic anode aging, from the construction of a perfect anode up to total damage, on spatial resolution under contact and magnification geometries. The crucial parameter that was selected to reflect the degree of damaging of the anode is the type of the x-ray intensity distribution of the focal spot. Typically, there are three representative focal spot distributions, the uniform, the Gaussian and double-peaked Gaussian. A new anode is initially considered to have an almost Gaussian intensity distribution and when the destruction starts the Gaussian distribution turns to double Gaussian distribution. This damage of anode is owed to its extended use and high thermal loads (melting), which is more apparent in the central area of the focal spot. In order to study this aging effect, the Edge Spread Function (ESF) method was utilized, with a thick sharp edge consisting of lead, no transparent to x-rays imaged under various conditions, and following the corresponding spatial resolution was calculated through the modulation transfer function (MTF). In this study we used two focal spot sizes, a 0.1mm which is using in most mammographic units today and a focal spot with big dimensions such 0.5mm. When the focal spot with dimensions 0.5mm by 0.5mm is new then the resolution is high for contact mammography, but when the anode starts damaged, the 0.5mm focal spot is unsuitably because the resolution is maintained under 10 lp/mm, especially for magnification views. Therefore focal spots with big dimensions such 0.5mm are not suitable for clinical practise and magnifications views. Results for nominal focal spot sizes of 0.1mm by 0.1mm demonstrate that a damaged anode does not significantly affect the spatial resolution in contact mammography, since even in this case the spatial resolution is maintained in high degrees with insignificant variation between the results. Nevertheless, a damage anode has important repercussions on the spatial resolution under magnification conditions. When the distance of the two peaks of double Gaussian is increased (corresponding to higher degrees of destruction) the spatial resolution is significantly decreased even under the acceptable limit of 12 lp/mm that is usually utilized in clinical practice. Furthermore, when for a double Gaussian with fixed distance (δμ) between the two peaks, the standard deviation (σ) of two peaks is increasing then it leads to the reduction of spatial resolution of almost 40% for magnification equal 1.6 and focal spot 0.1mm. Accordingly, the resolution is directly affected by the form of the intensity distribution of the anode and the magnification. This effect is dominant for high magnification degrees, and thus the replacement of the x-ray tube when the focal spot starts being destroyed is very crucial, as the tube aging can potentially lead to the degradation of spatial resolution.

- / -

Breast cancer is the most frequent cancer worldwide. The x-ray mammography an important imaging technique for detection can succeed balance between low breast dose and high image quality with the achievement of high sensitivity and specificity. Special requirements lead to the continuing effort to optimize the mammographic technique. Different studies target in improvement of quality image and as a consequence increase the diagnostic accuracy of pathological findings. In this study Monte Carlo methods play a key role as it offers a safe, reliable, inexpensive and flexible tool for complicated studies in medical radiation physics. It gives the solution to a major limitation, the lack of quantitative objective measures of the characteristics of pathological findings inside the environment of a real mammographic image. Different pathological findings are simulated in this study with the help of Monte Carlo techniques having the same density with the area of a clinical mammogram where they are superimposed, creating the synthetic images. The whole followed procedure is presented. Finally a number of result images is created containing different types and sizes of pathological findings reaching the conclusion that calcifications can be very well simulated up to 200μm ,lesions as masses can be realistic up to 0.5cm and especially when the appropriate size is embedded in the suitable heterogeneous area. Finally, masses of air was a difficult task since turned to be difficult to simulate a realistic cyst. The simulation procedure and created synthetic images can be evaluated by experts and gives the opportunity as a future work for a large database to be created. Untrained scientists can take advantage of this procedure or evaluating the detactibility of CAD systems. / Ο καρκίνος του μαστού είναι ο πιο συχνός καρκίνος παγκοσμίως. Η μαστογραφία με ακτίνες Χ, μια σημαντική απεικονιστική τεχνική για ανίχνευση παθολογικών ευρημάτων μπορεί να επιτύχει ισορροπία μεταξύ χαμηλής δόσης μαστού και υψηλή ποιότητα εικόνας με την επίτευξη υψηλής ευαισθησίας και ειδικότητας. Ειδικές απαιτήσεις οδηγούν στη συνεχόμενη προσπάθεια για βελτιστοποίηση της μαστογραφίας.Διαφορετικές μελέτες στοχεύουν στη βελτίωση της ποιότητας της εικόνας και σαν συνέπεια αυξάνουν τη διαγνωστική ακρίβεια. Σε αυτή τη μελέτη οι μέθοδοι Monte Carlo παίζουν ένα σημαντικό ρόλο,καθώς προσφέρει ένα ασφαλές, αξιόπιστο, οικονομικό και εύχρηστο εργαλείο για πολύπλοκες μελέτες στην ιατρική ακτινοφυσική.Δίνει τη λύση σε ένα μεγάλο περιορισμό, την έλλειψη ποσοτικοποιημένων, αντικειμενικών μετρήσεων των χαρακτηριστικών των παθολογικών ευρημάτων μέσα στο περιβάλλον μιας πραγματικής μαστογραφικής εικόνας.Διαφορετικά παθολογικά ευρήματα προσομοιώνονται σε αυτή τη μελέτη με τη βοήθεια μεθόδων Monte Carlo διατηρώντας τη ίδια πυκνότητα με την περιοχή της κλινικής μαστογραφίας όπου θα τοποθετηθούν, δημιουργώντας συνθετικές εικόνες. Όλη η διαδικασία που ακολουθήθηκε παρουσιάζεται. Τελικά, μια ποσότητα από εικόνες αποτελέσματα δημιουργείται περιέχοντας διαφορετικούς τύπους και μεγέθη παθολογικών ευρημάτων, φτάνουμε στο συμπέρασμα οτι οι αποτιτανώσεις μπορούν να προσομοιωθούν μέχρι τα 200 μm, αλλοιώσεις σαν μάζες μπορούν να είναι ρεαλιστικές μέχρι 0.5cm και ειδικά όταν το κατάλληλο μέγεθος τοποθετείται στην κατάλληλη ετερογενή περιοχή. Τέλος, οι μάζες αέρα ήταν δύσκολο θέμα καθώς αποδείκτηκε δύσκολο να προσομοιωθεί μία ρεαλιστική κύστη. Η διαδικασία προσομοίωσης και οι συνθετικές εικόνες που δημιουργήθηκαν μπορούν να αξιολογηθούν από έμπειρους και να δώσει την ευκαιρία σαν μελλοντική δουλειά να δημιουργηθεί μια μεγάλη βάση δεδομένων. Μη εκπαιδευμένοι επιστήμονες μπορούν εκπαιδευτούν ή να αξιολογηθεί η ικανότητα ανίχνευσης των υπολογιστικών συστημάτων.

Mammography, either for screening or for the examination of a woman who displays symptoms of breast cancer, must be capable of revealing subtle differences in density and composition of breast parenchymal tissue, as well as the presence of any abnormalities. This is a challenging imaging task since connective tissue, glandular tissue, skin and fat must be simultaneously visualized and differentiated, while having very similar attenuation coefficients and thus low subject contrast. The detection of small low-contrast lesions is essential for screening mammography. Because the mammogram is a projected image of superimposed breast structures, it is generally more difficult to detect cancer in a dense breast pattern. This is attributed to minor differences in x-ray attenuation between lesions and the surrounding parenchymal. The visibility of small structures on a mammogram is restricted by the compromise between the image quality and the absorbed dose. This leads to a continuous drive for improved techniques, mainly with respect to improving the low contrast character of the technique. In the framework of this master thesis, the imaging performance of a wide range of mammographic spectra has been evaluated and their influence on imaging of inhomogeneities was studied. These spectra correspond to several combinations of anode (Mo, Rh, W) and filter (Mo, Rh, Nb, Zr Al, and Pd) materials and diameters (90–250 μm), and tube voltages (26-30 kVp), with 1 mm Be-window inherent filtration. A properly designed mathematical breast phantom was utilized, simulating water, containing two identical spherical inhomogeneities of air of various diameters. An earlier developed and validated Monte Carlo model (MASTOS), was utilized for the simulation studies. Utilizing the developed model, the influence of the factors affecting the x-ray spectrum (tube voltage, anode material, filter material) on the detectability of small low contrast lesions was investigated in terms of Contrast to Noise Ratio (CNR) and Contrast-Detail (CD) analysis. Results demonstrate that spectra mainly produced from W anodes and filtered with k-edge filters (Mo, Rh, Nb, Pd and Zr) provide improved imaging characteristics that is similar and in some cases better compared to commonly used Mo and Rh anodes filtered with k-edge filters, especially for inhomogeneities of larger diameters. However, in the case of inhomogeneities of smaller diameter softer spectra mainly produced from Mo anodes and spectra filtered with k-edge filters of low energy k-absorption edge provide better CNR. As far as the filter material is concerned, k-edge filters demonstrate improved imaging performance compared to Al filter. This is the reason that justifies the use of these filters in clinical mammographic procedure. Tube voltage has a limited effect on CNR for all inhomogeneity sizes. As a conclusion, the discriminability of low contrast details, in terms of CNR, depends on all the parameters affecting the x-ray spectrum, but especially on the combination of the anode material and filter. / Η μαστογραφία, είτε για απεικόνιση είτε για εξέταση γυναικών που παρουσιάζουν συμπτώματα καρκίνου του μαστού, πρέπει να είναι ικανή να αποκαλύπτει τόσο πολύ μικρές διαφορές στην πυκνότητα και σύσταση του μαστογραφικού παρεγχύματος, όσο και την παρουσία ανωμαλιών. Αυτή είναι μια αντικρουόμενη διαδικασία καθώς ο συνδετικός ιστός, ο αδενικός ιστός, το δέρμα και το λίπος πρέπει ταυτοχρόνως να απεικονιστούν και να διαφοροποιηθούν ενώ έχουν πολύ μικρές διαφορές στους συντελεστές εξασθένισης και γι’αυτό το λόγο χαμηλή αντίθεση θέματος. Η ανίχνευση μικρών χαμηλής αντίθεσης αλλοιώσεων είναι απαραίτητη για την απεικονιστική μαστογραφία. Επειδή το μαστογράφημα είναι μια προβολική εικόνα των δομών του μαστού, είναι γενικά πολύ δύσκολο να ανιχνευθεί ο καρκίνος σε ένα πυκνό μαστογραφικό παρέγχυμα. Αυτό αποδίδεται στις ασήμαντες διαφορές στην εξασθένιση των ακτινών χ μεταξύ των αλλοιώσεων και του περιβάλλοντος παρεγχύματος του μαστού. Η ανιχνευσιμότητα των μικρών δομών σε μια μαστογραφία περιορίζεται από τον συμβιβασμό ανάμεσα στην ποιότητας εικόνας και την απορροφούμενη δόση. Αυτό οδηγεί σε μια συνεχή προσπάθεια για βελτιωμένες τεχνικές, λαμβάνοντας υπόψη τα χαμηλής αντίθεσης χαρακτηριστικά της μαστογραφικής διαδικασίας. Στο πλαίσιο της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας αποτιμήθηκε η απεικονιστική ικανότητα ενός μεγάλου εύρους μαστογραφικών φασμάτων και μελετήθηκε η επίδρασή τους στην ανιχνευσιμότητα ανομοιογενειών. Τα φάσματα αυτά αντιστοιχούν σε διάφορους συνδυασμούς υλικών ανόδων (Mo, Rh, W), φίλτρων (Mo, Rh, Nb, Zr Al, and Pd) και υψηλών τάσεων με έμφυτο φιλτράρισμα 1mm παράθυρο Βe. Χρησιμοποιήθηκε ένα κατάλληλα σχεδιασμένο μαθηματικό ομοίωμα μαστού από νερό που περιέχει δύο πανομοιότυπες ανομοιογένειες αέρα διαφόρων διαμέτρων. Για τις μελέτες προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε ένα νωρίτερα ανεπτυγμένο και επικυρωμένο μοντέλο Monte Carlo, το MASTOS. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο, διερευνήθηκε η επίδραση των παραγόντων που επηρεάζουν το μαστογραφικό φάσμα (υλικό ανόδου, υλικό φίλτρου, υψηλή τάση), στην ανιχνευσιμότητα μικρών χαμηλής αντίθεσης λεπτομερειών σε όρους αντίθεσης προς θόρυβο (CNR). Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι τα φάσματα που παράγονται από ανόδους W και φιλτράρονται με φίλτρα κ-αιχμής (Mo, Rh, Nb, Pd, Zr) δίνουν βελτιωμένα απεικονιστικά χαρακτηριστικά τα οποία είναι παρόμοια και σε μερικές περιπτώσεις καλύτερα συγκρινόμενα με φάσματα από ανόδους Mo και Rh φιλτραρισμένα με φίλτρα κ-αιχμής, ειδικά για τις μεγαλύτερες ανομοιογένειες. Παρολ’αυτά, στην περίπτωση των μικρότερων ανομοιογενειών τα μαλακά φάσματα που παράγονται από ανόδους Mo και φιλτράρονται με φίλτρα κ-αιχμής, με αιχμή απορρόφησης χαμηλής ενέργειας παρέχουν καλύτερο λόγο αντίθεσης προς θόρυβο (CNR). Λαμβάνοντας υπόψη το υλικό του φίλτρου, τα φίλτρα κ-αιχμής προσφέρουν καλύτερη απεικόνιση συγκρινόμενα με τα φίλτρα αλουμινίου (Al). Αυτός είναι ο λόγος που δικαιολογεί τη χρήση αυτών των φίλτρων στην κλινική μαστογραφική διαδικασία. Η υψηλή τάση έχει περιορισμένη επίδραση στον λόγο αντίθεσης προς θόρυβο για όλα τα μεγέθη ανομοιογενειών. Γενικά ως συμπέρασμα, η ανιχνευσιμότητα των χαμηλής αντίθεσης λεπτομερειών σε όρους αντίθεσης προς θόρυβο, εξαρτάται από όλους τους παράγοντες που επηρεάζουν το μαστογραφικό φάσμα, αλλά κυρίως από το υλικό της ανόδου και το υλικό του φίλτρου.

Η διπλωματική αυτή εργασία σχετίζεται με την ανίχνευση νεοπλασιών σε μαστογραφίες. Στις μέρες μας, έχουμε μία καλή εικόνα για τον τρόπο που δημιουργείται ο καρκίνος. Αυτό βοηθά στην βελτίωση της θεραπείας αλλά και στην μείωση εμφάνισης της πάθησης. Το κλειδί για την επιτυχή καταπολέμηση της νόσου είναι η πρώιμη ανίχνευση. Οι πιο διαδεδομένες μέθοδοι εξέτασης και διάγνωσης καρκίνου του μαστού είναι η αυτοεξέταση των μαστών από την ίδια τη γυναίκα, η τακτική προληπτική εξέταση του στήθους από το γιατρό καθώς και η πρόληψη μέσω της μεθόδου της μαστογραφίας. Η ανίχνευση του καρκίνου, είναι μια διαδικασία δύσκολη και απαιτεί υψηλό βαθμό αυτοσυγκέντρωσης. Τα νεοπλάσματα αποτελούν παθολογίες και μπορούν να καταταχθούν σε καλοήθη και κακοήθη με ενδιάμεσες διαβαθμίσεις. Το μεγαλύτερο ποσοστό των βιοψιών καταλήγουν τελικά να είναι καλοήθεις. Το νεόπλασμα του μαστού είναι το συχνότερο νεόπλασμα του γυναικείου πληθυσμού. Η διαδικασία συρρίκνωσης της εικόνας, ο αλγόριθμος μετατροπής βάθους των εικονοστοιχείων, ο εμπλουτισμός και η κλιμάκωση της εικόνας αποτελούν κάποιες μεθόδους βελτίωσης της ψηφιακής εικόνας στον τομέα της μαστογραφίας. Περιγράφονται οι τεχνικές ανίχνευσης των ανωμαλιών, με τη βοήθεια των οποίων, μπορούν να εντοπιστούν ανωμαλίες των ιστών στις μαστογραφικές εικόνες. Τέτοιες μορφές ανωμαλιών είναι οι οζώδεις σκιάσεις και οι μικροαποτιτανώσεις. Παρουσιάζονται τα λεγόμενα συστήματα απόφασης και πιο συγκεκριμένα, περιγράφεται ο ορισμός και οι αρχές λειτουργίας των νευρωνικών δικτύων που αποτελούν και τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα. Τέλος, παρουσιάζεται μια μέθοδος ανίχνευσης νεοπλασιών σε μαστογραφίες, ξεκινώντας από μία γενική εισαγωγή στο σύστημα και στα επίπεδα από τα οποία αποτελείται, και συνεχίζοντας με την ανάλυση των μεθόδων που χρησιμοποιεί. / This assignment is related to neoplasia detection in mammograms. Nowadays, we are aware of the way cancer is created. This fact helps to the improvement of the treatment and also to the reduction of the disease appearance. The key to the successful opposition of the disease is the precocity detection. The most prevalent examination and diagnosis methods of breast cancer are self-examination, regular preventive examination by a doctor and the prevention through the method of mammography. Breast cancer detection, is a difficult procedure and requires a high degree of concentration. Neoplasms represent pathologies and can be categorized in benign and malignant. Breast neoplasm is the most common neoplasm of the female population. The procedure of shrinking the digital image, the depth transduction algorithm of the pixels, the enhancement and the scale of the image, comprise some improvement methods of the digital image in the field of mammography. There is a description of the techniques used for detecting abnormalities of the tissues. Masses and micro-calcifications are examples of that kind of abnormalities. Furthermore, there is a presentation of the well known decision systems, and particularly, definition and principles of functionality of neural networks are described, which are the most widely used. Finally, a new method of neoplasias detection is presented in mammograms, starting from a general introduction of the system and the levels it consists of, and continuing with the analysis of the methods used.

Τα υπολογιστικά συστήματα υποβοήθησης ανίχνευσης και διάγνωσης αλλοιώσεων του μαστού έχουν προταθεί στις διάφορες απεικονιστικές τεχνικές «ως δεύτεροι αναγνώστες» με σκοπό να αυξήσουν τη διαγνωστική ακρίβεια του ακτινολόγου και να μειώσουν τη μεταβλητότητα μεταξύ και ενδο-παρατηρητή κατά την ερμηνεία της μαστογραφικής εικόνας. Η αυτόματη διάγνωση των ομάδων μικροαποτιτανώσεων αποτελεί ανοικτό ερευνητικό ζήτημα. Τα προταθέντα συστήματα ψηφιακής υποβοήθησης διάγνωσης ομάδων μικροαποτιτανώσεων ακολουθούν δύο βασικές προσεγγίσεις: (α) ανάλυση μορφολογίας των μεμονωμένων μικροαποτιτανώσεων της ομάδας και (β) ανάλυση υφής των περιοχών ενδιαφέροντος της μαστογραφικής εικόνας που περικλείει την ομάδα μικροαποτιτανώσεων. Τα συστήματα αυτά διατυπώνουν μαθηματικά το κλινικό ερώτημα αξιοποιώντας μεθόδους επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας με σκοπό την ποσοτικοποίηση δομικών και λειτουργικών παραμέτρων του απεικονιζόμενου ιστού. Στην παρούσα εργασία περιγράφονται οι τρέχουσες προσεγγίσεις στην μεθοδολογία ανάπτυξης συστημάτων υποβοήθησης διάγνωσης ομάδων μικροαποτιτανώσεων στην μαστογραφία ακτίνων-Χ. Σκοπός είναι η ανάδειξη των πλεονεκτημάτων, μειονεκτημάτων και προκλήσεων των διαφορετικών προσεγγίσεων της ψηφιακής υποβοήθησης διάγνωσης, η καταγραφή των εξελίξεων και αναδυόμενων μεθόδων καθώς και η διερεύνηση και αποτύπωση των μελλοντικών ερευνητικών βημάτων. / Computer-aided detection and diagnosis schemes have been proposed across breast imaging modalities to improve diagnostic accuracy and reduce inter- and intra-observer variability in image interpretation. Computer-aided diagnosis schemes for microcalcification clusters in mammography are based on morphology analysis of individual microcalcifications and on texture analysis of the depicted breast tissue. The current study reviews major approaches in the development of computer-aided diagnosis schemes for microcalcification clusters in mammography, while recent advances and challenges of each methodological approach are highlighted.

Στα πλαίσια της συγκεκριμενης διδακτορικής διατριβής, δύο μοντέλα προσομοίωσης Monte Carlo επεκτάθηκαν ώστε να συμπεριλάβουν γεωμετρίες μεγέθυνσης και διάφορες περιεκτικότητες μαστού σε μαζικό αδένα, και χρησιμοποιήθηκαν με σκοπό τη βελτιστοποίηση των μεγεθυντικών λήψεων στη μαστογραφία. Με τα μοντέλα αυτά έγιναν δοσιμετρικές μελέτες, καθώς επίσης και μελέτες για την ποιότητα εικόνας. Πιο συγκεκριμένα, η δοση στο μαζικό αδένα του μαστού, η οποία συνδέεται άμεσα με την πιθανότητα καρκινογέννεσης κατά τη διάρκεια της μαστογραφίας, βρέθηκε να αυξάνει με το βαθμό μεγέθυνσης κυρίως λόγω του νόμου αντιστρόφου τετραγώνου της απόστασης. Ο λόγος αντίθεσης προς το θόρυβο επίσης αυξάνει με το βαθμό μεγέθυνσης. Ωστόσο, ο ρυθμός αύξησης είναι μεγαλύτερος για μεγέθυνση μέχρι 1.4. Με την εισαγωγή ενός δείκτη απόδοσης ο οποίος είναι συνάρτηση του επιθυμητού κέρδους (εκφραζόμενο από το CNRν) και του κόστους (εκφραζόμενο από τη δόση) διάφορες παράμετροι έκθεσης (βαθμός μεγέθυνσης και φάσμα) αποτιμήθηκαν υπό συνθήκες μεγέθυνσης. Ο βαθμός μεγέθυνσης 1.3 βρέθηκε να έχει την καλύτερη απόδοσηγια όλους τους συνδυασμούς υλικών ανόδου/φίλτρου που μελετήθηκαν. Διάφοροι συνδυασμοί όπως οι W/0.050mmAl, Rh/0.51mmAl, W/0.030mmRh, Rh/0.029mmRh, Rh/0.030mmRu και Mo/0.029mmRh θα μπορούσαν να ανταγωνιστούν το Mo/0.030mmMo σε γεωμετρίες επαφής. Ωστόσο, όταν εφαρμόζεται η τεχνική της μεγέθυνσης και ειδικά βαθμός μεγαλύτερος από 1.3, το Mo/0.030mmMo έχει τη μεγαλύτερη συνολική απόδοση μεταξύ των συνδυασμών που μελετήθηκαν. Επιπλεον, μελετήθηκε η επίδραση του μεγέθους της εστίας και της κατανομής εκπεμπόμενης ακτινοβολίας ακτίων-χ στη χωρική διακριτική ικανότητα υπό συνθήκες μεγέθυνσης, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της αιχμής. Εστίες μεγαλύτερες από 0.12 mm θα έπρεπε να χρησιμοποιούνται μόνο για προληπτικές μαστογραφίες, ειδικά όταν συνδυάζονται με ομοιόμορφες ή κανονικές κατανομές διπλής κορυφής. Εστίες των 0.04 mm ή και ακόμα μικρότερες, συνδυασμένες με κανονικές κατανομές μονής κορυφής και μικρής τυπικής απόκλισης οδηγούν σε αποδεκτές τιμές διακριτικής ικανότητας με βάση τους διεθνείς κανονισμούς, ακόμα και σε μεγάλους βαθμούς μεγέθυνσης. Τέλος, βρέθηκε ότι η διακριτική ικανότητα υποβαθμίζεται με τη μεγέθυνση λόγω της γεωμετρικής ασάφειας. / In the framework of this doctorate thesis, two simulation models based on Monte Carlo were expanded in order to include magnification geometries and various breast compositions, and were utilized aiming to study and optimize the magnification views in mammography. With the use of these models, dosimetric as well as image quality characteristics were evaluated and combined in order to come into conclusions. More specifically, the dose in the glandular tissue of the breast, which is directly associated with the carcinogenic risk during mammography, was found to increase with the degree of magnification, mainly due to the inverse square law. Contrast to Noise Ratio also increases with magnification. However, the increase rate is higher for magnification up to 1.4. With the introduction of a Performance Index, which is a function of the desirable benefit (expressed by the (CNR)ν) and the cost (expressed by the dose), several exposure and design parameters (degree of magnification, spectrum) were evaluated under magnification conditions. Degree of magnification 1.3 was found to have the best overall performance for all the anode/filter combinations considered. Several combinations like W/0.050mmAl, Rh/0.51mmAl, W/0.030mmRh, Rh/0.029mmRh, Rh/0.030mmRu and Mo/0.029mmRh can compete with the Mo/0.030mmMo under contact geometry. However, when magnification is performed and especially degree higher than 1.3, Mo/0.030mmMo has the best overall performance between the anode/filter combinations considered. Moreover, the effect of focal spot size and x-ray intensity distribution on the spatial resolution was studied under magnification, using the edge method. Focal spots larger than 0.12 mm should be utilized only for screening mammography, especially when combined with uniform or double Gaussian intensity distributions. Small focal spots of 0.04 mm or less, combined with Gaussian distribution result in acceptable values of spatial resolution, according to the international regulations, even for high degrees of magnification. Finally, a degradation of the spatial resolution was found with the degree of magnification, which is mainly caused by the geometrical unsharpness.

Η παρούσα εργασία βασίστηκε πάνω στο λογισμικό προσομοίωσης BreastSimulator που αναπτύχθηκε στην μονάδα Βιοϊατρικής Τεχνολογίας του εργαστηρίου Ιατρικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Πατρών. Το συγκεκριμένο πρόγραμμα προσομοίωσης αναφέρεται πρώτη φορά το 2002 και από τότε συνεχώς γίνονται προσπάθειες βελτίωσής του ως προς την ρεαλιστικότητα των μαστογραφικών εικόνων που αυτό παράγει. Η τελευταία έκδοση του εισάγει μια καινοτομία ως προς την παραγωγή του μαστογραφικού υποστρώματος με έναν νέο αλγόριθμο ο οποίος στην συγκεκριμένη εργασία συγκρίνεται και αξιολογείται από γιατρούς ακτινολόγους ως περισσότερο ρεαλιστικός σε σχέση με τον προηγούμενο. Η καινοτομία που εισάγει ο νέος αλγόριθμος σε σχέση με έναν προγενέστερο του εργαστηρίου μας οποία αφορά στο μαστογραφικό υπόστρωμα, το οποίο αποτελεί το σύνολο του λιπώδους, ινώδους και συνδετικού ιστού οι οποίοι δεν είναι σαφώς μοντελοποιημένοι όπως τα υπόλοιπα ανατομικά στοιχεία. Στον νέο αλγόριθμο το μαστογραφικό υπόστρωμα μοντελοποιείται εξαρχής ως τρισδιάστατο, στοιχείο ιδιαίτερα σημαντικό για την βελτίωση του αποτελέσματος προσομοίωσης μαστογραφικής εικόνας που πλέον είναι πολύ περισσότερο ρεαλιστική. Ο στόχος της εργασίας αυτής ήταν η παραγωγή ψηφιακών, «εικονικών» μοντέλων μαστού με τη χρήση του BreastSimulator με ρεαλιστικό αποτέλεσμα. Μετά την διαδικασία παραγωγής των μοντέλων μαστού, έγινε προσομοίωση της μαστογραφικής λήψης αυτών και είχε ως αποτέλεσμα την παραγωγή μαστογραφικών εικόνων χωρίς συμπίεση του μαστού. Με τον βελτιωμένο αλγόριθμο προσομοίωσης παρήχθησαν μοντέλα μαστού διαφόρων μεγεθών και πυκνοτήτων. Οι παράμετροι των πιο ρεαλιστικών μοντέλων συγκεντρώθηκαν σε μια βάση δεδομένων στην οποία μπορούν να ανατρέξουν μελλοντικοί χρήστες του λογισμικού για πειραματικές μελέτες. Τα αποτελέσματα της σύγκρισης δείχνουν ότι οι εικόνες που παρήχθησαν με τον νέο αλγόριθμο προσομοίωσης του μαστογραφικού υποστρώματος υπερέχουν σαφώς του προγενέστερου ως προς τη ρεαλιστικότητα. Οι εικόνες από τον νέο αλγόριθμο αξιολογήθηκαν συνολικά κατά μέσο όρο σε ποσοστό περίπου 80% ως ρεαλιστικές και πολύ ρεαλιστικές, ενώ σε ποσοστό 20% αξιολογήθηκαν ως μη ρεαλιστικές. Οι εικόνες του προηγούμενου αλγορίθμου αξιολογήθηκαν αντίστοιχα με ποσοστό 10% ως ρεαλιστικές και πολύ ρεαλιστικές και 90% ως μη ρεαλιστικές. Ακόμα αναλύεται το μοντέλο προσομοίωσης, η διαδικασία παραγωγής της βάσης δεδομένων, η διαδικασία αξιολόγησης από ομάδα γιατρών, ενώ αναφέρεται η σημασία της μαστογραφίας σαν κορυφαία προληπτική εξέταση για την έγκαιρη διάγνωση του καρκίνου του μαστού και η σημασία της προσομοίωσης αυτής της εξέτασης. / The current master thesis was based on the software simulation named BreastSimulator which was developed in the unit of Biomedical engineering of the Medical Physics laboratory at the University of Patras. This particular simulation program refers for the first time in 2002. Since then, there have been continuous improvements of the program in order to produce realistic mammographic images. The key improvement of the last edition of BreastSimulator is the development of a new algorithm for 3D background texture creation which was evaluated by radiologists as more realistic than the previous one. The innovation introduced by the new algorithm compared to a previous one of our laboratory is about the modeling of the mammographic background, which simulates the presence of adipose, fibrous and connective tissues as well as other non-glandular tissue types that are not explicitly modeled. The optimized methodology is an evolution of a previously presented 3D non compressed breast modeling method which now produces more realistic mammographic images. The objective of this work was the production of digital, ' virtual ' breast models using BreastSimulator with realistic outcome. After having modeled the breast phantoms, a simulation of irradiation was done and as a result of this process we produced mammographic images. Using the improved algorithm simulation we produced breast models of various size and composition. The optimum parameters of the most realistic models were collected in a database in which future users can refer for experimental studies. Comparing the images produced by the new algorithm to the images from the previous one shows that the new algorithm for mammographic texture is superior compared to the old approach in terms of similarity with real mammograms. The images from the new algorithm were evaluated from the experienced radiologists approximately 80% as a realistic and very realistic and 20% as unrealistic, while the images of the previous one were evaluated 10% as a realistic and very realistic and 90% as unrealistic. Additionally, there are some details about the breast model simulation, the process of creating the database and the evaluation process by a group of 5 doctors. The importance of mammography as the leading preventive examination for early detection of breast cancer is highlighted as well as the significance of the simulation of this medical imaging examination.

Στις αρχές της δεκαετίας του 80 μια νέα εποχή ξεκινά για την Μαστογραφία και τον καρκίνο του Μαστού, με τη χρήση της τεχνικής "χαμηλής δόσης Μαστογραφίας", τη σωστή ενημέρωση των γυναικών για την πρόληψη του καρκίνου του μαστού και την εφαρμογή του πληθυσμιακού ελέγχου σε ασυμπτωματικές γυναίκες, με συνέπεια να αυξήσουν τον αριθμό των μη-ψηλαφητών και μη ψηλαφητών καρκίνων μαστού που διαγιγνώσκονται σε πρώιμα στάδια (0, Ι, ΙΙ, ΙΙΙΑ κλπ) με καλλίτερη πρόγνωση και θεραπεία. Προηγούμενες κλινικές μελέτες προσπάθησαν να συσχετίσουν τα ακτινολογικά με τα ιστολογικά χαρακτηριστικά του καρκίνου του μαστού αλλά δεν κατάφεραν να αναδείξουν σημαντικές διαφορές όσον αφορά τα ιστολογικά και βιολογικά χαρακτηριστικά μεταξύ των συμπωματικών και των μαστογραφικά εντοπιζόμενων μη ψηλαφητών καρκινωμάτων του μαστού . Επιπλέον, αρκετοί ερευνητές φαίνεται να καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι τα καλά προγνωστικά χαρακτηριστικά των καρκινωμάτων του μαστού που αναδεικνύονται με την προληπτική μαστογραφία σχετίζονται άμεσα ή έμμεσα με την επίδραση βιολογικών παραγόντων. Σκοπός της παρούσας μελέτης είναι η ανάδειξη των δεικτών που σχετίζονται με την μαστογραφική απεικόνιση της κακοήθων ογκόμορφων αλλοιώσεων ψηλαφητών και μη και της επιθετικότητας της νόσου. Μελετήθηκαν συνολικά πεντακόσιες εβδομήντα τέσσερεις ογκόμορφες αλλοιώσεις ψηλαφητές ή μη του μαστού σε πεντακόσιες εβδομήντα ασθενείς που εντοπίστηκαν κατά τη διάρκεια του μαστογραφικού ελέγχου στο εργαστήριο μας κατά την περίοδο 1994- 2004. Όλοι οι ασθενείς υποβλήθηκαν σε βιοψία δια λεπτής βελόνης (FNA) ή κατευθυνόμενη από με μαστογραφία χειρουργική βιοψία. Η ιστολογική εξέταση ανέδειξε 410/574 (71,4%) κακοήθεις ογκόμορφες αλλοιώσεις και 164/574 (28,5%) καλοήθεις. Ανοσοϊστοχημεία πραγματοποιήθηκε σε τομές παραφίνης σε 390 από τις 410 κακοήθεις αλλοιώσεις χρησιμοποιώντας μία ποικιλία μονοκλωνικών και πολυκλωνικών αντισωμάτων ενάντια στις εξής πρωτεϊνες: ER, PR, p53, HER-2,Ki 67 και KATH D. Οι κακοήθεις ογκόμορφες αλλοιώσεις ταξινομήθηκα από την Μαστογραφική τους απεικόνιση (σύμφωνα Breast Imaging Reporting and Dada System BI RADS) σε τρείς κατηγορίες : στην κατηγορία Β (οι αστεροειδείς κακοήθεις ογκόμορφες αλλοιώσεις) ήταν το (44,8%), στην κατηγορία Α (οι άτονες με ασαφή ή εν μέρει ασαφή όρια) το 36% και στην κατηγορία Γ (σκιάσεις και αποτιτανώσεις) που ήταν 18,2% όλων των κακοήθων ογκόμορφων αλλοιώσεων. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων μεταξύ της μαστογραφικής απεικόνισης των κακοήθων ογκόμορφων αλλοιώσεων και των ιστολογικών και βιολογικών χαρακτηριστικών των ανέδειξε : Σημαντική συσχέτιση της μαστογραφικής απεικόνισης με το μέγεθος των ογκόμορφων αλλοιώσεων (p=0.01<0.05). Σημαντική συσχέτιση με το βαθμό διαφοροποιήσεως της κακοήθειας (p=0.005<0.05). Σημαντική συσχέτιση με την έκφραση των πρωτεϊνών p53 (p=0.015) και Ki -67( p=0.02). Δεν παρατηρήθηκε σημαντική συσχέτιση της απεικόνισης των ογκόμορφων αλλοιώσεων με την ηλικία των ασθενών (p=0.08>0.05), με την ανίχνευση πυρηνικής θετικότητας για τους οιστρογονικούς (ER) και τους προγεστερονικούς(PR) υποδοχείς (p =0.4>0.05) καθώς και με τις πρωτεΐνες HER-2. και KATH D. Επίσης παρατηρήθηκε οριακή συσχέτιση στην απεικόνιση των κακοήθων ογκόμορφων αλλοιώσεων και των λεμφαδένων. Συμπερασματικά βρήκαμε ότι η κατηγορία Β με τις αστεροειδείς ογκόμορφες αλλοιώσεις είχε ευνοϊκότερη επίδραση από τ η κατηγορία Α με τις άτονες με ασαφή ή εν μέρει ασαφή όρια και με τις ογκομορφές αλλοιώσεις και αποτιτανώσεις (κατηγορία Γ). Οι άτονες με ασαφή ή με εν μέρει ασαφή όρια κακοήθεις ογκόμορφες αλλοιώσεις(κατηγορία Α) σχετίζονται με χαμηλής διαφοροποίηση κακοήθεια (grade 3) με υπερέκφραση του p53 και Ki -67 και με αρνητικούς υποδοχείς (PR και ER). Οι όγκοι αυτοί είναι μεγάλοι όγκοι με ίδια πολλές φορές μαστογραφική απεικόνιση με εκείνη των καλοηθών ογκόμορφων αλλοιώσεων. / At the beginning of 80 a new era for the Mammography and the breast cancer started with the use of the technique "low dose Mammography", with the correct information of women for the prevention of the breast cancer and the application of mass screening in asymptomatic women, with the result to increase the number of palpable and no- palpable breast cancers diagnosed in early stages (0,I,II,IIIA etr) with better prognosis and therapy. Previous clinical studies have attempted to correlate the radiological with the histological characteristics of breast cancer but did not succeed to show significant differences as for us the histological and biological characteristics among the symptomatic and the mammographically localized non- palpable breast cancers. Furthermore, many investigators see to conclude that the best prognostic characteristics of breast cancers that are identified with the preventive mammography are directly or indirectly related by the effect of biological factors. The aim of the present study is to mark out indicators that are related with the mammographic appearance of malignant palpable and no- palpable lesions and the aggressiveness of disease. In total five hundred seventy four palpable and no- palpable breast lesions have been studied in five hundred seventy patients that were localized during the mammographic screening in our department, between 1994 to 2004. All the patients were subjered to line needle biopsy (FNA) or mammographically guided open surgical biopsy. Histological examination showed 410/574 (71.4%) malignant lesions and 164/574 (28.5%) benign lesions. Immunohistochemistry was performed in paraffin sections in 390 of 410 malignant lesions using a variety of monoclonal and polyclonal antibodies against the following proteins ER,PR, P53, HER-2, Ki67and KATH D. The malignant lesions were classified from their mammographic appearance (according to Breast Imaging Reporting and Dada System BI RADS) in three categories: category A (lesions with poorly defined or partially poorly defined margins)were 36%, category B (speculated malignant lesions) were 44.8% and category C (lesions wih calcifications) were 18.2% of all malignant lesions. The analysis of our results between the mammographic appearance of the malignant lesions and their histological and biological characteristic showed the following: 1) Significant correlation existed between the mammographic appearance and the size of the lesions (p=0.01<0.05). 2) Significant correlation existed with the degree of differentiaton of malignancy (p=0.005<0.05). 3) Significant correlation existed with over expression of proteins P53 (p=0.015). and Ki- 67 (p=0.02). No significant correlation was observed between the appearance of lesins with the age of the patients (p=0.08>0.05), with the detection of nuclear positivity of the estrogens (ER) and progesterone (PR) receptors (p=0.4>0.05) and also with the proteins HER-2 and KATH D. Furthermore a bode line correlation was observed between the appearance of the malignant lesions and lymph notes. In summary, it was found that the category B patients with the speculated lesions had a more favorable effect than category A with the poorly defined or partially poorly defined limits, and the category C lesions with calcifications. The poorly defined or partially poorly defined limits malignant lesions (category A) are related with low grade malignancy (grade 3, with over expression of P53 and Ki-67 and with negative receptors (PR and ER). These are large size lesions and are difficulty diagnosed from benign lesions.

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