Thesis (MScMedSC (Medical Imaging and Clinical Oncology. Nuclear Medicine))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: Single photon emission computed tomography (SPECT) with a superior contrast resolution has been shown to be more sensitive and specific with a lower nondiagnostic rate than planar imaging in many nuclear medicine studies but it is still not being routinely implemented in V/Q studies at many centres including Tygerberg Hospital. There are many studies on V/Q SPECT using Technegas as a ventilation agent but very limited studies available on 81m Kr gas. Aim: To clinically compare conventional planar and SPECT V/Q imaging using 81mKr gas in the diagnosis of pulmonary embolism, with CTPA as the gold standard. Patients and Methods: All patients referred with clinical suspicion of pulmonary embolism were assessed. The inclusion criteria were normal chest radiograph, normal renal function and no contrast allergy. Exclusion criteria were age below 18 years old, pregnancy, abnormal chest radiograph, abnormal serum creatinine/urea levels and unstable patients. A Well’s score was assigned to each enrolled patient. Perfusion scintigraphy was performed after intravenous injection 125 MBq of 99mTc MAA. Ventilation scintigraphy was performed with 81mKr gas. On a dual head camera, SPECT was done before planar acquisition, while perfusion was done before ventilation imaging in the same position. Planar V/Q images consisted of 6 standard views. All V/Q SPECT images were reconstructed using ordered-subset expectation-maximization (OSEM) algorithm and a post-reconstruction 3D Butterworth filters were applied. V/Q Planar and V/Q SPECT images were later evaluated and reviewed separately and reported based on recent EANM guidelines blinded to the CTPA results. All patients underwent multi-slice CTPA examinations on a 40-detector row scanner. The images were later assessed and reported blinded to the V/Q results. Statistical analysis was done using the Fisher exact test for comparison of categorical variables and the one-way ANOVA for continuous variables (p<0.05 was significant). Results: A total of 104 consecutive patients were referred with clinical suspicion of pulmonary embolism. Seventy-nine patients were excluded from this study mostly due to abnormal serum creatinine/urea levels. Only 25 patients were included in this study, with a mean age of 48 ± 19 years, and 64% being females. When compared to CTPA as gold standard, the prevalence of PE was 16% [5% – 37% at 95% CI], sensitivity 75% [21% – 99% at 95% CI], specificity 90% [68% – 98% at 95% CI], positive predictive value 60% [17% – 93% at 95% CI], negative predictive value 95% [73% – 100% at 95% CI] and diagnostic accuracy 88% [69% – 97%at 95% CI] for both V/Q Planar and SPECT. V/Q Planar showed a lower reader confidence i.e. could only clearly resolve 72% of cases compared to V/Q SPECT, which could precisely interpret all cases, showed more and better delineated mismatch vs match and segmental vs non-segmental defects. All patients who were scored as PE unlikely on Wells’ score (4) had PE ruled out on CTPA (p=0.04581) as well as 89% of patients on V/Q SPECT and V/Q Planar. Conclusion: Based on this study, V/Q Planar and V/Q SPECT have a similar diagnostic performance in patients with a normal or near normal chest X-rays. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Enkelfoton emissie rekenaartomografie (EFERT) met beter kontrasresolusie is bewys om meer sensitief en spesifiek met ‘n laer nie-diagnostiese opbrengs as planare beelding in verskeie kerngeneeskunde ondersoeke te wees. In Tygerberg Hospitaal, soos in verskeie ander sentra, word dit egter steeds nie roetineweg vir ventilasie-perfusiestudies (V/Q) geïmplementeer nie. Daar is verskeie EFERT V/Q studies met Technegas as ventilasie agens, maar beperkte studies met 81m Kr gas beskikbaar. Doel: Om konvensionele planare en EFERT V/Q beelding vir die diagnose van pulmonale embolisme met mekaar te vergelyk, met rekenaartomografie pulmonale angiografie (RTPA) as goue standaard. Pasiënte en Metodes: Alle pasiënte wat met ‘n kliniese vermoede van pulmonale embolisme verwys is, is geevalueer. Die insluitingskriteria was ’n normale borskas Xstraal, normale nierfunksie en geen kontrasallergie nie. Uitsluitingskriteria was pasiënte jonger as 18 jaar, swanger pasiënte, abnormale borskas X-straal, abnormale serum kreatinien / ureumvlakke en onstabiele pasiënte. ’n Wells telling is vir elke pasiënt wat in die studie ingesluit is, bepaal. Perfusiebeelding is uitgevoer na die intraveneuse toediening van 125 MBq 99mTc MAA. Ventilasiestudies is gedoen met 81mKr gas. Die V/Q EFERT studies is voor die planare beelding met ’n dubbelkop gammakamera uitgevoer. Perfusiebeelding is voor die ventilasie in dieselfde posisie verkry. V/Q planare beelding het bestaan uit 6 standaard beelde. Alle V/Q EFERT is met “ordered-subset expectationmaximization” (OSEM) algoritmes verwerk, en post-rekonstruksie 3D Butterworth filters is toegepas. V/Q planare en V/Q EFERT beelding is later afsonderlik en sonder RTPA inligting volgens onlangse EANM riglyne evalueer en gerapporteer. ‘n Veelsnit RTPA met ‘n 40 snit skandeerder is op alle pasiënte uitgevoer. Die beelde is later beoordeel en gerapporteer sonder inagneming van die V/Q beeldingsresultate Statistiese verwerking is gedoen met die Fisher presisietoets vir vergelyking van kategoriese veranderlikes en die eenrigting ANOVA vir kontinue veranderlikes (p<0.05 is statisties betekenisvol). Resultate: ‘n Totaal van 104 opeenvolgende pasiënte met ‘n kliniese vermoede van pulmonale embolisme is verwys. Nege-en-sewentig pasiënte is uitgesluit, in die meeste gevalle as gevolg van abnormale serum kreatinienvlakke. Slegs 25 pasiënte is ingesluit, met ’n gemiddelde ouderdom van 48 ± 19 jaar, en 64% vroue. In vergelyking met RTPA as goudstandaard, was die prevalensie van PE 16% [5% – 37% met 95% VI], sensitiwiteit 75% [21% – 99% met 95% VI], spesifisiteit 90% [68% – 98% met 95% VI], positiewe voorspellingswaarde 60% [17% – 93% met 95% VI], negatiewe voorspellingswaarde 95% [73% – 100% met 95% VI] en diagnostiese akkuraatheid van 88% [69% – 97% met 95% VI] vir beide planare en EFERT V/Q beelde. V/Q planare beelde het ‘n laer lesersvertroue getoon, nl. dat slegs 72% van gevalle opgelos kon word relatief tot V/Q EFERT beelde, wat in alle gevalle presies geïnterpreteer kon word, met meer en beter omskrewe nie-ooreenstemmende teenoor ooreenstemmende en segmentele teenoor nie-segmentele defekte. In alle pasiënte met ‘n Wells puntetelling van 4 is PE met die RTPA uitgeskakel (p=0.04581), terwyl dit in 89% van pasiënte met V/Q EFERT en planare beelde uitgeskakel is. Gevolgtrekking: Gebaseer op hierdie studie het V/Q planare en EFERT beelding ‘n ooreenstemmende diagnostiese prestasie in pasiënte met ’n normale of naby normale borskas X-straal.

ENGLISH ABSTRACT: Background: The detection of bone infection can be very difficult especially in bone with altered structure due to prior trauma or surgical procedures. Complicated osteomyelitis (COM) is becoming a public health problem especially with the difficult choice between, high cost surgery and prolonged courses of intravenous or oral antibiotic therapy, as well as the social and psychological effect of longterm disease and disability of the patient. The correct localisation of especially bone infection is still a challenge for the clinician. The single photon emission computed tomography/low dose computed tomography (SPECT/CT), by fusing the functional information with the anatomical parts, is a wellestablished tool used in many nuclear medicine studies. This improves the overall quality of the study with more clear answers. The aim of the study was to determine the added value of SPECT/CT in the management of complicated osteomyelitis (COM) in patients with endo-prosthesis, post traumatic osteomyelitis with and without metal implants and diabetic foot. Methods: This was a prospective study, between February 2010 and February 2012. Patients with suspected COM who fulfilled the selection and inclusion criteria were included. All had abnormal three phase bone scan followed by infection imaging with 99mTc labelled white blood cells and 99mTc -colloid if the99mTc labelled white blood cell study was abnormal. 67Ga citrate was used in vertebral involvement. Planar and SPECT/CT images were reviewed for presence of abnormal uptake and for its localization in bone and soft tissue. Scan results were defined as positive or negative. Both planar and SPECT/CT images were compared regarding diagnosis and precise localization of infection. The final diagnosis was obtained from surgical specimen or microbiological culture as well as clinical follow-up of all patients. Results: There were 72 patients, 29 male and 43 female with mean age of 57 yrs [range 27-88].There were 24 patients with prosthesis, 16 with hip prosthesis (PH=16), and 8 with knee prosthesis (PK=8). There were 44 patients with post traumatic osteomyelitis, 26 with metal implants (TOM=26) and 18 without metal implants (TOWM= 18). Four patients had diabetic foot (DF= 4). Infection was diagnosed in 19/72 patients on planar images and in 21/72 on SPECT/CT. Infection was diagnosed in 4 patients with prosthesis, 16 patients with post traumatic injury and one diabetic foot patient. The four patients with prosthesis, SPECT /CT added diagnostic value by excluding osteomyelitis in 3 patients and by defining the exact extent and localizing soft tissue and bone infection (STI/OM) in one patient. In 16 patients with post traumatic OM on planar images, SPECT /CT added diagnostic value, by excluding OM in 4 patients and confirming only STI, better localisation of the uptake in bone and soft tissue in 5 patients, of them 2 patient was negative on planar, and in 7 patients, confirmed and defined the exact extent of both OM and STI. One diabetic foot was positive for STI on the planar, the SPECT/CT added diagnostic value by defining the extent of the infection. In summary the added value of SPECT/CT was: a. Overall infection: 1. Exclusion of osteomyelitis by confirming only soft tissue involvement: 7 patients (10%) 2. Better localization in bone and soft tissue: 6 patients (8%) 3. Better delineation of extent of infection: 9 patients (12%) 4. None: 50 patients (70%) b. In positive cases only: 1. Exclusion of osteomyelitis by confirming only soft tissue involvement: 7 patients (33%) 2. Better localization in bone and soft tissue: 5 patients (24%) 3. Better delineation of extent of infection: 9 patients (43%) 4. None: 0 patients The overall sensitivity, specificity, positive predictive value, negative predictive value and accuracy for infection, on planar was 90%, 100%, 100%, 97%, 97%, respectively and for SPECT/CT 100%, 100%, 100%, 100%, 100%. For OM on planar, the sensitivity, specificity , positive predictive value, negative predictive value and accuracy was 100%, 89%, 53%, 100%, 90%, respectively and for SPECT/CT 100%, 100%, 100%, 100%, 100%. Conclusion: In complicated osteomyelitis, SPECT/CT is useful in localizing, defining the exact extent of infection where the planar images are abnormal, with no added value if the planar images are negative. We recommend in clinical practice the routine use of hybrid SPECT/CT imaging in complicated osteomyelitis when planar images are abnormal. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Agtergrond: Die opspoor van beeninfeksie is veral moeilik in been wat as gevolg van vorige trauma of chirurgiese prosedures misvorm is. Gekompliseerde osteomiëlitis word ‘n gesondheidsprobleem veral as gevolg van die moeilike keuse tussen hoë koste chirurgie en langdurige kursusse binneaarse of orale antibiotika, asook die sosiale en sielkundige gevolge van langstaande siekte en die gestremdheid van die pasiënt. Die korrekte lokalisering van veral beeninfeksie is steeds ‘n uitdaging vir die geneesheer. Enkel foton emissie rekenaartomografie / lae dosis rekenaartomografie (SPECT/CT), die kombinasie van funksionele en anatomiese inligting, is ‘n goed gevestigde metode in baie kerngeneeskunde ondersoeke. Dit verbeter die algemene kwaliteit van die studie met ‘n meer spesifieke antwoord. Die doel van hierdie studie was om die bykomende waarde van SPECT/CT in die hantering van gekompliseerde osteomiëlitis in pasiënte met endo-protese, post traumatise osteomiëlitis met en sonder metaal prosteses asook diabetiese voet te bepaal. Metode: ‘n Prospektiewe studie is tussen Februarie 2010 en Februarie 2012 gedoen. Pasiënte met vermoedelik gekompliseerde osteomiëlitis wat aan die keuse en insluitingskriteria voldoen het, is ingesluit. Almal het abnormale drie-fase beenflikkergramme gehad, gevolg deur infeksiebeelding met 99mTc gemerkte witselle en 99mTc kolloïed indien die 99mTc gemerkte witselstudie abnormaal was. 67Ga sitraat is gebruik wanneer daar werwelaantasting teenwoordig was. Die planare en SPECT/CT beelde is vergelyk ten opsigte van diagnose en presiese lokalisering van die infeksie. Die finale diagnose is met behulp van chirurgiese monsters en mikrobiologiese kweking asook die kliniese opvolg van alle pasiënte bepaal. Resultate: Die studie het 72 pasiënte, 29 mans en 43 vroue, met gemiddelde ouderdom van 57 jaar [27 – 88 ingesluit]. Daar was 24 pasiënte met prosteses, waarvan 16 met heupprosteses (PH= 16) en 8 met knieprosteses (PK= 8). Van die 44 pasiënte met post traumatiese osteomiëlitis, het 26 metaal prosteses (TOM= 26) en 18 geen metaalprosteses gehad nie (TOWM= 18). Vier pasiënte het diabetiese voet gehad (DF= 4). By 19/72 van die pasiënte is infeksie op die planare beelde gediagnoseer en in 21/72 op die SPECT/CT beelde. Die bykomende twee gevalle was 1 met TOM en 1 met TOWM. Infeksie is by 4 pasiënte met prosteses, 16 pasiënte met post traumatiese besering en 1 met diabetiese voet gediagnoseer. In die vier pasiënte met prosteses, het SPECT/CT ‘n diagnostiese bydrae gelewer om osteomiëlitis by 3 van die pasiënte uit te skakel en die presiese omvang en lokalisering van sagte weefsel en beeninfeksie (STI/OM) in een pasiënt te bepaal. In 16 pasiënte met post traumatise osteomiëlitis op die planare beelde, was SPECT/CT van diagnostiese waarde, waar osteomiëlitis in 4 pasiënte uitgesluit is, en slegs STI bevestig is. Beter lokalisering van die opname in been en sagte weefsel was in 5 pasiënte moontlik, van wie 2 op die planare beelde negatief was, en in 7 pasiënte bevestig en die presiese omvang met beide OM en STI gedefinieer is. Een diabetiese voet was positief vir STI op die planare beelde, maar die SPECT/CT het diagnostiese waarde verbeter deur die omvang van die infeksie beter te toon. Ter opsomming, was die waarde van die SPECT/CT: 1. Uitsluiting van osteomiëlitis deur slegs van sagte weefsel aantasting te bevestig: 7 pasiënte 10% 2. Beter lokalisering in been en sagte weefsel: 5 pasiënte 7% 3. Beter definisie van omvang van infeksie: 9 pasiënte 12% 4. Geen bykomende waarde: 51 pasiënte 71% Die algehele sensitiwiteit, spesifisiteit, positiewe voorspellingswaarde, negatiewe voorspellingswaarde en akkuraatheid vir die opspoor van infeksie vir die planare beelde was 90%, 100%, 100%, 97%, 97%, onderskeidelik en vir die SPECT/CT 100%, 100%, 100%, 100% en 100%. Vir osteomiëlitis was sensitiwiteit, spesifisiteit, positiewe voorspellingswaarde, negatiewe voorspellingswaarde en akkuraatheid van planare beelde 100%, 89%, 53%, 100%, 90%, onderskeidelik en die van SPECT/CT 100%, 100%, 100%, 100% , 100%. Gevolgtrekking: SPECT/CT is nuttig in die lokalisering en definiëring van die presiese omvang van die infeksie in gekompliseerde osteomiëlitis in gevalle waar die planare beelde abnormaal is, met geen bykomende waarde wanneer planare beelde negatief is nie. Ons beveel SPECT/CT beelding as roetine in kliniese praktyk aan wanneer planare beelde in gekompliseerde osteomiëlitis abnormaal is.

Austenitic stainless steels are frequently used for engineering applications in aggressive environments. Typical sources of component failures are associated with localized attack at grain boundaries, such as intergranular corrosion and stress corrosion cracking. To prevent premature failures, structural integrity assessments are carried out, with the aim of predicting the maximum likelihood of cracking that may develop. For accurate predictions it is of great importance to know the interaction of parameters involved in life-determining processes. This PhD thesis investigates the effect of microstructure and stress on intergranular stress corrosion cracking in Type 302 / Type 304 austenitic stainless steels. High-resolution X-ray tomography has been successfully applied to examine, for the first time in 3-dimensions, in-situ, the interaction between microstructure and crack propagation. The development and subsequent failure of crack bridging ligaments has been observed and correlated with regions of ductile tearing persistent on the fracture surface. These ductile regions were consistent with the morphology of low-energy, twin-type grain boundaries, and are believed to possess the capability of shielding the crack tip. Following this observation, a new grain bridging model has been developed, in order to quantify the effect of static stress and crack bridging on the maximum likely crack length. The model was compared and evaluated with in the literature available percolation-like models. Intergranular stress corrosion tests in tetrathionate solutions have been designed and carried out to validate the new model. The assessment comprised,(i) a thorough examination of the microstructure and analysis parameters employed,(ii) the determination of the degree of sensitisation with subsequent crack path investigations,(iii) the identification of a suitable test system with associated grain boundary susceptibility criteria,(iv) the application of Grain Boundary Engineering (GBE) for microstructure control,(v) statistical crack length assessments of calibrated IGSCC test specimens. The results of these tests showed that the new model successfully predicts the magnitude of stress and the effect of grain boundary engineering on the maximum crack lengths.

Η υπολογιστική τομογραφία θώρακος αποτελεί την απεικονιστική τεχνική επιλογής για την διάγνωση και την ποσοτικοποίηση των διάμεσων νοσημάτων του πνεύμονα (1). Η διάγνωση όμως τέτοιων παθολογιών χαρακτηρίζεται από μεγάλη ένδο- και μεταξύ παρατηρητών μεταβλητότητα λόγω της μη ύπαρξης κριτηρίων του απεικονιστικού προτύπου των παθολογιών καθώς και του μεγάλου όγκου δεδομένων της εξέτασης. Για τον λόγο αυτό στην βιβλιογραφία έχει προταθεί η χρήση συστημάτων αυτόματης ποσοτικοποίησης με σκοπό την ακριβή μέτρηση των παθολογιών η οποία έως σήμερα πραγματοποιείται με ημι-ποσοτικές κλίμακες. Τα συστήματα αυτά λειτουργούν είτε σε επίπεδο τομής (2Δ) είτε σε ολόκληρο των όγκο (3Δ) του πνευμονικού πεδίου. Τα 3Δ συστήματα υπερτερούν τον 2Δ καθώς καλύπτουν το σύνολο του όγκου των πνευμονικών πεδίων περιορίζονται όμως λόγο της μειωμένης ποιότητας εικόνας (2-4). Τα συστήματα ποσοτικοποίησης αποτελούνται (συνήθως) από δύο στάδια προ-επεξεργασίας τα οποία προηγούνται του σταδίου ποσοτικοποίησης των παθολογιών. Τα στάδια προ-επεξεργασίας στοχεύουν στην απομόνωση του πνευμονικού παρεγχύματος. Ειδικότερα στο πρώτο στάδιο πραγματοποιείται απομόνωση των πνευμονικών πεδίων ενώ στο δεύτερο στάδιο πραγματοποιείται η αφαίρεση του αγγειακού δένδρου με αποτέλεσμα την απομόνωση του πενυμονικού πεδίου φυσιολογικού η μη. Η επίδραση των δύο βημάτων προ-επεξεργασίας είναι καθοριστική στην ακρίβεια του συστήματος ποσοτικοποίησης όπως έχει διατυπωθεί στην βιβλιογραφία. Τα συστήματα ποσοτικοποίησης που έχουν προταθεί έως σήμερα υιοθετούν σαν τεχνικές τμηματοποίησης πνευμονικών πεδίων είτε τεχνικές κατωφλίωσης σε συνδυασμό με μορφολογική επεξεργασία (2) είτε συνδυασμό τεχνικών που βασίζονται στην ανάλυση υφής περιοχής (5-8). Στα πλαίσια τμηματοποίησης των πνευμονικών πεδίων έχει προταθεί μια σειρά αλγορίθμων ικανή να τμηματοποίηση πνευμονικά πεδία χωρίς παρουσία παθολογιών ή με την παρουσία μικρών όγκων (οζιδίων) (9-14) ενώ μόλις πρόσφατα προτάθηκαν τεχνικές τμηματοποίησης οι οποίες στοχεύουν στην τμηματοποίηση πνευμονικών πεδίων με παρουσία διάχυτων ασθενειών του πνεύμονα (3) (15). Στην εικόνα 2 παρουσιάζονται τόσο φυσιολογικά όσο και παθολογικά πνευμονικά πεδία. Στην περίπτωση των παθολογικών πνευμονικών πεδίων είναι φανερό πως η τμηματοποίηση υπό την παρουσία προτύπων διάχυτων νοσημάτων δεν είναι «εύκολη αποστολή» καθώς τα πρότυπα της παθολογίας και ο περιβάλλον ιστός μοιράζονται κοινά απεικονιστικά χαρακτηριστικά. Λεπτομερής περιγραφή των αλγορίθμων τμηματοποίησης θα πραγματοποιηθεί στα επόμενα κεφάλαια. Στην υπολογιστική τομογραφία το σήμα (προβολές) που καταγράφεται στους ανιχνευτές χαρακτηρίζεται από παρουσία θορύβου, φαινόμενο που κυρίως οφείλεται στην τυχαιότητα απορρόφησης των φωτονίων στους ανιχνευτές. Ο θόρυβος αυτός γενικότερα αναφέρεται ως κβαντικός θόρυβος. O θόρυβος μέσω της διαδικασίας ανακατασκευής εικόνας κληροδοτείται και στη τελική εικόνα. Ο θόρυβος αυτός μπορεί να μειωθεί είτε αυξάνοντας τα στοιχεία λήψης (υψηλότερη δόση), είτε εφαρμόζοντας τεχνικές ανακατασκευής οι οποίες χρησιμοποιούν πυρήνες εξομάλυνσης (smoothing kernel).΄Όμως, λαμβάνοντας υπόψη τη βασική αρχή ακτινοπροστασίας ALARA (As Low As Reasonable Achievable) τα στοιχεία λήψης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερα. Κάνοντας όμως χρήση του πυρήνα εξομάλυνσης μειώνεται η διακριτική ικανότητα εικόνας. Αυτό φανερώνει ότι η μείωση θορύβου δεν είναι ένα τετριμμένο πρόβλημα. Με εικόνες που χαρακτηρίζονται από υψηλό SNR (σήμα προς θόρυβο) μπορεί να επιτευχθεί ακριβής διάγνωση αλλά και να αξιοποιηθούν στα πλαίσια τεχνικών ανάλυσης εικόνας όπως τεχνικές αντιστοίχισης και τμηματοποίησης [1]. Όπως προαναφέραμε τα 3Δ πρωτόκολλα χαρακτηρίζονται από μειωμένη ποιότητα εικόνας λόγω παρουσίας θορύβου σε σχέση με τα 2Δ πρωτόκολλα υψηλής ανάλυσης Έως τώρα στη βιβλιογραφία έχουν προταθεί πολλές τεχνικές για μείωση θορύβου στην υπολογιστική τομογραφία. Για παράδειγμα έχουν χρησιμοποιηθεί επαναληπτικές τεχνικές ανακατασκευής οι οποίες αποσκοπούν στην μείωση θορύβου, μέσω της βελτιστοποίησης στατιστικών συναρτήσεων [2]-[4]. To βασικό μειονέκτημα αυτών των τεχνικών είναι η υψηλή υπολογιστική πολυπλοκότητα (high computational complexity). Η εφαρμογή αλγορίθμου μείωσης θορύβου μετά την ανακατασκευή εικόνας (post-processing) αποτελεί πρόκληση κυρίως λόγω του χαρακτήρα του θορύβου στην ανακατασκευασμένη εικόνα. Επιπλέον η κατευθυντικότητα του θορύβου λόγω υψηλής απορρόφησης κατά μήκος συγκεκριμένων κατευθύνσεων καθιστά τη διαφοροποίηση μεταξύ δομών και θορύβου ιδιαίτερα πολύπλοκη. Μια πολύ βασική αρχή στην οποία θα πρέπει να υπακούει κάθε τεχνική μείωσης θορύβου που εφαρμόζεται σε ιατρικές εικόνες είναι ότι η κλινική πληροφορία της εικόνας πρέπει να διατηρείται. Οι πιο πρόσφατες τεχνικές που σχετίζονται με την μείωση θορύβου στις ανακατασκευασμένες εικόνες χρησιμοποιούν τεχνικές οι οποίες αφαιρούν το θόρυβο αλλά ταυτόχρονα διατηρούν τις αιχμές της εικόνας (16). Χαρακτηριστικό ιδιαίτερα χρήσιμο στην περίπτωση των περίπλοκων απεικονιστικών προτύπων τις διάχυτης παθολογίας του πνεύμονα όπως το γραμμικό δικτυωτό πρότυπο τις πνευμονικής ίνωσης το οποίο μπορεί να συνυπάρχει με το πρότυπο της θαμβή υάλου το οποίο δεν περιέχει δομές αλλά εύκολα συγχέεται με το φυσιολογικό πνευμονικό παρέγχυμα παρουσία θορύβου. Ανοικτό ζήτημα στην βιβλιογραφία αποτελεί η τμηματοποίηση των πνευμονικών πεδίων, ιδιαίτερα στην περίπτωση όπου η παθολογία επηρεάζει τα όρια αυτών. Οι τεχνικές που έχουν προταθεί έως σήμερα εστιάζουν στην εφαρμογή των αλγορίθμων σε δεδομένα τα οποία έχουν προέλθει από τον ίδιο υπολογιστικό τομογράφο με συγκεκριμένο πρωτόκολλο λήψης. Στις μελέτες αυτές δεν έχει γίνει διερεύνηση της επίδρασης του θορύβου στους αλγορίθμους τμηματοποίησης. Οι αλγόριθμοι μείωσης θορύβου έχουν προταθεί στην βιβλιογραφία έως βήμα προ επεξεργασίας για δεδομένα τα οποία είτε προέρχονται από διαφορετικά κέντρα ή έχουν ληφθεί αξιοποιώντας διαφορετικό πρωτόκολλο. Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιήθηκε μελέτη της επίδρασης των τεχνικών μείωσης θορύβου στις τεχνικές τμηματοποίησης σε δεδομένα υπολογιστικής τομογραφίας θώρακος. Στην μελέτη αξιοποιήθηκαν δεδομένα τα όποια ελήφθησαν με πρωτόκολλο λήψης 3D δεδομένων ενώ στα πνευμονικά πεδία υπήρχαν πρότυπα ενδιάμεσης πνευμονοπάθειας. Οι τεχνικές τμηματοποίησης η οποίες αξιοποιήθηκαν ήταν οι k-means, Voxel Classification based, thresholding, MRF και η ΜΕΤΕΤ. Η τεχνική k-means είχε μια παράμετρο των αριθμών κλάσεων στην εικόνα η όποια προέκυψε έπειτα από πειραματικό προσδιορισμό (κ=4). Η τεχνική MRF απαιτούσε τον καθορισμό δυο παραμέτρων, του αριθμού των κλάσεων καθώς και του Β μιας παραμέτρου που καθορίζει την βαρύτητα που παίζει η γειτονία ενός pixel. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθηκε μια σχετικά μεγάλη τιμή προκειμένου να μειωθεί η επίδραση του θορύβου στην τελική τμηματοποίηση. Τέλος η τεχνική ΜΕΤΕΤ περιέχει μια παράμετρο (του αριθμού κλάσεων) η όποια επιλεγεί να είναι κ=4 όπως προτείνεται στην βιβλιογραφία. Για την αξιολόγηση των αλγορίθμων τμηματοποίησης αξιοποιήθηκε η πλειοψηφία των δεικτών τμηματοποίησης που χρησιμοποιούνται στην βιβλιογραφία. Στην μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν όλοι οι δείκτες και όχι αποσπασματικά όπως εφαρμόζονται σε διάφορες δημοσιεύσεις. Το δείγμα αληθείας προέκυψε έπειτα από χειροκίνητη τμηματοποίηση 370 τομών από ακτινολόγο με χρόνια εμπειρίας στην ερμηνεία δεδομένων υπολογιστικής τομογραφίας. Για την υλοποίηση της εργασίας σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στο εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής του Πανεπιστήμιου Πατρών κατάλληλη γραφική επιφάνεια διεπαφής η οποία επέτρεπε στην ‘φόρτωση’ των δεδομένων, την τμηματοποίηση των πνευμονικών πεδίων, την εφαρμογή των αλγορίθμων μειώσης θορύβου, την χειροκίνητη τμηματοποίηση του υπολογισμού των δεικτών ακρίβειας και τέλος την αποθήκευση όλων των δεδομένων. Στην βιβλιογραφία έως σήμερα έχουν προταθεί μια σειρά αλγορίθμων τμηματοποίησης πνευμονικών πεδίων οι οποίες στοχεύουν είτε στην τμηματοποίηση υγιών πνευμονικών πεδίων είτε παθολογικών πνευμονικών πεδίων. Ωστόσο όλοι οι αλγόριθμοι εφαρμόζονται σε δεδομένα τα οποία προέρχονται από υπολογιστικούς τομογράφους με συγκεκριμένο πρωτόκολλο χωρίς να γίνεται περαιτέρω μελέτη συμπεριφοράς των αλγορίθμων σε δεδομένα από διαφορετικό πρωτόκολλο λήψης (διαφορετικό επίπεδο θορύβου). Βάση των αποτελεσμάτων τόσο στις αρχικές όσο και στις επεξεργασμένες εικόνες η τεχνική ΜΕΤΕΤ έδωσε τα καλύτερα αποτέλεσμα ως προς όλους τους δείκτες εκτός του δείκτη TPF όπου εκεί η μέθοδος k-means έδωσε το καλύτερο αποτέλεσμα. Το γεγονός αυτό μπορούμε να το αποδώσουμε επειδή η τεχνική βασίζεται στην ένταση των επιπέδων του γκρι τμηματοποιεί όλα τα τμήματα με φυσιολογική εμφάνιση άρα συμπίπτει καλύτερα με την τμηματοποίηση του ακτινολόγου χωρίς να εμφανίζει υπερ-τμηματοποίηση. Ο δείκτης TPF αποτελεί το κοινό τμήμα των δυο τμηματοποιήσεων. H στατιστική ανάλυση βάσης του δείκτη ρ που προκύπτει από το student t test ανέδειξε ότι η συμπεριφορά της ΜΕΤΕΤ δεν εμφανίζει στατιστικές σημαντικές διαφορές στις αρχικές όσο και στις επεξεργασμένες εικόνες. Τέλος οι τεχνικές τμηματοποίησης MRF, Thresholding, και Voxel Classification based εμφανίζουν την ίδια συμπεριφορά τόσο στις αρχικές όσο και στις επεξεργασμένες εικόνες. / Accurate and automated Lung Field (LF) segmentation in volumetric computed tomography protocols is highly challenged by the presence of pathologies affecting lung borders, also affecting the performance of computer-aided diagnosis (CAD) schemes. In this work, 4 three-dimensional LF segmentation algorithms are evaluated. The 4 algorithms considered are: • k-means based unsupervised segmentation. • Thresholding based segmentation (based on minimum error thresholding proposed by Kittler et al.). • Unsupervised segmentation followed by supervised border refinement. • Markov Random Field based unsupervised segmentation. Further more the algorithms are applied with or without denoising of data as a pre-processing step. Denoising techniques have been proposed to deal with the use of multi-center data i.e. datasets acquired with equipment from different vendors or different protocols. A home developed graphical user interface was used to apply the segmentation algorithms, perform denoising and finally allow for ground truth derivation. Seven quantitative indexes were used including overlap, Dice similarity coefficient, true and false positive fraction, mean distance, root mean square distance and finally distance maximum. Based on the analysis performed, unsupervised segmentation followed by supervised border refinement outperformed all the other methods exploited with respect to all quantitative measures considered except false positive fraction. Additionally the technique was robust against noise levels (performance with or without denoising did not present statistically significant difference). K-means unsupervised segmentation performed better from the other methods with respect to false positive fraction. This can be attributed to under-segmentation occurred since in this study k-means algorithm was based only on gray level information.

Η υπολογιστική τομογραφία διπλής ενέργειας είναι μια σύγχρονη και συνεχώς εξελισσόμενη τεχνική, η οποία ενισχύει την διαφοροποίηση υλικών, βασιζόμενη στις φασματικές τους ιδιότητες. Φασματική απεικόνιση στην υπολογιστική τομογραφία απαιτεί τη χρήση δυο διαφορετικών ενεργειακών φασμάτων, και μπορεί να διαχωρίσει υλικά τα οποία διαφέρουν σημαντικά στον ατομικό τους αριθμό. Για το λόγο αυτό το ιώδιο (Ζ=53), το οποίο χρησιμοποιείται ως σκιαγραφική ουσία, καθώς και το οστό και οι ασβεστώσεις, τα οποία περιέχουν ασβέστιο (Ζ=20) σε μεγάλο ποσοστό, μπορούν να είναι διακριτά από τα υπόλοιπα στοιχεία τα οποία αποτελούν το ανθρώπινο σώμα, όπως υδρογόνο (Ζ=1), οξυγόνο (Ζ=8), άνθρακα (Ζ=6) και άζωτο (Ζ=7), τα οποία είναι υλικά χαμηλού ατομικού αριθμού. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν τρεις διαφορετικές τεχνολογίες υπολογιστικής τομογραφίας διπλής ενεργείας. Ο τομογράφος με ανιχνευτή δυο στρωμάτων, ο οποίος χρησιμοποίει μια λυχνία ακτίνων Χ και ένα ανιχνευτή με δύο στρώματα σπινθηρισμού τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο. Το πάνω στρώμα απορροφά τα μεγαλύτερο μέρος φωτονίων χαμηλής ενέργειας, ενώ το κάτω τα εναπομείναντα φωτόνια υψηλής ενέργειας, κάνοντας λήψη δυο σειρών δεδομένων διαφορετικών ενεργειών ταυτόχρονα. Η δεύτερη τεχνολογική προσέγγιση είναι μέσω ταχύτατης εναλλαγής της τάσης της λυχνίας. Με αυτό τον τρόπο γίνεται λήψη δυο σειρών δεδομένων διαφορετικών ενεργειών, μεταβάλλοντας τη τάση της λυχνίας από χαμηλή σε υψηλή μέσα σε μια μόνο περιστροφή. Τέλος ο τρίτος υπολογιστικός τομογράφος διπλής ενεργείας, ο οποίος χρησιμοποιείται και σε αυτή τη μελέτη, είναι ο τομογράφος δύο λυχνιών, οποίος αποτελείται από δυο λυχνίες ακτίνων Χ και δυο ανιχνευτές. Οι δύο λυχνίες μπορούν να λειτουργήσουν σε διαφορετικά kV ανεξάρτητα η μία από την άλλη, λαμβάνοντας δύο σειρές δεδομένων διαφορετικών ενεργειών ταυτόχρονα. Όταν ο υπολογιστικός τομογράφος δυο λυχνιών χρησιμοποιείται για λήψη εικόνων διπλής ενέργειας, η μια λυχνία λειτουργεί στα 80 kV και η άλλη στα 140 kV. Σε αυτή τη μελέτη εξετάστηκε η συμπεριφορά σε δύο ενέργειες μέσω μια σειράς πειραμάτων, υλικών όπως, πολυμερών ισοδύναμων με μαλακούς ιστούς και οστό, καθώς επίσης, συγκεντρώσεων ιωδίου και ασβεστίου. Χρησιμοποιήθηκαν δυο πρωτόκολλα λήψεων, ένα μιας ενέργειας με λήψεις στα 80, 100, 120, και 140 kV, καθώς και ένα πρωτόκολλο διπλής ενέργειας. Στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν μετρήθηκαν οι αριθμοί CT των υλικών, ο θόρυβος, η αντίθεση και ο λόγος αντίθεσης προς θόρυβο. Επίσης έγινε σύγκριση ως προς τα παραπάνω χαρακτηριστικά ποιότητα εικόνας με βάση τους παραπάνω δείκτες μεταξύ της συμβατικής 120 kV εικόνας και της ανακατασκευασμένης διπλής ενέργειας “virtual 120” kV. Η λεγόμενη “virtual 120” kV, μια αναμεμιγμένη εικόνα, κατασκευασμένη από δυο σειρές δεδομένων διαφορετικών ενεργειών, με γραμμικό συνδυασμό . Επιπλέον διερευνήθηκαν και συγκρίθηκαν ως προς τη ποιότητα εικόνας όλοι οι πιθανοί συνδυασμοί των δυο σειρών δεδομένων ενέργειας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι μόνο υλικά υψηλού ενεργού ατομικού αριθμού, όπως το οστό και οι υψηλές συγκεντρώσεις ιωδίου 17, 25 και 35 mg/ml, καθώς και ασβεστίου 200, 250 και 300 mg/ml, είχαν ενισχυμένη αντίθεση στα 80 kV. Αξίζει να σημειωθεί ότι για μικρές συγκεντρώσεις ,όπως 1.25, 2.5, 3.5 mg/ml και 45, 83 mg/ml ιωδίου και ασβεστίου αντιστοίχως, η αντίθεση έχει συμπεριφορά μαλακού ιστού. Αντίθετα η τιμή του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο δεν είναι όσο υψηλή είναι η τιμή της αντίθεσης. Τα επίπεδα θορύβου της εικόνας στα 80 kV είναι τόσο υψηλά, με αποτέλεσμα οι τιμές του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο για όλα τα υλικά υψηλού ατομικού αριθμού να είναι χαμηλότερες στα 80 kV, συγκρινόμενες με τις αντίστοιχες τιμές στις υπόλοιπες τάσεις, παρά το γεγονός ότι η τιμή της αντίθεσης είναι πολύ υψηλή στα 80 kV. Όσο αναφορά τη σύγκριση της 120 kV εικόνας με την λεγόμενη “virtual 120” kV, τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν ότι οι τιμές αντίθεσης του οστού, καθώς επίσης και των συγκεντρώσεων ιωδίου και ασβεστίου, ήταν ισοδύναμες, αλλά η τιμή του λόγου αντίθεσης προς θόρυβο της “virtual 120” kV εικόνας ήταν αρκετά χαμηλότερη σε σχέση με την 120 kV εικόνα. Τέλος το τρίτο πείραμα έδειξε ότι η τιμή της αντίθεσης αυξάνεται όσο αυξάνεται το ποσοστό της 80 kV πληροφορίας στη μεικτή εικόνα, ενώ ο λόγος αντίθεσης προς θόρυβο έχει ένα εύρος συνδυασμών που είναι υψηλός. Συγκεκραμένα οι γραμμικοί συνδυασμοί οι όποιοι είχαν τη μεγαλύτερη τιμή αντιθέσεις προς θόρυβο ήταν οι συντελεστές της 80 kV πληροφορίας από 0.4 έως 0.7. / Dual Energy Computed Tomography (DECT) is an evolving technique, which enhances material differentiation benefiting from the spectral properties of the materials. Spectral CT imaging requires the use of two different energy spectra, and it can distinguish elements, which differ considerably in atomic number. Therefore iodine (Z=53) which is used as contrast agent in CT scans, bone and plaque calcifications which contain calcium (Z=20), can be distinguished from other elements of which the human body consists, such as hydrogen (Z=1), oxygen (Z=8), carbon (Z=6) and nitrogen (Z=7), which are low atomic number elements. Currently there are three technical approaches of dual energy computed tomography. The dual layer detector system, which uses a single x-ray source and a detector with two scintillation layers one on top of one another. The top layer absorbs most of the low energy photons, while the bottom one the remaining high energy photons, acquiring two energy datasets simultaneously. The second technology of dual energy imaging is via fast kVp switching, which acquires two different energy spectra, alternating on a view by view basis between low and high kVp in a single rotation. Finally the third dual energy imaging technique, used in this study, is via the dual source CT system, which contains two x-ray tubes and two detectors. The two tubes can be operated independently at different kV. The dual source CT when it is used for dual energy scan is operated 80 kV/140 kV. Thus two dual energy datasets are acquired simultaneously. In this study the dual energy behavior of soft tissue equivalent materials, bone, iodine and calcium water solutions are examined through a series of experiments. Two acquisition protocols are used, a single energy at 80, 100, 120 and 140 kV, and a dual energy protocol. The CT numbers of these materials, as well as image noise, contrast and contrast to noise ratio are measured. Moreover comparison of these image quality features for standard single energy 120 kV image, which is the convention CT scan, and the “virtual 120” kV image is presented. The “virtual 120” kV is a blended image, reconstructed by the two dual energy datasets in a linear combination of In addition examination of all the possible linear combinations of the two dual energy datasets, and comparison in image quality, is presented. The results showed that only high Zeff materials had enhanced contrast at 80 kV, like bone, and the high iodine and calcium concentrations, such as 17, 25, and 35 mg/ml and 200, 250, and 300 mg/ml respectively. It is noteworthy that for small concentrations, such as 1.25, 2.5, 3.5 mg/ml and 45, 83 mg/ml of iodine and calcium respectively, contrast behavior is like the one of a soft tissue. Contrarily contrast to noise ratio is not as high as contrast at 80 kV. Image noise values at 80 kV are so high that CNR values for all high atomic number materials are lower at 80 kV compared to the ones of other voltages, despite the fact that contrast is very high at 80 kV. As it concerns the comparison of the single energy 120 kV image and the “virtual 120” kV, the results of the experiments showed that contrast values of bone, iodine and calcium concentrations, were equal, but contrast to noise ratio of the “virtual 120” was quite lower compared to the single energy 120 kV. Finally the third experiment showed that contrast values increase as the percentage of the 80 kV datasets increases in the blended image, while contrast to noise ratio has a range in which is higher. Specifically the linear combinations which had the highest CNR values were the ones with weighting factor of the 80 kV starting from 0.4 to 0.7.

Interstitial lung diseases are a heterogeneous group of disorders that vary widely in etiology, clinic-radiologic presentation, histopathologic features, and clinical course. MDCT is the modality of choice for determining the extent of diffuse interstitial lung disease and predicting the clinical outcomes as the scoring of fibrosis correlates well with the mortality rate. Different visual scoring systems for evaluating ILDs’ extent on HRCT have been developed over the past 20 years. Several visual scoring methods have been used to characterize and quantify the disease, correlate with common clinical parameters, prognosticate patients, assess disease progression and evaluate response to treatment. Up to date, visual scoring remains the method of choice for assessing disease extent in clinical practice. However, these methods show variable reproducibility in literature and therefore, a more accurate classification system is necessary for objective and reproducible assessment of disease extent. This has lead to considerable research efforts in advanced computer-based ILD extent quantification systems in the last 10 years. In this Thesis we compare four different available methods for the assessment of interstitial lung disease, for total, ground glass and reticular extent. A radiologist in training evaluated disease extent using a semi-quantitative visual scoring method (a), a visual pixel-based method (b) and semi-automated histogram thresholding technique (c). An automated CAD algorithm (d) was also utilized. All methods were applied to the same data sample of patients with collagen vascular diseases and lung involvement. The sample performance is reported on axial slice basis in terms of mean, standard deviation and range. Furthermore, methods have been compared pairwise by means of Bland-Altman analysis, utilized in order to assess by inspection the degree of agreement for varying disease extent. Additionally, the Intraclass Correlation Coefficient index has been calculated for all pairs compared. Statistical analysis showed almost perfect agreement between our visual pixel based method and the automated system concerning total and reticular disease extent, while the CAD algorithm and thresholding technique have demonstrated substantial agreement. None of the pairwise comparisons exhibited a high degree of agreement concerning ground glass extent estimation. Inter-observer comparison manifested significantly higher degree of agreement for the visual pixel based technique as compared to semi-quantitative visual scoring method. CAD algorithms provide a fast and reproducible disease extent and in our study present a high agreement with visual pixel based method, which is accounted for the more precise, albeit time wasting method. Resultantly, these automated systems could replace semi-quantitative visual scoring methods, not radiologists, in terms of accuracy, reproducibility and more precise clinical decision. / Οι διάμεσες πνευμονοπάθειες αποτελούν μια ετερογενή κατηγορία διαταραχών με ποικίλη αιτιολογία, κλινική, ιστολογική και ακτινολογική εικόνα. Η MDCT αποτελεί τη μέθοδο εκλογής για την εκτίμηση της έκτασης της νόσου και επομένως για την κλινική πορεία των ασθενών, εφόσον η έκταση της ίνωσης εμφανίζει υψηλή συσχέτιση με το δείκτη θνητότητας. Τα τελευταία 20 χρόνια έχουν αναπτυχθεί πολλά διαφορετικά συστήματα και μέθοδοι, που βασίζονται στην οπτική παρατήρηση και αποσκοπούν στον χαρακτηρισμό και την ποσοτικοποίηση της έκτασης της διάμεσης νόσου, καθώς και στο συσχετισμό της με κλινικές παραμέτρους, όπως η πρόγνωση και η ανταπόκριση στη θεραπεία. Οι ημιποσοτικές μέθοδοι, που βασίζονται στην οπτική παρατήρηση παραμένουν έως και σήμερα μέθοδοι εκλογής για την αξιολόγηση και ποσοτικοποίηση της έκτασης της νόσου. Εντούτοις, χαρακτηρίζονται σύμφωνα με τα βιβλιογραφικά δεδομένα από χαμηλούς δείκτες επαναληψιμότητας. Ως εκ τούτου, η αναζήτηση περισσότερο αντικειμενικών και επαναλήψιμων μεθόδων για την εκτίμηση της διάμεσης πνευμονοπάθειας είναι επιτακτική ανάγκη. Ως αποτέλεσμα, τα τελευταία 10 χρόνια η ερευνητική προσπάθεια έχει προσανατολιστεί σε αυτοματοποιημένες μεθόδους για την ποσοτικοποίηση της διάμεσης νόσου. Στην παρούσα διπλωματική συγκρίθηκαν τέσσερεις διαφορετικές μέθοδοι, διαθέσιμες για την ποσοτικοποίηση των αλλοιώσεων του πνευμονικού ιστού. Η έκταση της νόσου αξιολογήθηκε από έναν ειδικευόμενο ακτινολόγο με ημιποσοτική μέθοδο με οπτική παρατήρηση (α), με ποσοτική μέθοδο χειρονακτικού σχεδιασμού και τμηματοποίησης των προσβεβλημένων περιοχών (β) και με μια ημι-αυτόματη μέθοδο κατωφλίωσης ιστογράμματος (γ). Για τον ίδιο σκοπό χρησιμοποιήθηκε ένας αλγόριθμος υποβοήθησης διάγνωσης (CAD) (δ). Όλες οι μέθοδοι εφαρμόστηκαν στο ίδιο δείγμα δεδομένων από ασθενείς με νοσήματα του συνδετικού ιστού και πνευμονική προσβολή. Τα ημιποσοτικά αποτελέσματα, καθώς και αυτά της χειρωνακτικής τμηματοποίησης συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα δύο έμπειρων ακτινολόγων in consensus και μελετήθηκε η συμφωνία τους. Οι αποδόσεις των μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν στην εκτίμηση τόσο της συνολικής έκτασης της νόσου, όσο και των επιμέρους προτύπων συγκρίθηκαν ανά ζεύγη με ανάλυση κατά Bland-Altman και με υπολογισμό του δείκτη ICC (Intraclass Correlation Coefficient). Η στατιστική ανάλυση των αποτελεσμάτων έδειξε σημαντική συσχέτιση μεταξύ του CAD και του χειρωνακτικού σχεδιασμού για τη συνολική έκταση και το reticular πρότυπο, ενώ χαμηλότερη είναι η συμφωνία μεταξύ του CAD και της μεθόδου κατωφλίωσης ιστογράμματος. Δεν παρατηρήθηκε υψηλός δείκτης συμφωνίας σε κανένα ζεύγος συσχέτισης όσο αφορά την εκτίμηση του προτύπου θαμβής υάλου. Η συμφωνία των ακτινολόγων είναι υψηλότερη για την οπτική μέθοδο αξιολόγησης με χειρονακτική τμηματοποίηση σε σχέση με την ημιποσοτική μέθοδο με οπτική παρατήρηση. Οι αλγόριθμοι υποβοήθησης διάγνωσης παρέχουν γρήγορη και επαναλήψιμη εκτίμηση της έκτασης της διάμεσης νόσου και στη δικιά μας μελέτη παρουσιάζουν υψηλού βαθμού συσχέτιση με την ποσοτική μέθοδο, η οποία θεωρείται η πιο ακριβής, εντούτοις χρονοβόρα μέθοδος. Συμπερασματικά, τα αυτόματα αυτά συστήματα θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν τις υποκειμενικές ημιποσοτικές μεθόδους στην ποσοτικοποίηση των διάμεσων αλλοιώσεων του πνεύμονα.

Κυριότερος σκοπός είναι η αξιολόγηση των συστημάτων Υπολογιστικής Τομογραφίας και Μαγνητικού Συντονισμού κατά την εφαρμογή της τεχνικής Δυναμικής Αιμάτωσης (Perfusion). Επίσης η δημιουργία και εφαρμογή αναλυτικού και αποτελεσματικού πρωτοκόλλου στην οξεία ισχαιμία με σκοπό την άμεση βοήθεια του ισχαιμικού εγκεφάλου. / Thesis MSc in order to highlight the usefulness of CT Brain Perfusion in acute brain ischemia.

Positron Emission Tomography (PET) is an imaging technique that uses biologically relevant molecules labelled with positron emitting radioisotopes to measure regional tissue function in living organisms. To maximise the detection efficiency, data are acquired in 3D, that is, all possible detector combinations in a scanner without inter-ring shielding (septa). The gain in sensitivity afforded by 3D PET is offset by the increase in random coincidences, scattered coincidences and deadtime. These problems must be overcome for the gain in sensitivity to be fully realised. The aim of this research project was to investigate strategies to increase the signal to noise ratio of the 3D PET data. Additional side shielding, both in neuro and body scanning, has been implemented and assessed. Large gains were achieved using the neuro shields in experimental and clinical studies. The potential of the body shields was tested in experimental and in-vivo studies which showed that they were scan dependent. For example, no gain was found for a cardiac blood flow (H2 IS0) study. A model-based scatter correction was assessed by companng compartment ratios within the 'Utah' phantom with radioactivity outside the field of view, with and without neuroshielding. Recovered ratios were within 6% of their actual values. The integration time was reduced in an effort to decrease the system deadtime. A peak increase of 150/0 in noise equivalent count rate was measured for a uniform cylinder inside the field of view. A random coincidence variance reduction technique was implemented and assessed to reduce the noise contained in the delayed window random coincidence estimate. The algorithm was evaluated using phantoms and tested on clinical data. A mean 16% reduction in coefficient of variation was measured for a C15O torso study.

Spectral x-ray computed tomography (CT) is an important nascent imaging modality with several exciting potential applications. The research presented in this thesis separates into two primary areas with the common underlying theme of spectral CT; the first area is Compton scatter estimation and the second is interior tomography. First, the research is framed and outputs are identified. Background on the concepts used in the thesis is offered, including x-ray imaging and computed tomography, CT scanner architecture, spectral imaging, interior tomography and x-ray scatter. The mathematical background of techniques for image reconstruction from x-ray transmission measurements are presented. Many of the tools used to perform the research, both hardware and software, are described. An algorithm is developed for estimating the intensity of Compton scattered photons within a spectral CT scan, and a major approximation used by the algorithm is analysed. One proposed interior reconstruction algorithm is briefly evaluated; while this is not directly linked to spectral CT, it is related to the work on a novel hybrid spectral interior micro-CT architecture. Conclusions are summarised and suggestions for future work are offered. Scatter is known to cause artefacts in CT reconstructions, and several methods exist to correct data that has been corrupted by scatter. Compton scatter affects the energy of photons, therefore spectral CT measurements offer the potential to correct for this phenomenon more accurately than conventional measurements. A Compton scatter algorithm is developed and is found to match very well to Monte Carlo validation simulations, with the constraints that the object be at the micro-CT scale and that electron-binding effects are omitted. Development of the algorithm uses an approximation of the post-scatter attenuation to simplify the estimation problem and enable implementation. The consequences of this approximation are analysed, and the error introduced is found to be less than 5% in most biomedical micro-CT situations. Interior tomography refers to the incomplete data situation caused by the truncation of some or all CT projections, and is an active research area. A recently proposed interior reconstruction algorithm is evaluated with regard to its sensitivity to input error, and is found to have mediocre performance in this respect. Published results are not found to be reproducible, suggesting some omission from the published algorithm. A novel hybrid spectral interior architecture is described, along with an iterative reconstruction algorithm for hybrid data sets. The system combines a full field of view conventional imaging chain and an interior field of view spectral imaging chain to enable spectral measurement of a region of interest, and addresses some important limitations of spectral x-ray detectors; promising results are shown. Spectral reconstructions from interior data are shown to have sufficient information to distinguish two k-edge contrast agents (iodine and gadolinium) not only within the interior field of view but also beyond it. The architecture is further explored in the context of radiation exposure reduction, including testing of an analytical hybrid reconstruction algorithm.

No description available.