No description available.

Οι καρδιαγγειακές παθήσεις αποτελούν σήμερα την πρώτη αιτία θανάτου στις αναπτυγμένες χώρες. Οι αιτίες που τις προκαλούν συνδέονται πολύ συχνά με τις ιδιότητες και την γενική κατάσταση των τοιχωμάτων των μεγάλων αρτηριών. Η υπερηχητική απεικόνιση των τελευταίων είναι εξαιρετικά σημαντική για τη διάγνωση πιθανών παθολογικών καταστάσεων, καθώς χαρακτηρίζεται από χαμηλό κόστος και ελάχιστη επιβάρυνση για τον οργανισμό του ασθενούς, ενώ μπορεί να πραγματοποιείται σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, οι υπερηχητικές τεχνικές απεικόνισης επιτρέπουν την παρακολούθηση της κίνησης των αρτηριακών τοιχωμάτων, από την οποία μπορούν να εξαχθούν αρκετά ασφαλή συμπεράσματα για την κατάστασή τους. Για την παρακολούθηση της κίνησης των αρτηριακών τοιχωμάτων έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες μέθοδοι, με κυριότερες αυτές που βασίζονται στο φαινόμενο Doppler (Tissue Doppler Imaging), τις διαφορικές μεθόδους οπτικής ροής και τις μεθόδους ταύτισης περιοχών (block matching). Οι μέθοδοι Doppler είναι εξαιρετικά ακριβείς, μόνο όμως κοντά στη διεύθυνση της υπερηχητικής δέσμης. Οι μέθοδοι οπτικής ροής μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διδιάστατες απεικονίσεις με αρκετά ικανοποιητική ακρίβεια, αδυνατούν ωστόσο να παρακολουθήσουν μεγάλες μετατοπίσεις. Από την άλλη πλευρά, οι μέθοδοι ταύτισης περιοχών δεν παρουσιάζουν τα παραπάνω προβλήματα, υστερούν όμως σε ακρίβεια. Μια σχετικά νέα τεχνική με ευρεία εφαρμογή στην ιατρική απεικόνιση είναι τα ενεργά περιγράμματα (active contours). Πρόκειται για παραμετρικές καμπύλες που κινούνται στο επίπεδο της εικόνας έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται ένα ενεργειακό συναρτησιακό και επιτρέπουν την ανίχνευση αντικειμένων στην εικόνα. Στις κλασικές μεθόδους των ενεργών περιγραμμάτων, η αρχική καμπύλη πρέπει να ορίζεται κοντά στο προς ανίχνευση αντικείμενο. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος αυτού έχουν προταθεί διάφορες βελτιώσεις του κλασικού μοντέλου των ενεργών περιγραμμάτων, όπως η εισαγωγή της λεγόμενης «δύναμης μπαλονιού». Τα ενεργά περιγράμματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για παρακολούθηση κίνησης σε ακολουθίες εικόνων, καθώς μπορούν να προσαρμόζονται στα εξέχοντα χαρακτηριστικά των κινούμενων δομών. Ωστόσο, στην υπερηχητική απεικόνιση των αρτηριακών τοιχωμάτων, η περιπλοκότητα της κίνησής τους και ο έντονος θόρυβος καθιστούν ιδιαίτερα δύσκολη την άμεση εφαρμογή των ενεργών περιγραμμάτων για την παρακολούθηση κίνησης. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι ο συνδυασμός των ενεργών περιγραμμάτων και των μεθόδων ταύτισης περιοχών για την αυτοματοποίηση της παρακολούθησης κίνησης σε ακολουθίες εικόνων των τοιχωμάτων αρτηριών (συγκεκριμένα της καρωτιδικής και της βραχιακής) και για τη βελτίωση της επαναληψιμότητας των σχετικών μετρήσεων. Αρχικά, εφαρμόστηκαν οι μέθοδοι ταύτισης περιοχών ενός επιπέδου (Single Level Block Matching) και πολλών επιπέδων (Multilevel Block Matching) για την παρακολούθηση της κίνησης των αρτηριακών τοιχωμάτων από ακολουθίες εγκάρσιων τομών της καρωτιδικής και της βραχιακής αρτηρίας. Μια κλειστή καμπύλη ορίστηκε από το χρήστη στο πρώτο πλαίσιο της ακολουθίας, έτσι ώστε να αντιστοιχεί κατά προσέγγιση στο περίγραμμα των ορίων του αρτηριακού τοιχώματος και καταγράφηκε η επιφάνεια που περικλείεται από την καμπύλη αυτή κατά τη διάρκεια ενός καρδιακού κύκλου. Η μετατόπιση των σημείων της καμπύλης από πλαίσιο σε πλαίσιο εκτιμήθηκε με τις μεθόδους ταύτισης περιοχών. Η μορφή της γραφικής παράστασης της επιφάνειας αυτής σε συνάρτηση με το χρόνο (δηλαδή τον αριθμό του πλαισίου) αποτελεί έναν πολύ καλό δείκτη της κατάστασης της αρτηρίας. Η αυτοματοποίηση της διαδικασίας λήψης των παραπάνω μετρήσεων μπορεί να επιτευχθεί αν η επιλογή της αρχικής κλειστής καμπύλης δεν βασίζεται στην εκτίμηση του χρήστη αλλά στην ανίχνευση των τοιχωμάτων με ενεργά περιγράμματα. Το κλασικό μοντέλο των ενεργών περιγραμμάτων και το μοντέλο της «δύναμης μπαλονιού» εφαρμόστηκαν για αυτό το σκοπό στο πρώτο πλαίσιο των ακολουθιών εικόνων των αρτηριών. Διαπιστώθηκε ότι το μοντέλο της δύναμης μπαλονιού δίνει ικανοποιητικά αποτελέσματα ανίχνευσης των αρτηριακών τοιχωμάτων και μάλιστα με ικανοποιητική επαναληψιμότητα, καθώς το αποτέλεσμα της ανίχνευσης δεν διαφοροποιούνταν σημαντικά από την επιλογή της αρχικής κλειστής καμπύλης του ενεργού περιγράμματος, αρκεί η ακτίνα της τελευταίας να είναι τέτοια ώστε η καμπύλη να βρίσκεται εξ ολοκλήρου στο εσωτερικό της αρτηρίας. Στη συνέχεια, η καμπύλη που προέκυψε από την ανίχνευση των τοιχωμάτων χρησιμοποιήθηκε ως αρχική καμπύλη για την παρακολούθηση κίνησης με τις μεθόδους ταύτισης περιοχών. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν δεν διαφέρουν σημαντικά σε σχέση με την περίπτωση όπου ο ορισμός της καμπύλης στο πρώτο πλαίσιο γίνεται από το χρήστη. Συνεπώς, η ανίχνευση των αρτηριακών τοιχωμάτων με ενεργά περιγράμματα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να βελτιώσει την επαναληψιμότητα των μετρήσεων για την παρακολούθηση κίνησης και να συμβάλει στην αυτοματοποίηση της διαδικασίας λήψης τους. / Cardiovascular diseases are the leading cause of death today in developed countries. Their causes are very frequently related with the status of artery walls. Ultrasonic imaging is very important for the diagnosis of possible arterial pathology, because it is of low cost, safe for the patient and can be performed in real time. Ultrasonic imaging also allows arterial wall motion tracking, which can provide critical diagnostic information. Motion tracking methods include Tissue Doppler Imaging (TDI), differential optical flow methods and block matching. Tissue Doppler Imaging offers excellent accuracy, restricted however to directions close to the direction of the ultrasonic beam. Optical flow methods can be used in two dimensions with considerable accuracy, but they fail in cases of fast moving structures. In the case of block matching, no such problems have to be dealt with, however with significant cost in accuracy. Active contours, a relatively new technique widely used in medical imaging, are parameterized curves moving on the image plane in order to minimize an energy functional and allowing object detection. Classical active contour methods require that the initial curve of the model is defined close to the object to be detected. In order to avoid this, several techniques have been proposed, such as the so-called “balloon force”. Active contours can also be used for motion tracking in series of image frames, provided that they can fit to salient features of moving structures. In arterial wall ultrasonic imaging however, motion complexity and noise obstruct motion tracking with active contours. In the current study active contours and block matching methods are combined to improve reproducibility of motion tracking measurements in series of artery wall images (namely for the carotid and brachial artery). Single level and multilevel block matching methods were used for artery wall motion tracking. A closed curve was defined by the user in the first frame of the image series, both for the carotid and brachial artery. This curve is a rough estimation of the arterial wall contour. The area enclosed by the curve is recorded throughout a cardiac cycle. Curve movement is estimated with block matching methods. The graph pattern of enclosed area versus time (i.e. frame number) is a very good indicator for the status of the artery. The above process can be automatized if the initial closed curve is produced by object detection with active contours and not by estimation. The active contours classical model and the balloon force model were used for artery wall detection in the first frame of the artery image series. The balloon force model yielded satisfactory wall detection results with considerable reproducibility. The choice of the dimensions of the initial contour of the model did not affect the final result considerably, provided that the initial contour is fully placed inside the arterial lumen. The curve that resulted from object detection was used to initialize the motion tracking process with block matching methods. In this way, similar motion tracking results can be obtained for the artery image series, but with much improved reproducibility.

The goal of this thesis is to develop a hybrid _nite element formulation to carry out stress analysis of arteries. To the best of our knowledge, a hybrid _nite element impel mentation of the Holzapfel-Ogden artery model has not been carried out before. Since arteries are thin `shell-type' structures, they are subjected to membrane, shear and volumetric locking in case when standard _nite elements are used. Since hybrid _nite elements are known to overcome these problems, we develop hybrid hexahedral element formulations (both lower and higher-order) for artery analysis. We demonstrate The better coarse mesh accuracy of hybrid elements, which are based on a two-_eld variational formulation, over conventional displacement based elements. Typically, wend that three or four extra levels of renement are required with conventional elements to achieve the ame accuracy as hybrid elements. The recently proposed Holzapfel-Ogden constitutive model for the artery and its implementation both within the conventional and hybrid _nite element frameworks is discussed. The numerical implementation is particularly challenging due to the presence of _bers which can only take tensile loads. The mathematically exact tangent stiness matrix that we have derived in this work is crucial in ensuring convergence of the numerical strategy.