Thesis (M.S.) -- Worcester Polytechnic Institute. / Keywords: Hypothesis testing; motion compensation; SPECT. Includes bibliographical references (leaves 30-31).

Είναι κοινά αποδεκτή η γνώμη ότι στις μέρες μας η υπολογιστική τομογραφία αποτελεί αναπόσπαστο μέσο διάγνωσης στην κλινική πράξη. Προκαταρκτικές όμως εξετάσεις ρουτίνας σε μικρά ζώα είναι επίσης ωφέλιμες με απώτερο στόχο την εφαρμογή νέων τεχνικών διάγνωσης και τη βελτίωση παλαιοτέρων, στον άνθρωπο. Αυτό τον ρόλο καλείται να παίξει η μικροτομογραφία, που ουσιαστικά αποτελεί μια παραλλαγή της κλασσικής Υπολογιστικής Τομογραφίας Κωνικής Δέσμης (CBCT). Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη, η ανάπτυξη, η εφαρμογή και η αξιολόγηση αλγορίθμων ανακατασκευής εικόνας μικρών ζώων και αντικειμένων, απο τις προβολικές εικόνες τους. Συνδυάζοντας προβολικά δεδομένα λήψης από διάφορες γεωμετρίες, όπως της επίπεδης ισοκεντρικής τροχιάς αλλά και της τρισορθογώνιας, της ελικοειδούς καθώς και αυτής του περιορισμένου γωνιακού κυκλικού τόξου, ανακατασκευάστηκαν λογισμικά κυρίως μοντέλα των υπό εξέταση δειγμάτων. Με απώτερο στόχο την εφαρμογή αλλά και τη βελτίωση γνωστών αλγορίθμων ανακατασκευής αλλά και τον πειραματισμό και την ανάπτυξη καινούργιων μεθόδων αναδημιουργίας στο χώρο της τομογραφίας, ένα νέο λογισμικό εργαλείο δημιουργήθηκε στα πλαίσια της διατριβής αυτής. Πρόκειται για την Υπολογιστική Βιβλιοθήκη CLCT, μια ενοποιημένη πλατφόρμα προσομοίωσης που έχει αναπτυχθεί στην αντικειμενοστραφή γλώσσα προγραμματισμού C++. Χρησιμοποιώντας το εργαλείο αυτό, είναι δυνατή η σύνθεση ενός σεναρίου υπολογιστικής τομογραφίας με χρήση των επιμέρους στοιχείων της βιβλιοθήκης. Στο πλαίσιο της βιλιοθήκης, έχει αναπτυχθεί πληθώρα εργαλείων που αφορούν την ανακατασκευή αλλά και την επεξεργασία εικόνας. Παραδείγματα χρήσης της βιβλιοθήκης αναφέρονται τόσο για την περίπτωση της μικροτομογραφίας κωνικής δέσμης (στην ανακατασκευή μοντέλων μικρών ζώων και πειραματικών δεδομένων) όσο και για άλλες γενικές εφαρμογές της κλασσικής υπολογιστικής τομογραφίας στην ιατρική. / It is common belief that nowadays Computed Tomography is an integral part of medical diagnosis. Preliminary studies on small animals are also useful as they allow applying new diagnostic techniques and imaging modalities on humans, while improving at the same time the well established traditional methods. This is a role to be played by micro Computed Tomography (μCT), a technique similar to the conventional Cone Beam CT. The aim of the current thesis is to study, develop, apply and evaluate image reconstruction algorithms using projection images of small animals and objects. Using different acquisition geometries like circular or three-orthogonal trajectories as well as helical and limited arc trajectories, reconstructions were performed using software phantoms. A new software tool, CLCT library, was created during this thesis aiming to contribute to the implementation and improvement of well-known image reconstruction algorithms but also to the experimental testing and evaluation of new image reconstruction techniques. CLCT is an object-oriented class library, implemented in C++. In the core of the library, fundamental elements are classes, tightened together in a logical hierarchy. Real world objects, like an X-Ray Source or a Flat- Detector, can be defined as instances of corresponding classes. Various utilities (like 3D transformations, loading, saving, filtering of images, creation of planar or curved objects of various dimensions) have been incorporated in the software tool as class methods. They allow the user to easily set up any arrangement of these objects in 3D space and to experiment with many different trajectories and configurations. The application of CLCT library confirms the flexibility of the approach which is presented in this thesis through simulations on software phantoms as well as on real projection data for both cases of μCT and conventional Cone Beam CT.

MultiDetector-row Computed Tomography (MDCT) or MultiSlice Computed Tomography (MSCT) has undergone remarkable progress since its first introduction at the end of the 1990s. Given that CT examinations are generally recognized as a relatively high-dose procedure, concern has been expressed at the associated increase in doses. The International Committee on Radiation Protection (ICRP) noted in their report No.87 that absorbed doses in tissues from CT are among the highest observed in diagnostic radiology (i.e. 10–100 mGy). Therefore, the purpose of this thesis is to calculate the dosimetric quantities for brain, chest, and abdomen-pelvis examinations that were carried out using Philips Brilliance 16 and Brilliance 64 CT Scanners of the University General Hospital “Attikon”, as well as to perform their intercomparison. For brain examinations, axial technique was utilized. However, for chest and abdomen-pelvis examinations, spiral technique was applied. The effect of overranging (or overscanning) is connected with spiral mode and its contribution to patient dose is really important in case of MSCT scanners. Therefore, the contribution of the overrange effect for body examinations carried out was calculated. In the framework of this thesis, the contribution of overrange to the effective dose received by patients submitted to the forementioned examinations is calculated. Additionally, dose measurements were carried out in order to estimate the radiation burden to the eye lenses and the thyroid during the typical brain examination, both when eye lenses are inside and outside the irradiation field. / Οι Υπολογιστικοί Τομογράφοι (ΥΤ) πολλαπλών τομών έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο από την κλινική εφαρμογή τους στις αρχές του 1990. Λαμβάνοντας υπ’ όψιν ότι οι εξετάσεις ΥΤ συνεπάγονται υψηλή ακτινική επιβάρυνση του ασθενή, η μελέτη τους έχει συγκεντρώσει το ερευνητικό ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Η Διεθνής Επιτροπή Ακτινοπροστασίας (ICRP) επισημαίνει στην αναφορά Νο 87 ότι η απορροφούμενη δόση στους ιστούς από εξετάσεις ΥΤ είναι από τις υψηλότερες στη διαγνωστική ακτινολογία (10-100 mGy). Συνεπώς, σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι ο υπολογισμός των δοσιμετρικών μεγεθών για τις συνήθεις εξετάσεις εγκεφάλου, θώρακος και άνω-κάτω κοιλίας, οι οποίες πραγματοποιούνται με τους ΥΤ πολλαπλών τομών Brilliance 16 και Βrilliance 64 της Philips στο Π.Γ.Ν “ΑΤΤΙΚΟΝ ”,καθώς επίσης και η σύγκριση των αντίστοιχων δόσεων μεταξύ των συγκεκριμένων ΥΤ. Οι ασθενείς που υποβάλλονται σε εξετάσεις θώρακος και άνω-κάτω κοιλίας που πραγματοποιούνται με ελικοειδή τεχνική λαμβάνουν επιπλέον δόση (overscan) που οφείλεται στην τεχνική αυτή. Η συνεισφορά του “overscan” είναι ιδιαίτερα σημαντική στους ΥΤ πολλαπλών τομών, οπότε επιπλέον στόχος αυτής της διπλωματικής είναι ο υπολογισμός της. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της δόσης του θυρεοειδή και των φακών των οφθαλμών κατά την υποβολή ασθενών στη συνήθη εξέταση εγκεφάλου, τόσο στην περίπτωση παρουσίας των οφθαλμών εντός όσο και εκτός πεδίου ακτινοβόλησης.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής ήταν η αξιολόγηση ενός αυτόματου συστήματος ποσοτικοποίησης της έκτασης της διάμεσης νόσου με απεικονιστικά κριτήρια, όπως την σύγκριση με την ημιποσοτική αξιολόγηση των ακτινολόγων και με την συνεχή αξιολόγηση από ακτινολόγους βασιζόμενη στον χειρωνακτικό σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών. Τα αποτελέσματα του αυτοματοποιημένου συστήματος συγκρίθηκαν και με την υποβοηθηση από το σύστημα. Για την οπτικοποίηση της διασύγκρισης των συστημάτων μεταξύ τους χρησιμοποιήθηκαν οι καμπύλες συμφωνίας. Τέλος, μελετήθηκε η συσχέτιση του συστήματος και των ημιποσοτικών εκτιμήσεων των ακτινολόγων με εργαστηριακούς απεικονιστικούς δείκτες, τις πνευμονικές δοκιμασίες. Υλικά και Μέθοδοι Για την εκπόνηση της διατριβής χρησιμοποιήθηκε μια δεξαμενή 47 περιστατικών με νόσο του κολλαγόνου και 4 φυσιολογικών ασθενών. Από αυτήν 14 περιστατικά χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη και εκπαίδευση του συστήματος και 37 περιστατικά επελέγησαν για την αξιολόγηση του συστήματος, με απεικονιστικά πρότυπα θαμβής υάλου (ggo) και δικτυωτού προτύπου (reticular). Το πρωτόκολλο σάρωσης ήταν χαμηλής δόσης απεικόνιση με MDCT 16 ανιχνευτών, που επέτρεπε την λήψη τρισδιάστατων δεδομένων. Αρχικά αναπτύχθηκε το αυτόματο σύστημα σε γλώσσα προγραμματισμού MATLAB (ΜΑΤLAB 7.5 R 2007b) και εκπαιδεύτηκε από τους ακτινολόγους ως προς τα διάφορα στάδια ολοκλήρωσης: (1) Προεπεξεργασία (preprocessing): Τμηματοποίηση πνευμονικών πεδίων και αφαίρεση αγγειακού δέντρου, (2) Ταξινόμηση-Αναγνώριση και χαρακτηρισμός προτύπων διάμεσου ιστού. Το σύστημα αξιολογήθηκε σε δείγμα διαφορετικό από της εκπαίδευσης από την πρώτη δεξαμενή περιστατικών με δείκτες απόδοσης Volume Overlap, ΤPF, FPF. Κατόπιν, το τρισδιάστατο (3D) σύστημα αξιολογήθηκε στο κλινικό δείγμα 37 ασθενών με τις 3D ημιποσοτικές αξιολογήσεις δύο ακτινολόγων (Α΄ Κύκλος Πειραματικού σχεδιασμού). Στην αξιολόγηση αυτή συσχετίστηκαν τα τρισδιάστατα αποτελέσματα ποσοτικοποίησης του CAD ως προς την συνολική έκταση νόσου, την έκταση του ground glass και του reticular προτύπου με τις εκτιμήσεις από δύο ξεχωριστούς έμπειρους ακτινολόγους και του μέσου όρου αυτών ημιποσοτικά στους όγκους των σαρώσεων (περίπου 250 τομές ανά σάρωση ασθενούς) με στατιστική μέθοδο Spearman rank order. Επίσης μελετήθηκαν οι διαφορές μεταξύ των εκτιμήσεων, αναλύθηκαν με Blant –Altman διαγράμματα και boxplots (R1vs. CAD, R2vs.CAD, Rmvs.CAD, R1 vs.R2, R1 vs.R1s). Μετρήθηκε επίσης η συμφωνία ενδο κα μεταξύ των ακτινολόγων. Για τον B΄ κύκλο πειραματικού σχεδιασμού αξιολογήθηκε το 2D σύστημα σε 185 εγκάρσιες τομές (37 σαρώσεις ασθενών) για το ποσοστό της συνολικής έκτασης και της έκτασης του ground glass και του reticular προτύπου. Σαν βάση αναφοράς χρησιμοποιήθηκε η consensus αξιολόγηση δύο έμπειρων ακτινολόγων με σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών σε μια τράπεζα σχεδιασμού (Wacom Intuos 3 Tokyo, Japan) με τη βοήθεια μιας γραφικής επιφάνειας διεπαφής (GUI). Επίσης αναλύθηκαν οι ίδιες τομές και αξιολογήθηκαν ημιποσοτικά in consensus από τους ακτινολόγους. Τέλος αξιολογήθηκε στο ίδιο δείγμα το υποβοηθούμενο CAD ως προς την βάση αναφοράς. Συσχετίστηκαν οι 2D εκτιμήσεις του συστήματος και των ακτινολόγων in consensus (1) ημιποσοτικά (CADvsSQRcons) και (2) ποσοτικά με σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών pixel-wise (CADvsRref). Οι συσχετίσεις πραγματοποιήθηκαν με Intraclass Correlation Coefficient (ICC) και τα αντίστοιχα 95% Confidence Intervals (CI). Μετρήθηκε επίσης η συμφωνία ενδο κα μεταξύ των ακτινολόγων. Οι διαφορές στην έκταση της νόσου για τις διαφορετικές αξιολογήσεις (CAD - Rref, CAD+Rcons-Rref και SQRcons - Rref) απεικονίστηκαν με Bland-Altman ανάλυση για την συνολική έκταση της νόσου και για τα επιμέρους πρότυπα: το ggo και το reticular. Επίσης υπολογίστηκε η μέση διαφορά (mean difference MD) και το 95% των διαφορών (μέση τιμή±1.96SD), που ονομάζεται όρια συμφωνίας (limits of agreement (LoA95). Για να οπτικοποιηθούν τα αποτελέσματα των αξιολογήσεων της έκτασης νόσου και να διευκολυνθεί η διασύγκριση μεταξύ τους , δημιουργήθηκε μια απεικόνιση με καμπύλες συμφωνίας για κάθε σύστημα αξιολόγησης σε συνάρτηση με την βάση αναφοράς Τέλος συσχετίστηκαν οι τρισδιάστατοι όγκοι των 37 ασθενών σε ότι αφορά (1) την συνολική έκταση της νόσου (2) την έκταση του ggo και (3) την έκταση του reticular όπως εκτιμώνται από το 3DCAD και με την ημιποσοτική αξιολόγηση των ακτινολόγων 3DSQRconsRcons με τις φυσιολογικές παραμέτρους σπειρομέτρησης. ατόπιν συσχετίστηκαν τα 2D δεδομένα στις 185 εγκάρσιες τομές (μέσες τιμές των 5 τομών ανά σάρωση από τους 37 ασθενείς ) για το 2D CAD και την αντίστοιχη ημιποσοτική αξιολόγηση σε 2D SQ . Συγκρίθηκαν οι συσχετίσεις 2DCADvs2DCAD και 3DSQvs2DSQ. με δείκτες συσχέτισης Pearson correlation coefficient (R). Αποτελέσματα Η στατιστική ανάλυση της απόδοσης του συστήματος για την τμηματοποίηση των πνευμονικών πεδίων εκτιμάται ως εξής: (1) Volume overlap: 0.954±0.023, (2)d mean: 1.080±0.364 (3) drms: 1.407±0.735 (4) d max : 4.944±3.492. Η στατιστική ανάλυση της απόδοσης του συστήματος για την τμηματοποίηση του αγγειακού δέντρου και στα δύο πνευμονικά πεδία εκτιμάται ως εξής: (1) Volume overlap: 0.931±0.027, (2 ) ΤPF:0.935±0.036 (3) FPF:0.074±0.03. Η απόδοση του συστήματος στην αναγνώριση και χαρακτηρισμό των παθολογικών προτύπων της διάμεσης νόσου στα περιστατικά που χρησιμοποιήθηκαν για την εκπαίδευση είναι: Για το πρότυπο ground glass: (1) Volume overlap : 0.794±0.038, (2) ΤPF:0.812±0.045, (3) FPF: 0.163±0.017. Για το reticular πρότυπο οι δείκτες απόδοσης είναι: 1) Volume overlap: 0.883±0.037, (2) ΤPF:0.972±0.013 (3) FPF :0.0971±0.012. Οι ανάλογοι δείκτες για την συμφωνία των ακτινολόγων ενδο και μεταξύ- έχουν ως εξής: Για την συμφωνία των ακτινολόγων (ενδο-): Για το πρότυπο ground glass: (1) Volume overlap: 0.47±0.20, (2) ΤPF :0.972±0.01, (3) FPF : 0.0971±0.012. Για το reticular πρότυπο οι δείκτες απόδοσης είναι: (1) Volume overlap : 0.53±0.19, (2)ΤPF: 0.715±0.20, (3)FPF: 1.72±1.05. Για την συνολική έκταση της νόσου, οι αντίστοιχες τιμές είναι: (1) Volume overlap: 0.54 ± 0.18, (2) ΤPF : 0.74 ± 0.18,(3) FPF :1.19±1.85. Για την συμφωνία των ακτινολόγων (μεταξύ-): Για το πρότυπο ground glass: (1) Volume overlap: 0.33±0.22, (2) ΤPF: 0.58±0.27, (3)FPF: 2.48±2,74. Για το reticular πρότυπο οι δείκτες απόδοσης είναι: (1)Volume overlap: 0.51±0.11, (2)ΤPF: 0.72±0.19, (3) FPF:1.36±1.33. Για την συνολική έκταση της νόσου, οι αντίστοιχες τιμές είναι: (1)Volume overlap: 0.51±0.21, (2)ΤPF: 0.69±0.22, (3) FPF: 1.21±0.89. Για τον Α΄ κύκλο πειραματικού σχεδιασμού σε 3D, τα αποτελέσματα δείχνουν στατιστικά σημαντική συσχέτιση της ποσοτικοποίησης του CAD και των ημιποσοτικών εκτιμήσεων των ακτινολόγων (ως βάση αναφοράς), σε ότι αφορά στην συνολική έκταση της νόσου και την έκταση του reticular προτύπου (R=0.949, p=<0.0001, R= 0.915, p=<0.0001, αντίστοιχα), ενώ μέτρια ήταν η συσχέτιση για το ggo πρότυπο (0.806, p=0.0009). Οι ανάλογοι δείκτες για την συμφωνία των ακτινολόγων ενδο και μεταξύ- έχουν ως εξής: Για την συμφωνία των ακτινολόγων (ενδο-): Συνολική έκταση της νόσου: R=0.903, p=<0.0001, έκταση του reticular προτύπου: R= 0.966, p=<0.0001 και έκταση του ggo προτύπου: 0.766, p=<0.0001. Για την συμφωνία των ακτινολόγων (μεταξύ-): Συνολική έκταση της νόσου: 0.838, p=0.0018, έκταση του reticular προτύπου: R= 0.895, p=0.0006 και έκταση του ggo προτύπου: R= 0. 655, p=0.0017. Από την μελέτη των διαφορών όπως απεικονίζονται από τις αναλύσεις Blant Altman και boxplots, οι διαφορές στην έκταση της νόσου μεταξύ ακτινολόγων και CAD (R1 vs.CAD, R2vsCAD, RmvsCAD) και ακτινολόγων μεταξύ τους (R1 vs. R2, R1 vs. R1s) δεν ήταν στατιστικά σημαντικές (two-tailed Wilcoxon signed-rank test, p>0.05). Το εύρος της συσχέτισης κυμαίνεται εντός της μεταβλητής ένδο- και μεταξύ- παρατηρητών, καταδεικνύοντας ένα αξιόπιστο αυτόματο σύστημα ποσοτικοποίησης της διάμεσης νόσου με παρόμοια απόδοση με τους ακτινολόγους. Ωστόσο, η συμπεριφορά των διαφορών CAD vs. R1, CAD vs. R2, CAD vs Rm σε σύγκριση τις διαφορές R1 vs. R2 και R1 vs. R1’ μελετώντας τις median and IQR τιμές δεν είναι όμοια, καταδεικνύοντας ένα αυτόματο σύστημα συμπεριφέρεται με διαφορετικό τρόπο συγκριτικά με την ημιποσοτική εκτίμηση. Οι μέγιστες median and IQR τιμές (3.6% και 32.6%, αντιστοίχως), εμφανίζονται μεταξύ CAD and R2, και αποδίδονται πρωτίστως στην διαφορετική εμπειρία των ακτινολόγων. Τέλος, από τα διαγράμματα Blant Altman παρατηρείται ότι σε όλα τα ζεύγη διαφορών CADvs. R1, CADvsR2, CADvsRm, R1vsR2, R1 vsR1’ οι μεγαλύτερες διαφορές προκύπτουν καθώς αυξάνεται η έκταση της νόσου, ιδίως για έκταση νόσου >20%. Από τα δύο πρότυπα, το reticular πρότυπο παρουσιάζει την μεγαλύτερη μεταβλητότητα της μέσης τιμής. Λαμβάνοντας υπόψιν την διαφρορετική συμπεριφορα στην ποσοτικοποίηση της έκτασης της νόσου μεταξύ του συστήματος CAD και της ημιποσοτικής μεθόδου, αναζητήθηκε μια ακριβέστερη βάση αναφοράς , που στηρίχτηκε στον χειρωνακτικό σχεδιασμό των παθολογικών περιοχών οδηγώντας στον Β’ κύκλο του πειραματικού σχεδιασμού. Για τον B΄ κύκλο πειραματικού σχεδιασμού της διατριβής, το σύστημα παρουσιάζει τόσο με τις ημιποσοτικές όσο και με τις ποσοτικές μετρήσεις, με καλύτερη την συσχέτιση με τις ποσοτικές μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκε στην φάση αυτή της διατριβής σαν βάση αναφοράς (ICC =0.809 [0.599-0.894] , 0.851 [0.795-0.891]). Για τα επιμέρους πρότυπα η ποσοτικοποίηση του ground glass από το σύστημα συσχετίζεται λιγότερο με τις εκτιμήσεις των ακτινολόγων ( και με τις δύο μεθόδους, ημιποσοτικά και ποσοτικά) από το reticular. Σε κάθε περίπτωση η ποσοτική αξιολόγηση των ακτινολόγων που θεωρητικά αποτελεί καλύτερη βάση αναφοράς συσχετίζεται σταθερά καλύτερα με το CAD για όλα τα πρότυπα. Η συμφωνία μεταξύ ακτινολόγων είναι παρόμοια και για τις δύο μεθόδους (ICC =0.856 [0.811-0.891], 0.856 [0.806-0.893]). Η ίδια τάση παρατηρείται και για τα δυο πρότυπα (reticular και ground glass). Από την μελέτη των διαφορών όπως απεικονίζονται από τις αναλύσεις Blant Altman, το σύστημα παρουσιάζει ένα μικρό βαθμό υπερεκτίμησης της έκτασης νόσου συγκριτικά με την βάση αναφοράς: Συνολική έκταση νόσου (MD: 2.5%; LoA95: -14.3%, 19.3%), έκταση ground glass: (MD: 1.3%; LoA95: -10.9%, 13.5%) έκταση reticular: (MD: 1.2%; LoA95: -12.7%, 15.1%) και σημαντική συμφωνία με την νέα βάση αναφοράς: 86.5%, 75.1% και 81.6% αντίστοιχα. Οι ημιποσοτικές μετρήσεις παρουσιάζει μεγαλύτερη υπερεκτίμηση με τη βάση αναφοράς: Συνολική έκταση νόσου MD: 9.2%; LoA95: -12.8%, 31.2%, έκταση ground glass: MD: 4.6%; LoA95: -9.8%, 19.0% και έκταση reticular: MD: 4.6%; LoA95: -10.0%, 19.3% και σαφώς μικρότερη συμφωνία με την βάση αναφοράς (69.2%, 70.8%, 70.3%, αντίστοιχα). Τέλος η συμφωνία με την βάση αναφοράς βελτιώνεται ελάχιστα με την χρήση υποβοηθούμενου CAD σε σύγκριση με το CAD σύστημα μόνο του, ιδίως για το ground glass πρότυπο (88.1%, 78.4% and 81.6%, αντίστοιχα). Προτείνεται επίσης στην παρούσα διατριβή η χρήση των καμπυλών συμφωνίας, όπου οπτικοποιείται η διασύγκριση μεταξύ τους, αποδεικνύοντας το υποβοηθούμενο CAD ως το βέλτιστο σύστημα, ακολουθούμενο με μικρή διαφορά από το CAD , ενώ η ημιποσοτικές μετρήσεις διαφέρουν σημαντικά από τα άλλα δύο και από την χειρωνακτική βάση αναφοράς. Oι καμπύλες τονίζουν επίσης την διάσταση των δυο διαφορετικών μεθόδων αξιολόγησης από τους ακτινολόγους ημιποσοτικής-χειρωνακτικού σχεδιασμού, επιβεβαιώνοντας τα αποτελέσματα της πρώτης φάσης της διατριβής. Η εφαρμογή διαφορετικών διαστημάτων διαφορών ±5% ή ±25 % σε συνάφεια με το βήμα ±5% της ημιποσοτικής κλίμακας κατά Desai ή 25% της κλίμακας Likert στην εκτίμηση της έκτασης της νόσου, δείχνουν τα εξής: ‘Οσο πιο λεπτομερές(±5%) είναι το βήμα της ποσοτικοποίησης τόσο μεγαλύτερα τα σφάλματα ποσοτικοποίησης και ιδίως με την ημιποσοτική μέθοδο. Αντίθετα, ενώ για αδρό βήμα 25% οι διαφορετικές μέθοδοι ποσοτικοποίησης συμφωνούν μεταξύ τους και οι μεταξύ τους διαφορές δεν είναι αντιληπτές. Τέλος, το 3D σύστημα συσχετίζεται αρνητικά με όλους τους πνευμονικούς δείκτες για την συνολική έκταση νόσου με με καλύτερη την συσχέτιση με τους δείκτες FEV1. και DLCO ( R=-0.545 p=<0.0001, R=-0.567 p=<0.0001, αντίστοιχα). Για το reticular η συσχέτιση ήταν μέτρια για όλους τους δείκτες με καλύτερη την συσχέτιση FEV1, TLC και DLCO (R=-0.602p=<0.0001, R=-0.615 p=<0.0001 αντίστοιχα), ενώ για το ggo το σύστημα παρουσιάζει μη στατιστικά σημαντική συσχέτιση για όλους τους δείκτες. Tο 2D σύστημα παρουσιάζει μέτρια αρνητική συσχέτιση με τις πνευμονικές δοκιμασίες για την συνολική έκταση νόσου και το reticular πρότυπο, με καλύτερη την μέτρια αρνητική συσχέτιση με τον DLCΟ (R=-0.485, p= 0.002, R=-0.601 p=<0.001 αντίστοιχα). Για το ggo πρότυπο, το 2D σύστημα παρουσιάζει επίσης μη στατιστικά σημαντική συσχέτιση για όλους τους δείκτες, όπως και το 3D σύστημα. Οι ημιποσοτικές μετρήσεις των ακτινολόγων για την συνολική έκταση νόσου 3DSQRconsRcons και 2DSQ παρουσιάζουν στατιστικά σημαντική συσχέτιση, ωστόσο ασθενή μόνο με τον δείκτη DLCO (R=-0.382, p= 0.020, R=-0.398,p=<0.02 αντίστοιχα). Για την 3DSQRcons εκτίμηση στο reticular πρότυπο παρατηρείται στατιστικά σημαντική ασθενής συσχέτιση για όλους τους δείκτες εκτός από τον TLC (FVC: R=-0.331, p= 0.045, FEV1: R=-0.393, p=0.016, DLCO : R=-0.392, p= 0.016). Για την 2DSQ εκτίμηση στο reticular πρότυπο παρατηρείται στατιστικά σημαντική ασθενής έως μέτρια συσχέτιση για όλους τους δείκτες (FVC: R=-0.360, p= 0.029, FEV1: R=-0.411, p=0.012, TLC : R=-0.326, p= 0.049, DLCO : R=-0.485, p= 0.002). Για το ground glass η συσχέτιση είναι μη στατιστικά σημαντική για όλους τους πνευμονικούς δείκτες τόσο για την 3DSQRcons όσο και για την 2DSQ εκτίμηση. Συμπεράσματα Αξιολογήθηκε ένα σύστημα ποσοτικοποίησης της διάμεσης νόσου από CT θώρακος, που βασίζεται σε μεθόδους ανάλυσης υφής, το οποίο ποσοτικοποιεί τα βασικά απεικονιστικά πρότυπα της νόσου, το ggo και το reticular πρότυπο. Αρχικά αξιολογήθηκε σε κάθε βήμα από δύο έμπειρους ακτινολόγους με ικανοποιητική απόδοση. Στη συνέχεια, εφαρμόστηκε ο 3D αλγόριθμος ποσοτικοποίησης σε διαφορετικό κλινικό δείγμα 37 ασθενών, προκειμένου να γίνει και κλινική αξιολόγηση της απόδοσης του με βάση ημιποσοτικές κλίμακες ποσοτικοποίησης, που χρησιμοποιούνται στην βιβλιογραφία, με πολύ καλή συσχέτιση. Με αναλυτικότερη μελέτη προέκυψε μια μεγαλύτερη απόκλιση των τιμών CAD και ημιποσοτικών αξιολογήσεων από τις ημιποσοτικές αξιολογήσεις μεταξύ τους. Το γεγονός αυτό οδήγηση στην περαιτέρω αξιολόγηση του CAD συστήματος με μια χειρωνακτική βάση αναφοράς σε 2D επίπεδο και σύγκριση με τις ημιποσοτικές μετρήσεις. Το σύστημα παρουσίαζε σημαντική συσχέτιση με την βάση αναφοράς και με τις ημιποσοτικές μετρήσεις. Ωστόσο επιβεβαιώθηκε ότι οι ημιποσοτικές μετρήσεις υπολείπονται συγκριτικά με την χειρωνακτική βάση αναφοράς από τους ακτινολόγους στην αξιολόγηση του CAD, όπως είναι φανερό και από τις καμπύλες διασύγκρισης των συστημάτων. Από τη διατριβή αυτή προκύπτει επίσης ένας αριθμός δευτερογενών συμπερασμάτων: Πρώτον, η ποσοτικοποίηση της διάμεσης νόσου παρουσιάζει αυξημένη μεταβλητότητα για όλα τα συστήματα αξιολόγησης , όσο αυξάνεται η έκταση της νόσου. Δεύτερον, από τα δύο πρότυπα, η ποσοτικοποίηση του ggo προτύπου παρουσίαζε τις μεγαλύτερες δυσκολίες. Τρίτον, η αξιολόγηση με υποβοηθηση CAD βελτιώνει ελάχιστα το αποτέλεσμα του συστήματος, και κυρίως διορθώνει το ggo πρότυπο. Τέταρτον, το σύστημα συσχετίζεται με τις πνευμονικές δοκιμασίες, περισσότερο από τις ημιποσοτικές εκτιμήσεις των ακτινολόγων. Ιδίως το reticular πρότυπο μπορεί να χρησιμοποιηθεί από μόνο του ως δείκτης πνευμονικής δυσλειτουργίας. Συνοψίζοντας, το σύστημα CAD που αναπτύχθηκε είναι ένα αξιόπιστο εργαλείο ποσοτικοποίησης, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βιολογικός δείκτης σταδιοποίησης της διάμεσης νόσου. / The aim of this thesis was the evaluation of an automated system in 3D quantification of interstitial lung disease extent in CT compared to semiquantitative scoring method and with continuous extent assessments by radiologists based on manual segmentations of abnormal areas. The CAD system output was also compared to extent assessments by radiologists assisted by CAD. To facilitate intercomparison among different evaluation assessments curve representations of extent assessments is proposed. Finally the system output semiquantitative assessment by radiologists were correlated with laboratory markers of ILD, meaning pulmonary function tests (PFTs) indexes. Materials and Methods A dataset of 47 patients with interstitial lung disease secondary to collagen vascular disease were recruited for this thesis as well as 4 normal patients. Out of the dataset, 14 cases were used to train the system and 37 cases were selected to evaluate the system. The above cases presented with ground glass and reticular patterns. A low-dose MDCT scanner (16 detectors) protocol was utilized to obtain volumetric system output. Initially, the automated quantification system was developed using MATLAB (ΜΑΤLAB 7.5 R 2007b) and was trained by radiologists in different development stages: (1) Preprocessing: Segmentation of lung fields and vessel tree segmentation, (2) Identification and Classification of interstitial lung disease. The evaluation performance of the system was evaluated in terms of volume overlap, ΤPF, FPF. Following, the system was evaluated in a case sample of 37 patient scans with semiquantitative scoring by two experienced radiologists (A’ cycle of experimental design). In this evaluation, correlation between 3D system output and 3D semiquantitative evaluations of volumetric scans (approximately 200 slices per patient scan) was performed by two expert radiologists and average of the two evaluations, regarding total disease, ground glass and reticular pattern extent, using Spearman rank order. The differences in extent assessment (R1vsCAD, R2vsCAD, RmvsCAD, R1vsR2, R1vsR1s) were also analyzed using Blant–Altman plots and box plots. Statistic evaluation was performed using two-tailed Wilcoxon signed-rank test for paired data. Intra and interobserver agreement was also measured. At the B’ cycle of experimental design the 2D system output was evaluated, out of 185 axial slices (37 patient scans) regarding total disease, ground glass and reticular pattern extent, As reference standard in consensus evaluation by two expert radiologists was used by drawing disease area segments on a drawing tablet (Wacom Intuos 3 Tokyo, Japan), utilizing a home-developed graphical-user interface (GUI). The same slices were also assessed semiquantitatively by radiologists in consensus. Finally, the same slices were assessed with assisted CAD and compared to reference standard. The 2D CAD output was correlated with semiquantitative evaluation by radiologists (CADvsSQRcons) and quantitatively by drawing disease area segments pixel-wise (CADvsRref). Correlations were performed with Intraclass Correlation Coefficient (ICC) and 95% Confidence Intervals (CI). Intra and interobserver agreement was also measured. Differences in extent assessment for different evaluations (CAD- Rref, CAD+Rcons -Rref and SQRcons -Rref) were plotted using Bland-Altman analysis were assessed for total disease, ground glass and reticular pattern extent. The mean difference (MD) and 95% of the differences (mean±1.96 standard deviation), called limits of agreement (LoA95), were calculated. A curve representation is proposed to visualize agreement and facilitate agreement inter-comparison for various evaluations, as a function of reference. Finally, volumetric system output of 37 patient scans were correlated regarding total disease, ground glass and reticular pattern extent (3DCAD) and volumetric semiquantitative evaluation by radiologists (3DSQRcons) were correlated with physiologic parameters, pulmonary function tests, in terms of Pearson correlation (R). The same correlations were performed for 185 axial slices (average of 5 slices per patient scan) for 2DCAD and 2DSQ. Comparison of 3DCAD vs2D CAD and 3DSQvs2DSQ was also performed. Results Performance evaluation of segmentation of lung fields was measured: (1) Volume overlap: 0.931±0.027, (2) ΤPF: 0.935±0.036 (3) FPF: 0.074±0.03. Performance evaluation of segmentation of vessel tree was measured: (1) Volume overlap: 0.931 ±0.027, (2) ΤPF: 0.935±0.036 (3)FPF: 0.074±0.03. Performance evaluation in identification and characterization of ILD patterns was measured: For ground glass pattern: (1) Volume overlap: 0.794±0.038, (2) ΤPF: 0.812±0.045 (3) FPF: 0.163±0.017. For reticular patterns: (1) Volume overlap: 0.883 ± 0.037, (2) ΤPF: 0.972±0.013(3) FPF: 0.0971±0.012. Performance evaluation of intraobserver agreement was: For ground glass pattern: (1) Volume overlap : 0.47±0.20, (2) ΤPF: 0.972±0.013 (3) FPF: 0.0971±0.012. For reticular patterns: (1) Volume overlap: 0.53±0.19, (2) ΤPF: 0.715±0.20 (3) FPF: 1.72±1.05. For total disease extent: (1) Volume overlap: 0.54±0.18, (2) ΤPF: 0.74±0.18(3) FPF: 1.19±1.85. Performance evaluation of interobserver agreement was: For ground glass pattern: (1) Volume overlap: 0.33±0.22, (2) ΤPF: 0.58±0.27, (3) FPF: 2.48±2,74. For reticular patterns: (1) Volume overlap: 0.51±0.11, (2) ΤPF: 0.72± .19,(3) FPF: 1.36±1.33. For total disease extent: (1)Volume overlap: 0.51±0.21, (2)ΤPF: 0.69±0.220, (3)FPF: 1.21±0.89. The A’ cycle of experimental design in 3D quantification, results show statistically significant correlation of CAD quantification output and semiquantitative evaluation by radiologists (reference standard), regarding total and reticular disease extent (R=0.949, p=<0.0001, R= 0.915, p=<0.0001, respectively), while moderate correlation regarding ground glass pattern (R=0.806, p=0.0009). Intra and interobserver agreement were as follows: For Intra observer agreement: For total disease extent: R=0.903, p=<0.0001, reticular pattern: R=0.966, p=<0.0001 and ground glass pattern and R : 0.766, p=<0.0001. For Interobserver agreement: For total disease extent: R=: 0.838, p=0.0018, reticular pattern: R= 0.895, p=0.0006 and ground glass pattern: R= 0. 655, p=0.0017. Observed differences in extent assessment as plotted at Blant Altman και boxplot representation, between radiologists and CAD (R1 vs. CAD, R2 vs. CAD, Rm vs. CAD), radiologists themselves (R1 vs. R2, R1 vs. R1s) were not statistically significant (two-tailed Wilcoxon signed-rank test for paired data, p>0.05). Results indicate that the CAD tool analyzed demonstrates similar performance to radiologists semiquantitative assessment, ranging within inter- και intra- observer variation and can be considered as a reliable independent reader of lung abnormalities in ILD. However, differences of extent assessment between radiologists and CAD are (CADvsR1, CADvsR2, CADvsRm ) differ significantly to those obtained between radiologists (R1vsR2 ) and radiologist second opinion (R1vsR1s) in terms of median and IQR values. This implies that the automated system compared to the semiquantitative radiologist assessment, does not behave in an identical manner, as indicated by decreased variability of inter- and intraobserver data. The maximum median and IQR values (3.6% and 32.6%, respectively), were obtained between CAD and R2, probably attributed to experience differences between experts. Finally. Blant Altman plots indicate that in all differences in extent CADvsR1, CADvsR2, CADvsRm, R1vsR2, R1vsR1’ increasing differences occur in increasing extent assessments, especially> 20%. Out of the two patterns, reticular presents greater variability of mean values. Considering the different behavior in extent assessment between CAD system and semiquantitative scoring, we considered a more accurate reference standard based on manual drawing of abnormal areas, leading to the B’ cycle of experimental design. In B’ cycle of experimental design, the system shows significant correlation to semiquantitative and quantitative extent assessments (ICC =0.809 [0.599-0.894], 0.851 [0.795-0.891]). Correlation to quantitative extent assessments was slightly better and was used as a reference standard for this phase of thesis. For the constituent patterns quantification of ground glass by CAD system correlates less with radiologists assessments (both semi quantitatively and quantitatively) than reticular pattern. In every case quantitative evaluation by radiologists correlates better in all patterns with CAD system. Interobserver agreement is similar for both evaluation methods (ICC =0.856 [0.811-0.891], 0.856 [0.806-0.893]). The same trend is observed for both patterns (reticular and ground glass). Analyzing the differences as plotted by Blant Altman, the system depicts a small degree of overestimation of extent assessment as compared to reference standard. Total disease extent: (MD: 2.5%; LoA95: -14.3%, 19.3%), ground glass extent (MD: 1.3%; LoA95: -10.9%, 13.5%), reticular pattern extent (MD: 1.2%; LoA95: -12.7%, 15.1%). The system shows substantial agreement to pixel-wise (reference): 86.5%, 75.1% και 81.6%, for total lung disease, ground glass and reticular pattern, respectively. Semiquantitative scoring demonstrates higher degree of disease extent overestimation to reference: Total disease extent: MD: 9.2%; LoA95: -12.8%, 31.2%, ground glass extent: MD: 4.6%; LoA95: -9.8%, 19.0% and reticular extent: MD: 4.6%; LoA95: -10.0%, 19.3%) and achieves significantly lower agreement to reference (69.2%, 70.8%, 70.3%, respectively). Finally, agreement to reference achieved by assisted CAD, is slightly improved compared to CAD alone, especially for ground glass pattern (88.1%, 78.4% and 81.6%, respectively). The utilization of curve representation of the degree of agreement is proposed in this thesis, in an effort to visualize agreement of extent assessments and to facilitate agreement inter-comparison. These curves indicate assisted CAD as the best system, presenting with the higher agreement to reference, with CAD alone nearby, while semiquantitative scoring differs significantly from the manually drawn reference. CAD system and assisted CAD. These curves depict distinctively the differences in agreement between the two evaluation approaches by radiologists: semiquantitative and pixel-wise, confirming the observations of the first part of the thesis. On these curves difference interval ±5% ή ±25 % in extent assessment can be applied, according to 5% step used in semiquantitative scoring by Desai et al. or 25% in Likert scaling. Τhe more detailed (±5%) the quantification step is the greater the quantification errors are. Οn the contrary for wider step 25% the different the differences among them are not perceivable Finally, comparison of volumetric system output (3D) with PFTs yields strong negative correlations for total disease with all indexes, with better correlation with FEV1 and DLCO (R=-0.545 p=<0.0001, R=-0.567 p=<0.0001, respectively). For reticular pattern, correlation was moderate to all PFT indexes with better correlation with FEV1 and DLCO (R=-0.602, p=<0.0001, R=-0.615 p=<0.0001, respectively). For ground glass pattern there is no statistical correlation to neither of PFT indexes. For 2D system output, negative correlation was shown to PFTs for total disease and reticular pattern. Best moderate negative correlation was shown with DLCΟ (R=-0.485, p= 0.002, R=-0.601 p=<0.001 respectively). For ggo pattern, 2D system output showed no statistically significant correlation to all indexes, as in 3D system output. Semiquantitative scoring 3DSQRconsRcons and 2DSQ showed for total disease statistically significant negative correlations to PFTs, albeit weak, only with index DLCO (R=-0.382, p= 0.020, R=-0.398p=<0.02, respectively).. For 3DSQRcons semiquantitative scoring, reticular pattern showed statistically significant weak negative correlation to PFTs (not included to TLC) (FVC: R=-0.331, p= 0.045, FEV1: R=-0.393, p=0.016, DLCO : R=-0.392, p= 0.016). For 2DSQ semiquantitative scoring, reticular pattern showed statistically significant weak to moderate negative correlation to all PFTs (FVC: R=-0.360, p= 0.029, FEV1: R=-0.411, p=0.012, TLC : R=-0.326, p= 0.049, DLCO: R=-0.485, p= 0.002). For ground glass there was no statistically significant correlation for all indexes regarding 3DSQRcons and 2DSQ valuation. Conclusions In conclusion, an automated quantification system for ILD extent in CT was assessed, based on texture features, quantifying the two major imaging patterns of the disease, ggo and reticular pattern. Initially the system was evaluated by two experiences radiologists with performance within interobserver variability. Accordingly, the 3D system output was evaluated in a different dataset of 37 patients in order to evaluate the results with semiquantitative scoring published in literature. The correlation was very good. Further analysis of differences showed greater deviation of CAD and semiquantitative quantification, compared to semiquantitative quantification by radiologists (interobserver agreement). This remark led to further evaluation of CAD with a reference standard in 2D, based on manual drawings by radiologists and comparison with semiquantitative quantification. The 2D system output showed significant correlation to the reference standard and semiquantitative scoring. However semiquantitative quantification are less accurate in assessment of CAD quantification systems than quantitative quantification by manual drawing by radiologists. This is depicted in curve representation of different scoring systems compared to reference. From this thesis a number of secondary conclusion are drawn: First, in all systems, quantification variability augments with augmentation of extent. Second, between the two patterns analyzed quantification of ground glass is more difficult. Moreover, assisted CAD slightly improves the system output and mostly the ground glass pattern is corrected. Finally, the system correlates better to PFTs than semiquantitative quantification by radiologists. Especially reticular pattern by itself can be used as a reliable marker of pulmonary dysfunction. Overall, the system analysed is a useful disease extent quantification tool, than could act as a biomarker for staging and follow up of interstitial lung disease.

The current thesis concerns Dual Energy Computed Tomography and specifically the physical principles and methods it is based on. Dual Energy CT offers the potential of not only anatomical, but also functional information from Computed Tomography (CT) exams. This is achieved by utilizing the energy dependence of X-rays’ attenuation within matter. In this way, materials are divided into those that are characterized by energy-dependent attenuation (strong spectral behavior), due to strong photoelectric effect contribution to total attenuation, and those that do not exhibit important photoelectric attenuation at radiological energies and therefore they attenuate X-rays in a much less energy dependent way. This information is useful for the identification of materials that, despite the fact that they are completely different as far as their chemical composition is concerned, they have the same or similar CT number values at a particular kVp level. The energy dependence of attenuation leads to the determination of a polychromatic linear attenuation coefficient. This coefficient may be approximated either by considering an equivalent monoenergetic attenuation coefficient that is characterized by the same half value layer as the the polyenergetic beam, or by a local linear attenuation coefficient that is determined by knowledge of the local x-ray spectrum. The energy dependence of attenuation is the cause of beam hardening effects. The basic fields where dual energy CT has become feasible and its current clinical applications are described in the thesis. The utility of DECT ranges from artifact elimination (beam hardening, metal artifacts) to tissue discrimination, material selective images and “conventional CT acquisition” equivalent images. The implementations of dual energy CT are also presented in the thesis and include consecutive scans at two different kVp values, fast kV-switching, dual source CT and dual layer CT. / Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά στην τομογραφία διπλής ενέργειας και ειδικότερα τις φυσικές αρχές και μεθόδους στις οποίες βασίζεται. H τομογραφία διπλής ενέργειας δίνει την προοπτική της απόκτησης όχι μόνο ανατομικής, αλλά και λειτουργικής πληροφορίας από τις εξετάσεις αξονικής τομογραφίας. Αυτό το επιτυγχάνει χρησιμοποιώντας την εξάρτηση της εξασθένησης των ακτίνων X μέσα στην ύλη από την ενέργεια των φωτονίων. Με αυτό τον τρόπο, τα υλικά διαχωρίζονται σε αυτά που εξασθενούν τα φωτόνια με πολύ διαφορετικό τρόπο σε διαφορετικές ενέργειες λόγω έντονου φωτοηλεκτρικού φαινομένου και σε αυτά που η ενεργειακή εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης τους είναι λιγότερο έντονη (λιγότερη συμμετοχή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου στη συνολική εξασθένηση). Η πληροφορία αυτή είναι χρήσιμη για την ταυτοποίηση της σύστασης υλικών, που ενώ είναι εντελώς διαφορετικά σε χημική σύσταση, έχουν τον ίδιο αριθμό CT (CT number) σε συγκεκριμένη τάση λειτουργίας της πηγής ακτίνων X. Στην εκτεταμένη περίληψη αυτής της εργασίας, αρχικά γίνεται σύντομη αναφορά στην εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης από την ενέργεια και πώς αυτή επηρεάζει τον ορισμό του συντελεστή γραμμικής εξασθένησης για πολυχρωματικές ακτινοβολίες. Στη συνέχεια ακολουθεί μια συνοπτική περιγραφή υλοποιήσεων της τομογραφίας διπλής ενέργειας καθώς επίσης και των αλγορίθμων και των κλινικών εφαρμογών που είναι διαθέσιμες σήμερα. Τέλος, περνώντας στην περιγραφή του κυρίως μέρους της διπλωματικής, ακολουθεί συνοπτική περιγραφή της θεωρητικής και πειραματικής μελέτης της συμπεριφοράς διπλής ενέργειας του ιωδίου, του ασβεστίου, του οστού και υλικών που προσομοιάζουν το μαλακό και λιπώδη ιστό. Στη θεωρητική περιγραφή, η διπλωματική εστιάζει στις εξαρτήσεις του συντελεστή γραμμικής εξασθένησης, πρώτα από τα χαρακτηριστικά του ίδιου του υλικού (πυκνότητα, χημική σύσταση) και έπειτα από την ενέργεια των φωτονίων. Ο προβληματισμός σχετικά με την εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης με την ενέργεια έχει οδηγήσει συχνά σε τρόπους προσέγγισης και ορισμού ενός συντελεστή γραμμικής εξασθένησης που να ανταποκρίνεται σε πολυενεργειακές δέσμες, όπως αυτές που χρησιμοποιεί ο αξονικός τομογράφος. Ο συντελεστής γραμμικής εξασθένησης μιας πολυενεργειακής δέσμης από ένα συγκεκριμένο υλικό, προσδιορίζεται είτε μέσω ενός ισοδύναμου μονοενεργειακού συντελεστή εξασθένησης που να χαρακτηρίζεται από το ίδιο half value layer (HVL) με την πολυενεργειακή δέσμη είτε μέσω ενός «τοπικού» συντελεστή εξασθένησης. που για να προσδιοριστεί απαιτείται γνώση του φάσματος στην συγκεκριμένη θέση και στο συγκεκριμένο υλικό. Η εξάρτηση του συντελεστή εξασθένησης από την ενέργεια των φωτονίων ευθύνεται για τεχνήματα σκλήρυνσης δέσμης (beam hardening artifacts).

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:35:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T13:56:12Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / Dissertação (Mestrado) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP / FAPESP:11/03138-8

Resumo: A ruptura do ligamento cruzado cranial é uma das causas mais comuns de claudicação do membro pélvico de cães. A radiografia e a ultrassonografia são métodos de diagnóstico já utilizados na rotina clínica de pequenos animais, a tomografia computadorizada é uma nova modalidade de imagem e sua utilização para avaliar a articulação do joelho de cães foi pouco estudada. O presente trabalho teve por objetivo avaliar a contribuição do contraste negativo na artrografia tomográfica do joelho normal de cães, para visibilizar as estruturas intra-articulares e padronizar o uso desse contraste na articulação. Foram utilizados 24 membros pélvicos de cães de raças variadas, selecionados pela ausência de histórico de doença articular prévia do joelho e por apresentarem exames radiográficos, ultrassonográficos e macroscópicos normais. O experimento foi delineado em dois grupos, sendo o grupo I animais com peso até 20 kg e grupo II acima de 20 kg. Foram feitos cortes tomográficos com o membro flexionado e estendido. Foi possível visibilizar pela imagem tomográfica, em todas as articulações, as seguintes estruturas: ligamento cruzado cranial e caudal, meniscos medial e lateral, ligamento patelar, ligamentos colaterais e cápsula articular. A quantidade média de ar utilizada para a distensão da cápsula articular foi de 49 ml para o grupo I e de 81 ml para o grupo II. Utillizou-se um tubo de látex na porção distal a articulação do joelho para reduzir o escape de ar pelo tendão extensor digital profundo, que possui comunicação intra-articular. O contraste negativo se mostrou uma alternativa eficaz para auxiliar a avaliação das estruturas anatômicas do joelho na artrografia tomográfica de forma segura e com baixo custo. / Abstract: The cranial cruciate ligament rupture is one of the most common causes of canine hindlimb lameness. The radiographic and ultrasonographic are methods of diagnosis used in small animal clinics, computed tomography is a new imaging exam and had been still little studied. This study aimed to evoluate the contribution of negative in computed tomography arthrography of the normal stifle of dogs for the visualization of intra-joint structures and standardize the use of contrast in the joint. There were used 24 pelvic limbs from dogs of various breeds, selected based on their history of absence of previous stifle joint disease and normal radiographic, ultrasonographic and macroscopic exams. The experiment was designed in two groups, group I animals weighing up to 20 kg and group II above 20 kg. Tomographic sections were done with the limb flexed and extended. Tomographic image allowed the visualization in all joints of the following structures: cranial and caudal cruciate ligament, medial and lateral menisci, patellar ligament, medial and lateral collateral ligament and joint capsule. The middle air quantity used for the joint capsule distension was 49 ml for group I and 81 ml for group II. A latex tube was used on the distal portion of the stifle to reduce air escaping through the long digital extensor tendon, which has intra-joint communication. Thus, the negative contrast (air) showed to be an effective alternative in the evaluation of the stifle anatomical structures by using tomography arthrography safely and at a low cost. / Orientador: Maria Jaqueline Mamprim / Coorientador: Luiz Carlos Vulcano / Banca: Sheila Canevese Rahal / Banca: Franklin de Almeida Sterman / Mestre

Orientador: Frederico Canato Martinho / Banca: Márcia Carneiro Valera Garakis / Banca: Cláudio Antonio Talge Carvalho / Banca: Luiz Alexandre Thomaz / Banca: Maria Rachel Figueiredo Penalva Monteiro / Resumo: O conhecimento da posição topográfica dos ápices dentários em relação às corticais ósseas externas e estruturas anatômicas é de importância para a endodontia, sobretudo quando da instituição de técnicas com sobreinstrumentação. A tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC) permite uma análise tridimensional da localização do ápice radicular, estimando os riscos em relação a essas estruturas. Os objetivos desta pesquisa foram: a) aferir a medida linear entre os ápices radiculares de dentes posteriores e canino superiores e o seio maxilar e entre os ápices de dentes posteriores inferiores e o canal mandibular, relacionando os achados com gênero e idade; b) comparar as medições realizadas em tomografias entre ápices e estruturas anatômicas, com as realizadas em radiografias panorâmicas; c) verificar a proximidade dos ápices radiculares dos dentes superiores com a respectiva cortical óssea externa adjacente e dos ápices radiculares dos dentes inferiores com as corticais ósseas externas vestibular e lingual; d) verificar a ocorrência de fenestrações apicais, em todos os grupos dentais e e) classificar riscos de sobreinstrumentação baseando-se nas medidas lineares entre ápices radiculares e estruturas anatômicas/ corticais ósseas externas. Foram selecionados 800 TCFCs e 200 radiografias panorâmicas obtidas de pacientes com indicações diversas. Na TCFC, foram encontradas médias entre os ápices radiculares e o seio maxilar, variando de 0,37mm até 6,22mm, e na mandíbula, entre o... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: It is important to know the topographic position of dental root apices in relation to external cortical bones and adjacent anatomical structures for endodontics, mainly regarding the use of over-instrumentation techniques. Cone beam computed tomography (CBCT) allows for analysis of the root apex position and estimation of the risks in relation to these structures. The objectives of this study were: a) to assess the linear measurement between root apices of posterior teeth and upper canine and maxillary sinus as well as between apices of lower posterior teeth and mandibular canal according to gender and age; b) to compare tomographic measurements of apices and anatomical structures to those from panoramic radiographs; c) to verify the proximities of the root apices of upper teeth to corresponding adjacent cortical bones and of lower teeth to buccal and lingual cortical bones; d) to verify the occurrence of apical fenestrations in all dental groups; and e) to assess the risks of overinstrumentation based on linear measurements between root apices and anatomical structures/external cortical bones. A total of 800 tomographs and 200 panoramic radiographs were selected. CBCT images showed mean distances between root apices and maxillary sinus ranging from 0.37mm to 6.22mm and between root apices and mental foramen ranging from 2.81mm to 4.92mm. By comparing the tomographs to panoramic radiographs, over-estimation and sub-estimation were found in the maxillary and mandibular measurements, respectively (P < 0.01). The distances between each root apex and corresponding cortical bone were ranked according to distance, with the majority of the apices located less than 1 mm from the cortical bone in the maxilla and greater than 3mm in the mandible. Higher rates of fenestrations were found in the maxilla, whereas lingual bone plate was more affected in the mandible. ...(Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Doutor

Orientador: Diana Rodrigues de Pina / Resumo: A tomografia computadorizada (TC) é amplamente utilizada no diagnóstico e estadiamento de patologias da região de abdômen-pelve devido a sua alta sensibilidade e especificidade. A possibilidade de adquirir maior número de imagens em menor tempo e a maior disponibilidade de equipamentos levaram a um aumento significativo dos exames de TC e consequente aumento das doses efetivas globais fornecidas por esta modalidade. Desta forma, foram desenvolvidas ferramentas que buscam reduzir as doses de radiação dos exames sem perda da qualidade da imagem. Uma destas ferramentas é a modulação automática da corrente do tubo (automatic tube current modulation – ATCM), que permite a obtenção de exames que concordam com o princípio ALARA (as low as reasonably achievable). O objetivo deste estudo foi avaliar a qualidade da imagem e as doses de radiação de diferentes protocolos de TC de abdômen-pelve com a ferramenta ATCM. Foram avaliados cinco protocolos de TC de abdômen-pelve com a ferramenta ATCM em dois tomógrafos distintos, um 16-canais e um 64 canais. Foi utilizado um fantoma antropomórfico para avaliações dosimétricas e um fantoma analítico para avaliações objetivas de qualidade da imagem. Para a análise subjetiva da qualidade da imagem, foram utilizados 15 exames retrospectivos de pacientes submetidos a TC de abdômen-pelve. Estes exames foram avaliados por um radiologista com experiência na área de tomografia de abdômen. As três análises forneceram informações que possibilitaram a escol... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Mestre

Techniques described to date for the reproducible and noninvasive quantification of regional cardiac function have been largely relegated to research settings due to time-consuming and cumbersome image acquisition and analysis. In this thesis, feature tracking algorithms are developed for 2-D+Time cardiac magnetic resonance (CMR) and 3-D+Time cardiac computed tomography (CCT) image sequences that are easily acquired clinically, while emphasising reproducibility and automation in their design. First, a commercially-implemented CMR feature tracking algorithm for the analysis of steady state free precession (SSFP) cine series is evaluated in patients with hypertrophic cardiomyopathy (HCM) and arrhythmogenic right ventricular cardiomyopathy (ARVC), which primarily affect the left ventricle (LV) and right ventricle (RV), respectively, and functional impairment compared with control populations is found in both cases. The limitations of this implementation are then used to guide development of an automated algorithm for the same purpose, making use of fully convolutional neural networks (CNN) for segmentation and spline registration across all frames simultaneously for tracking. This study is performed in the subjects with HCM, and functional impairment is again identified in disease subjects. Finally, as myocardial contraction is inherently a 3-D phenomenon, a technique is developed for quantification of regional function from 3-D+Time functional CCT studies using simultaneous registration of automatically generated Loop subdivision surface models for tracking. This study is performed in canine mongrels, and compared with the current state of the art technique for CCT functional analysis. This work demonstrates the feasibility of automated, reproducible cardiac functional analysis from CMR and CCT image sequences. While work remains to be done in extending the principles demonstrated and modular components described to fully automated whole-heart analysis, it is hoped that this thesis will accelerate the clinical adoption of regional functional analysis.