This thesis considers the effects of Picture Archive and Communications Systems (PACS), on both patient radiation doses and patient management. PACS is a relatively new technology which acquires, transmits, and stores radiological images digitally. This thesis investigates the doses which are required to produce radiographic images which are acceptable to radiologists and referring clinicians, and compares these doses with those required for the film/screen systems which they are replacing. A review of the literature shows that despite claims of dose reductions, very little good evidence exists about dose changes with the introduction of PACS. A comparison of images of test objects indicates that the images are comparable under limited conditions, that PACS has a much wider latitude than film (>250 mAs), and that contrast detail improves with increase in exposure. Two original observational studies are described in which PACS and film doses are compared for examinations of two groups of adult patients. The results indicate that the doses for PACS equate to those used with a 300 speed film/screen system thus necessitating dose increases of around 30% for the majority of adult patients in the UK. The issue of whether the number of images which are repeated, with additional patient doses, due to unsatisfactory images (rejected images), or unavailability of the images when clinically required (lost images), is addressed and indicates that PACS may allow a dose saving of 1.1 % and 1.4% respectively. The overall result of these studies indicates that the widespread introduction of PACS is likely to increase population doses. Two original studies which consider patients within the Accident and Emergency department are described. These studies aim to produce evidence to justify the introduction of the new technology, despite higher radiation doses, by identifying improvements in patient management which might improve patient outcomes. The results of these studies provide little evidence of such benefits to patients. This thesis concludes that the use of current PAC systems produces an increase in the radiation dose to the adult population in the UK, without demonstrable improvements in patient management.

This investigation dealt with locating and measuring x-ray absorption of radiographic images. The methods developed provide a fast, accurate, minicomputer control, for analysis of embedded objects. A PDP/8 computer system was interfaced with a Joyce Loebl 3CS Microdensitometer and a Leeds & Northrup Recorder. Proposed algorithms for bone location and data smoothing work on a twelve-bit minicomputer. Designs of a software control program and operational procedure are presented. The filter made wedge and limb scans monotonic from minima to maxima. It was tested for various convoluted intervals. Ability to resmooth the same data in multiple passes was tested. An interval size of fifteen works well in one pass.

A osteoartrite (OA) de joelho é uma doença multifatorial que acomete pessoas a partir da terceira década de vida, mas com maior incidência em idosos. Sua classificação é feita baseado em parâmetros clínicos e qualitativos durante uma intervenção médica. Nos casos mais avançados, a cirurgia de artroplastia de joelho envolve não apenas a substituição da articulação por uma prótese, mas também o realinhamento dos segmentos do membro inferior. Nesse caso há a necessidade de uma abordagem mais quantitativa na busca do reposicionamento desta articulação em relação ao eixo de suporte da carga corporal (ESCC). O objetivo deste estudo foi desenvolver uma metodologia de análise que possibilitasse quantificar uma série de parâmetros estruturais e funcionais a partir de imagens da raios-X em sujeitos saudáveis, assintomáticos para OA e em sujeitos com diagnóstico de OA de joelho. Este estudo utilizou-se da classificação adotada por Dejour (1991) para a classificação dos sujeitos em grupos com diferentes graus de OA. A amostra foi constituída de sujeitos de 25 a 80 anos com níveis de grau 1, grau 2 e grau 3 de OA. Além da classificação nos graus, os sujeitos foram separados pela presença ou não de dor em assintomáticos (OA sem dor) e sintomáticos (OA com dor). Imagens de raios-X foram obtidas do membro inferior dos sujeitos. Previamente à obtenção das imagens, um sistema de calibração foi construído com o objetivo de identificar possíveis erros de medidas e corrigi-los. Além disso, o sistema de calibração também foi utilizado na definição exata da metodologia a ser utilizada na obtenção dos exames radiográficos a fim de que a quantificação dos parâmetros estruturais e funcionais de cada membro inferior não apresentasse fatores intervenientes que pudessem mascarar os resultados obtidos de cada imagem digital, possibilitando também a comparação entre os indivíduos. Após a identificação dos fatores de correção das imagens digitais, um programa foi desenvolvido na plataforma Matlab para a identificação das variáveis geométricas dos membros inferiores. Além disso, também foi desenvolvida uma rotina matemática que permitiu calcular, por meio da de decomposição de vetores de força, as cargas que atravessavam cada articulação do joelho. Com estas informações foi possível comparar as variáveis geométricas dos membros inferiores entre os diferentes níveis de OA e também observar por meio de três modelos matemáticos qual a influência destas variáveis no mínimo espaço intra-articular medial (MEIAM), na força no compartimento medial (FCM) e nas estruturas contra-laterais a este compartimento, como o ligamento colateral lateral e trato iliotibial, neste trabalho denominados de força P. Os principais resultados obtidos no presente estudo foram: (1) o desenvolvimento de uma metodologia de calibração de imagens digitais capaz de reduzir os efeitos da ampliação da imagem, corrigindo os valores ampliados aproximando-os dos valores reais; (2) Foi observado que o desalinhamento dos membros inferiores avaliado pelo ângulo que representa a relação entre o quadril, joelho e tornozelo (QJT) tem influência na OA de joelho, assim como o ângulo entre os platôs condilares do fêmur e da tíbia (PC). Visto que quanto maior estes ângulos, menor o mínimo espaço intra - articular medial (MEIAM) e maior os graus de OA. 3) Quando avaliado as variáveis geométricas dos membros inferiores em um teste de regressão linear múltipla, para saber a influência na força do compartimento medial (FCM), na força do ligamento colateral lateral e tracto iliotibial (força P) e no MEIAM, o QJT teve maior poder explicativo tanto para as cargas como o MEIA, confirmando a teoria mecânica. Entretanto o ângulo do colo do fêmur (ACF), apesar de uma baixa participação (6%) que mostrou um grau de importância significativo nos modelos de carga do compartimento e do MEIAM. Assim, embora nós saibamos que os segmentos inferiors ajustam-se mecanicamente em relação a carga, foi observado que o desalinhamento dos membros inferiores é um fator de risco mais importante entre todas as variáveis para o desenvolvimento da OA. / Knee osteoarthritis (OA) is a multifactorial disease that affects people from the third decade of life, but with higher incidence in the elderly. Its classification is based on clinical and qualitative parameters during a medical intervention. In more advanced cases of OA, knee arthroplasty involves not only joint replacement with prosthesis, but also the realignment of the lower limb segments. In this case, there is a need for a more quantitative approach in the pursuit of the joint repositioning in relation to the load bearing axis (LBA). The aim of this study was to develop a methodology that would enable the quantification of a number of structural and functional parameters, using X-ray images, in healthy subjects, asymptomatic for OA and subjects diagnosed with knee OA. This study used the classification adopted by Dejour (1991) to classify the subjects into groups with different degrees of OA. The sample consisted of subjects between 25 and 80 years old, classified with levels 1, 2 and 3 of OA. Besides this classification, subjects were separated by the presence or absence of pain into asymptomatic (OA without pain) and symptomatic (OA with pain). Radiographic images of the lower limb were obtained of the subjects. Prior to obtaining the images, a calibration system was built to identify possible measurement errors and correct them. In addition, the calibration system was also used to define the exact methodology to be used to obtain the images, so that the quantification of structural and functional parameters of each lower limb did not present intervening factors that might mask the results, allowing also the comparison between individuals. After identifying the correction factors of the digital images, a Matlab routine was developed to identify the geometric variables of the lower limbs. In addition, this routine also allowed the calculation, through the decomposition of force vectors, of the loads that cross each knee joint. With this information, it was possible to compare the geometric variables of the lower limbs between different levels of OA and also observe, by means of three mathematical models, the influence of these variables on the medial intra-articular minimum space, on the force in the medial compartment (FMC) and on the contra-lateral structures in this compartment, such as the lateral collateral ligament and the iliotibial tract, called, in this work, P force. The main results of this study were: (1) the development of a calibration methodology for digital images capable of reducing the effects of image magnification, adjusting the values closer to real values; (2) the observation that the misalignment of the lower extremities, evaluated by the angle that represents the relationship between hip, knee and ankle (HKA), has an influence on knee OA, as well as the angle between the condyle plateaus of the femur and the tibia. The larger this angle is, smaller is the medial intra-articular minimum space, and higher are the levels of OA; (3) when evaluating the geometric variables of the lower limbs in a multiple linear regression test, to identify the influence of these variables on the force of the medial compartment (FMC), on the force of the lateral collateral ligament and the iliotibial tract (indicated here as P force) and on the MIAMS it was possible to observe that the HKA showed larger explanatory power for the loads as the MIAMS, confirming the mechanical theory. However, for the angle of the femoral neck (AFN), despite a lower power to explain the dependant variables (only 6%), it still showed a significant importance in the load compartment models and MIAMS. Thus, although we know that the segments adapt or mechanically adjust in response to load, it seems that the lower limb segments alignment is the most important factor amongst all variables as a risk factor for the development of knee OA.

A osteoartrite (OA) de joelho é uma doença multifatorial que acomete pessoas a partir da terceira década de vida, mas com maior incidência em idosos. Sua classificação é feita baseado em parâmetros clínicos e qualitativos durante uma intervenção médica. Nos casos mais avançados, a cirurgia de artroplastia de joelho envolve não apenas a substituição da articulação por uma prótese, mas também o realinhamento dos segmentos do membro inferior. Nesse caso há a necessidade de uma abordagem mais quantitativa na busca do reposicionamento desta articulação em relação ao eixo de suporte da carga corporal (ESCC). O objetivo deste estudo foi desenvolver uma metodologia de análise que possibilitasse quantificar uma série de parâmetros estruturais e funcionais a partir de imagens da raios-X em sujeitos saudáveis, assintomáticos para OA e em sujeitos com diagnóstico de OA de joelho. Este estudo utilizou-se da classificação adotada por Dejour (1991) para a classificação dos sujeitos em grupos com diferentes graus de OA. A amostra foi constituída de sujeitos de 25 a 80 anos com níveis de grau 1, grau 2 e grau 3 de OA. Além da classificação nos graus, os sujeitos foram separados pela presença ou não de dor em assintomáticos (OA sem dor) e sintomáticos (OA com dor). Imagens de raios-X foram obtidas do membro inferior dos sujeitos. Previamente à obtenção das imagens, um sistema de calibração foi construído com o objetivo de identificar possíveis erros de medidas e corrigi-los. Além disso, o sistema de calibração também foi utilizado na definição exata da metodologia a ser utilizada na obtenção dos exames radiográficos a fim de que a quantificação dos parâmetros estruturais e funcionais de cada membro inferior não apresentasse fatores intervenientes que pudessem mascarar os resultados obtidos de cada imagem digital, possibilitando também a comparação entre os indivíduos. Após a identificação dos fatores de correção das imagens digitais, um programa foi desenvolvido na plataforma Matlab para a identificação das variáveis geométricas dos membros inferiores. Além disso, também foi desenvolvida uma rotina matemática que permitiu calcular, por meio da de decomposição de vetores de força, as cargas que atravessavam cada articulação do joelho. Com estas informações foi possível comparar as variáveis geométricas dos membros inferiores entre os diferentes níveis de OA e também observar por meio de três modelos matemáticos qual a influência destas variáveis no mínimo espaço intra-articular medial (MEIAM), na força no compartimento medial (FCM) e nas estruturas contra-laterais a este compartimento, como o ligamento colateral lateral e trato iliotibial, neste trabalho denominados de força P. Os principais resultados obtidos no presente estudo foram: (1) o desenvolvimento de uma metodologia de calibração de imagens digitais capaz de reduzir os efeitos da ampliação da imagem, corrigindo os valores ampliados aproximando-os dos valores reais; (2) Foi observado que o desalinhamento dos membros inferiores avaliado pelo ângulo que representa a relação entre o quadril, joelho e tornozelo (QJT) tem influência na OA de joelho, assim como o ângulo entre os platôs condilares do fêmur e da tíbia (PC). Visto que quanto maior estes ângulos, menor o mínimo espaço intra - articular medial (MEIAM) e maior os graus de OA. 3) Quando avaliado as variáveis geométricas dos membros inferiores em um teste de regressão linear múltipla, para saber a influência na força do compartimento medial (FCM), na força do ligamento colateral lateral e tracto iliotibial (força P) e no MEIAM, o QJT teve maior poder explicativo tanto para as cargas como o MEIA, confirmando a teoria mecânica. Entretanto o ângulo do colo do fêmur (ACF), apesar de uma baixa participação (6%) que mostrou um grau de importância significativo nos modelos de carga do compartimento e do MEIAM. Assim, embora nós saibamos que os segmentos inferiors ajustam-se mecanicamente em relação a carga, foi observado que o desalinhamento dos membros inferiores é um fator de risco mais importante entre todas as variáveis para o desenvolvimento da OA. / Knee osteoarthritis (OA) is a multifactorial disease that affects people from the third decade of life, but with higher incidence in the elderly. Its classification is based on clinical and qualitative parameters during a medical intervention. In more advanced cases of OA, knee arthroplasty involves not only joint replacement with prosthesis, but also the realignment of the lower limb segments. In this case, there is a need for a more quantitative approach in the pursuit of the joint repositioning in relation to the load bearing axis (LBA). The aim of this study was to develop a methodology that would enable the quantification of a number of structural and functional parameters, using X-ray images, in healthy subjects, asymptomatic for OA and subjects diagnosed with knee OA. This study used the classification adopted by Dejour (1991) to classify the subjects into groups with different degrees of OA. The sample consisted of subjects between 25 and 80 years old, classified with levels 1, 2 and 3 of OA. Besides this classification, subjects were separated by the presence or absence of pain into asymptomatic (OA without pain) and symptomatic (OA with pain). Radiographic images of the lower limb were obtained of the subjects. Prior to obtaining the images, a calibration system was built to identify possible measurement errors and correct them. In addition, the calibration system was also used to define the exact methodology to be used to obtain the images, so that the quantification of structural and functional parameters of each lower limb did not present intervening factors that might mask the results, allowing also the comparison between individuals. After identifying the correction factors of the digital images, a Matlab routine was developed to identify the geometric variables of the lower limbs. In addition, this routine also allowed the calculation, through the decomposition of force vectors, of the loads that cross each knee joint. With this information, it was possible to compare the geometric variables of the lower limbs between different levels of OA and also observe, by means of three mathematical models, the influence of these variables on the medial intra-articular minimum space, on the force in the medial compartment (FMC) and on the contra-lateral structures in this compartment, such as the lateral collateral ligament and the iliotibial tract, called, in this work, P force. The main results of this study were: (1) the development of a calibration methodology for digital images capable of reducing the effects of image magnification, adjusting the values closer to real values; (2) the observation that the misalignment of the lower extremities, evaluated by the angle that represents the relationship between hip, knee and ankle (HKA), has an influence on knee OA, as well as the angle between the condyle plateaus of the femur and the tibia. The larger this angle is, smaller is the medial intra-articular minimum space, and higher are the levels of OA; (3) when evaluating the geometric variables of the lower limbs in a multiple linear regression test, to identify the influence of these variables on the force of the medial compartment (FMC), on the force of the lateral collateral ligament and the iliotibial tract (indicated here as P force) and on the MIAMS it was possible to observe that the HKA showed larger explanatory power for the loads as the MIAMS, confirming the mechanical theory. However, for the angle of the femoral neck (AFN), despite a lower power to explain the dependant variables (only 6%), it still showed a significant importance in the load compartment models and MIAMS. Thus, although we know that the segments adapt or mechanically adjust in response to load, it seems that the lower limb segments alignment is the most important factor amongst all variables as a risk factor for the development of knee OA.

A osteoartrite (OA) de joelho é uma doença multifatorial que acomete pessoas a partir da terceira década de vida, mas com maior incidência em idosos. Sua classificação é feita baseado em parâmetros clínicos e qualitativos durante uma intervenção médica. Nos casos mais avançados, a cirurgia de artroplastia de joelho envolve não apenas a substituição da articulação por uma prótese, mas também o realinhamento dos segmentos do membro inferior. Nesse caso há a necessidade de uma abordagem mais quantitativa na busca do reposicionamento desta articulação em relação ao eixo de suporte da carga corporal (ESCC). O objetivo deste estudo foi desenvolver uma metodologia de análise que possibilitasse quantificar uma série de parâmetros estruturais e funcionais a partir de imagens da raios-X em sujeitos saudáveis, assintomáticos para OA e em sujeitos com diagnóstico de OA de joelho. Este estudo utilizou-se da classificação adotada por Dejour (1991) para a classificação dos sujeitos em grupos com diferentes graus de OA. A amostra foi constituída de sujeitos de 25 a 80 anos com níveis de grau 1, grau 2 e grau 3 de OA. Além da classificação nos graus, os sujeitos foram separados pela presença ou não de dor em assintomáticos (OA sem dor) e sintomáticos (OA com dor). Imagens de raios-X foram obtidas do membro inferior dos sujeitos. Previamente à obtenção das imagens, um sistema de calibração foi construído com o objetivo de identificar possíveis erros de medidas e corrigi-los. Além disso, o sistema de calibração também foi utilizado na definição exata da metodologia a ser utilizada na obtenção dos exames radiográficos a fim de que a quantificação dos parâmetros estruturais e funcionais de cada membro inferior não apresentasse fatores intervenientes que pudessem mascarar os resultados obtidos de cada imagem digital, possibilitando também a comparação entre os indivíduos. Após a identificação dos fatores de correção das imagens digitais, um programa foi desenvolvido na plataforma Matlab para a identificação das variáveis geométricas dos membros inferiores. Além disso, também foi desenvolvida uma rotina matemática que permitiu calcular, por meio da de decomposição de vetores de força, as cargas que atravessavam cada articulação do joelho. Com estas informações foi possível comparar as variáveis geométricas dos membros inferiores entre os diferentes níveis de OA e também observar por meio de três modelos matemáticos qual a influência destas variáveis no mínimo espaço intra-articular medial (MEIAM), na força no compartimento medial (FCM) e nas estruturas contra-laterais a este compartimento, como o ligamento colateral lateral e trato iliotibial, neste trabalho denominados de força P. Os principais resultados obtidos no presente estudo foram: (1) o desenvolvimento de uma metodologia de calibração de imagens digitais capaz de reduzir os efeitos da ampliação da imagem, corrigindo os valores ampliados aproximando-os dos valores reais; (2) Foi observado que o desalinhamento dos membros inferiores avaliado pelo ângulo que representa a relação entre o quadril, joelho e tornozelo (QJT) tem influência na OA de joelho, assim como o ângulo entre os platôs condilares do fêmur e da tíbia (PC). Visto que quanto maior estes ângulos, menor o mínimo espaço intra - articular medial (MEIAM) e maior os graus de OA. 3) Quando avaliado as variáveis geométricas dos membros inferiores em um teste de regressão linear múltipla, para saber a influência na força do compartimento medial (FCM), na força do ligamento colateral lateral e tracto iliotibial (força P) e no MEIAM, o QJT teve maior poder explicativo tanto para as cargas como o MEIA, confirmando a teoria mecânica. Entretanto o ângulo do colo do fêmur (ACF), apesar de uma baixa participação (6%) que mostrou um grau de importância significativo nos modelos de carga do compartimento e do MEIAM. Assim, embora nós saibamos que os segmentos inferiors ajustam-se mecanicamente em relação a carga, foi observado que o desalinhamento dos membros inferiores é um fator de risco mais importante entre todas as variáveis para o desenvolvimento da OA. / Knee osteoarthritis (OA) is a multifactorial disease that affects people from the third decade of life, but with higher incidence in the elderly. Its classification is based on clinical and qualitative parameters during a medical intervention. In more advanced cases of OA, knee arthroplasty involves not only joint replacement with prosthesis, but also the realignment of the lower limb segments. In this case, there is a need for a more quantitative approach in the pursuit of the joint repositioning in relation to the load bearing axis (LBA). The aim of this study was to develop a methodology that would enable the quantification of a number of structural and functional parameters, using X-ray images, in healthy subjects, asymptomatic for OA and subjects diagnosed with knee OA. This study used the classification adopted by Dejour (1991) to classify the subjects into groups with different degrees of OA. The sample consisted of subjects between 25 and 80 years old, classified with levels 1, 2 and 3 of OA. Besides this classification, subjects were separated by the presence or absence of pain into asymptomatic (OA without pain) and symptomatic (OA with pain). Radiographic images of the lower limb were obtained of the subjects. Prior to obtaining the images, a calibration system was built to identify possible measurement errors and correct them. In addition, the calibration system was also used to define the exact methodology to be used to obtain the images, so that the quantification of structural and functional parameters of each lower limb did not present intervening factors that might mask the results, allowing also the comparison between individuals. After identifying the correction factors of the digital images, a Matlab routine was developed to identify the geometric variables of the lower limbs. In addition, this routine also allowed the calculation, through the decomposition of force vectors, of the loads that cross each knee joint. With this information, it was possible to compare the geometric variables of the lower limbs between different levels of OA and also observe, by means of three mathematical models, the influence of these variables on the medial intra-articular minimum space, on the force in the medial compartment (FMC) and on the contra-lateral structures in this compartment, such as the lateral collateral ligament and the iliotibial tract, called, in this work, P force. The main results of this study were: (1) the development of a calibration methodology for digital images capable of reducing the effects of image magnification, adjusting the values closer to real values; (2) the observation that the misalignment of the lower extremities, evaluated by the angle that represents the relationship between hip, knee and ankle (HKA), has an influence on knee OA, as well as the angle between the condyle plateaus of the femur and the tibia. The larger this angle is, smaller is the medial intra-articular minimum space, and higher are the levels of OA; (3) when evaluating the geometric variables of the lower limbs in a multiple linear regression test, to identify the influence of these variables on the force of the medial compartment (FMC), on the force of the lateral collateral ligament and the iliotibial tract (indicated here as P force) and on the MIAMS it was possible to observe that the HKA showed larger explanatory power for the loads as the MIAMS, confirming the mechanical theory. However, for the angle of the femoral neck (AFN), despite a lower power to explain the dependant variables (only 6%), it still showed a significant importance in the load compartment models and MIAMS. Thus, although we know that the segments adapt or mechanically adjust in response to load, it seems that the lower limb segments alignment is the most important factor amongst all variables as a risk factor for the development of knee OA.

The usage of deep learning algorithms such as Convolutional Neural Networks within the field of medical imaging has grown in popularity over the past few years. In particular, these types of algorithms have been used to detect abnormalities in chest x-rays, one of the most commonly performed type of radiographic examination. To try and improve the workflow of radiologists, this thesis investigated the possibility of using convolutional neural networks to create a lung triage to sort a bulk of chest x-ray images based on a degree of disease, where sick lungs should be prioritized before healthy lungs. The results from using a binary relevance approach to train multiple classifiers for different observations commonly found in chest x-rays shows that several models fail to learn how to classify x-ray images, most likely due to insufficient and/or imbalanced data. Using a binary relevance approach to create a triage is feasible but inflexible due to having to handle multiple models simultaneously. In future work it would therefore be interesting to further investigate other approaches, such as a single binary classification model or a multi-label classification model.

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