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 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.