Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)

Permanent URI for this collection

https://hdl.handle.net/10889/11

Browse

Now showing 1 - 20 of 1002

Open Access
Advanced three dimensional digital tomosynthesis studies for breast imaging
(2015-07-07) Μαλλιώρη, Ανθή; Παλληκαράκης, Νικόλαος; Παλληκαράκης, Νικόλαος; Νικήτα, Κωνσταντίνα; Buliev, Ivan; Καρδαμάκης, Δημήτριος; Κουτσούρης, Δημήτριος; Κωσταρίδου, Ελένη; Μπράβου, Βασιλική; Malliori, Anthi
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
The current thesis is focused on the study of tomosynthesis techniques applied on breast imaging, in order to improve the detection of breast lesions. Breast Tomosynthesis (BT) is a pseudo-three-dimensional (3D) x-ray imaging technique that provides reconstructed tomographic images from a set of angular projections taken in a limited arc around the breast, with dose levels similar to those of a two-view conventional mammography. Simulation studies and clinical trials suggest that BT is very useful for imaging the breast in an attempt to optimize the detection and characterization of lesions particularly in dense breasts and has the potential to reduce the recall rate. Reconstruction algorithms and acquisition parameters are critical for the quality of reconstructed slices. The aim of this research is to explore tomosynthesis modalities for breast imaging and evaluate them against existing mammographic techniques as well as to investigate the effect of reconstruction algorithms and acquisition parameters on the image quality of tomosynthetic slices. A specific aim and innovation of the study was to demonstrate the feasibility of combining BT and monochromatic radiation for 3D breast imaging, an approach that had not been studied thoroughly yet. For the purposes of this study a computer-based platform has been developed in Matlab incorporating reconstruction algorithms and filtering techniques for BT applications. It is fully parameterized and has a modular architecture for easy addition of new algorithms. Simulations studies with the XRayImaging Simulator and experimental work at ELETTRA Synchrotron facilities in Trieste, Italy, have been performed using software and complex hardware phantoms, of realistic shape and size, consisting of materials mimicking the breast tissue. The work has been carried out in comparison to conventional BT and mammography and demonstrates the feasibility of the studied new technique and the potential advantages of using BT with synchrotron modality for the detection of breast low- and high-contrast breast lesions such as masses and microcalcifications (μCs). Evaluations of both simulation and experimental tomograms demonstrated superior visibility of all reconstructed features using appropriately optimized filtered algorithms. Moreover, image quality and evaluation metrics are improved with extending the acquisition length for the masses. The visualization of μCs was found less sensitive to this parameter due to their high inherent contrast. Breast tomosynthesis shows advantages in visualizing features of small size within phantoms of increased thickness and especially in bringing into focus and localizing low-contrast masses hidden in a highly heterogeneous background with superimposed structures. Monochromatic beams can result in better tissue differentiation and in combination with BT can lead to improvement of features’ visibility, better detail and higher contrast. Monochromatic BT provided improved image quality at lower incident exposures, compared to conventional mammography, concerning mass detection and visibility of borders, which is important for their characterization, especially when they are spiculated. Overall it has been proved that while reducing the radiation dose, monochromatic beams combined with BT, result in an improvement of image quality. These findings are encouraging for the development of a tomosynthesis system based on monochromatic beams.
Open Access
Algorithm development methodology for MRI, US image processing and analysis for hepatic diseases
Γάτος, Ηλίας; Καγκάδης, Γεώργιος; Καγκάδης, Γεώργιος; Νικηφορίδης, Γεώργιος; Καρναμπατίδης, Δημήτριος; Παναγιωτάκης, Γεώργιος; Σακελλαρόπουλος, Γεώργιος; Σπηλιόπουλος, Σταύρος; Hazle, John; Gatos, Ilias
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
The liver is an important organ of the human body which performs basic functions related to digestion, metabolism, immunity and nutrients storage in the body. Liver disease can lead to liver failure which, if untreated, leads to death. Therefore, accurate diagnosis for targeted therapy of liver diseases is of great importance. Generally there are two types of liver disease, focal and diffuse. Focal liver disease (or Focal Liver Lesions - FLLs) are considered abnormal liver tissue that is concentrated in a small area, such as a tumor or cyst. They are further classified into benign and malignant. The latter usually result in death and therefore the precise characterization of an FLL as malignant is of great importance. The Diffuse Liver Disease (or Chronic Liver Disease - CLD) is distributed almost uniformly throughout the liver tissue. It causes constant and recurring inflammation of the liver tissue that is replaced by connective tissue (fibrosis), leading progressively to cirrhosis. Cirrhosis is the final stage of the disease, leading to liver failure or hepatocellular carcinoma (HCC), a malignant FLL, and eventually death. The consequences of the development of liver disease make early and accurate diagnosis very important in order to confront them. Liver biopsy is considered ‘Gold Standard’ to date for accurate diagnosis of liver diseases. Liver Biopsy though, is invasive and thus has potential for complications for the patient and increased cost. Therefore, non-invasive approaches, mainly in the medical imaging field, have been developed and evolved the last few years in order to provide a valid alternative to liver biopsy. The aim of this thesis was to study and develop novel image processing and image analysis algorithms for Ultrasound and Magnetic Resonance Imaging (MRI) for the differential diagnosis of liver disease so that they can be useful additions to the software of the respective imaging medical equipment. Through these algorithms, the diagnostic performance of Radiologists in hepatic diseases can be significantly improved. During this thesis, four novel medical image processing and analysis algorithms whose performance surpassed those of the respective approaches of the literature were developed. In detail, the 1st algorithm evaluates FLLs by using image processing and analysis methods in contrast enhanced ultrasound videos. As a first step, a rough estimation of FLL’s position and borders are initially set by calculating Continuous Wavelet Transform (CWT) coefficients (Maxima and Zero Crossings) on each frame of the CEUS video. Then this border estimation is set as initialization step to a Markov Random Field segmentation algorithm which gives the final accurate FLL border delineation. Through this process, the FLL is tracked by the algorithm through all video frames and its borders are extracted accurately independently of FLL’s position, shape or inner intensity change. For each frame of the video that FLL’s borders are extracted, mean intensity values in the FLL and a small Region of Interest (ROI) outside and near the FLL are calculated and a Time-Intensity Curve (TIC) is extracted. Then TIC features are extracted and are fed to a Support Vector Machine (SVM) classifier for final FLL benign to malignant differentiation The 2nd and 3rd algorithms evaluate CLD through processing and analysis of Ultrasound Shear Wave Elastography (SWE) images. These algorithms extract the colored region with stiffness values from the B-Mode Grayscale values of the SWE image automatically and proceed to an inverse color (RGB) to stiffness conversion, converting the color map to stiffness map. Then, they analyze all the region of stiffness values (2nd algorithm) and subregions of it (3rd algorithm) and extract textural features that a subset of significant ones, is fed to an SVM classifier differentiate between healthy subjects and patients with CLD. Finally, the 4th algorithm performs differential diagnosis on FLLs through processing and analysis of Magnetic Resonance Images (MRI). Through CWT Multiscale Analysis and FCM segmentation algorithm, the FLL’s borders are extracted accurately. Then textural and morphological features are extracted, a subset of which, the most significant, are fed to a Probabilistic Neural Network (PNN) classifier for FLL differentiation to Benign, HCC and Metastasis. As a conclusion, the algorithms that were developed during this thesis have confronted successfully clinical issues that are related to liver disease diagnosis through imaging and when equipped, they can improve the diagnostic accuracy of a medical imaging machine.
Open Access
An exploratory study of radiation dermatitis in breast cancer patients
Αλεξοπούλου, Ελευθερία; ΚΑΡΔΑΜΑΚΗΣ, ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ; ΚΑΡΔΑΜΑΚΗΣ, ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ; ΖΟΛΩΤΑ, ΒΑΣΙΛΙΚΗ; ΣΚΡΟΥΜΠΗΣ, ΓΕΩΡΓΙΟΣ; ΠΑΝΑΓΙΩΤΑΚΗΣ, ΓΕΩΡΓΙΟΣ; ΓΕΩΡΓΙΟΥ, ΣΟΦΙΑ; ΚΟΥΤΡΑΣ, ΑΓΓΕΛΟΣ; ΣΠΥΡΟΠΟΥΛΟΥ, ΔΕΣΠΟΙΝΑ; Alexopoulou, Eleftheria
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
Οι ασθενείς με καρκίνο του μαστού που υποβάλλονται σε ακτινοθεραπεία , παρουσιάζουν σε ποσοστό 95% ακτινική δερματίτιδα. Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να αναδείξει τη συσχέτιση των πρωτεϊνών που εκφράζονται στα καρκινικά κύτταρα με τον κίνδυνο εμφάνισης ακτινικής δερματίτιδας. Ασθενείς και Μέθοδος: στη μελέτη μας συμμετείχαν 122 ασθενείς (γυναίκες) που υποβλήθηκαν σε μετεγχειρητική ακτινοθεραπεία. Τα χειρουργικά παρασκευάσματα των ασθενών εξεταστήκαν με ανοσοϊστοχημική μέθοδο για την ανίχνευση της έκφρασης των πρωτεϊνών Κi67, ATM, HIF-1a, iNOS και aGluc. Τα ευρήματα συσχετίστηκαν με την εκδήλωση της ακτινικής δερματίτιδας, λαμβάνοντας υπόψη το σωματικό βάρος και τον τύπο δέρματος (ταξινόμηση Fitzpatrick). Τα τελικά δεδομένα αξιολογήθηκαν περαιτέρω μέσω διαφόρων μονοπατιών και μοντέλων ανάλυσης. Αποτελέσματα: η ακτινική δερματίτιδα (κλίμακα RTOG) και η αυξημένη έκφραση των πρωτεϊνών Κi67, ATM, HIF-1a, Inos και aGluc δεν έδωσαν αποτελέσματα στατιστικώς σημαντικά κατά τη συνεκτίμηση τους με τον τύπο του δέρματος και/ή το σωματικό βάρος. Περαιτέρω ανάλυση των πρωτεϊνών που σχετίζονται με την ανάπτυξη του όγκου (Ki67, ATM) και των πρωτεϊνών που επηρεάζουν την οξειδωτική κατάσταση και τον μεταβολισμό του κυττάρου (HIF-1a, Inos, aGluc), φάνηκε ότι πιθανώς συμβάλλουν στον κίνδυνο εμφάνισης ακτινικής δερματίτιδας. Συμπεράσματα: παρότι η ιστοπαθολογική ανάλυση δεν ανέδειξε στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα, περαιτέρω ανάλυση των μοριακών μονοπατιών αποκάλυψε ότι το δίκτυο των αλληλεπιδράσεων των πρωτεϊνών που εμπλέκονται στην ανάπτυξη του όγκου (ATM, Ki67) και / ή επηρεάζουν την οξειδωτική κατάσταση του κυττάρου (HIF-1a, INOS, Agluc), πιθανώς συμβάλλουν στον κίνδυνο ανάπτυξης οξείας ακτινικής δερματίτιδας. Θα πρέπει να γίνουν επιπλέον προοπτικές και λειτουργικές μελέτες ώστε να κατανοήσουμε καλύτερα τα μοριακά μονοπάτια που οδηγούν στην εμφάνιση της ακτινικής δερματίτιδας. Η μεθοδολογία της μελέτης μας εξυπηρετεί ως παράδειγμα, που αναδεικνύει πως μπορούν να συσχετιστούν ιστοπαθολογικά με μοριακά ευρήματα και να χρησιμοποιηθούν στην αξιολόγηση του κινδύνου εμφάνισης παρενεργειών στην κλινική πράξη.
Open Access
Application development for personalized dosimetry in pediatric examinations of nuclear medicine based on Monte Carlo simulations and the use of computational models
Κωστού, Θεοδώρα; Καγκάδης, Γεώργιος; Λούντος, Γεώργιος; Νικιφορίδης, Γεώργιος; Καρναμπατίδης, Δημήτριος; Παπαθανασίου, Νικόλαος; Καραίσκος, Παντελής; Βισβίκης, Δημήτρης; Kostou, Theodora
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
The present thesis, entitled “Application development for personalized dosimetry in pediatric examinations of Nuclear Medicine based on Monte Carlo simulations and the use of computational models”, aims to develop and certify innovative personalized dosimetry tools in pediatric nuclear medicine examinations (SPECT, PET, multimodal SPECT/PET/CT), as well as to optimize therapeutic approaches, using Monte Carlo simulations with high resolution computational anthropomorphic phantoms, enriched with personalized anatomical information of each patient. First, an extensive literature research was performed for the dosimetry applications in preclinical and clinical pediatric medical procedures in Chapter 2. The literature investigation is continued in Chapter 3 with the most indicative applications of: 1) Monte Carlo simulations for estimation of pediatric dosimetry, 2) small animal computational phantoms, 3) pediatric computational phantoms, extensively used for medical applications, and 4) Machine Learning techniques that are used for the assessment of individualized absorbed doses. As the use of radiopharmaceuticals in imaging and therapy is increasing, it becomes important to achieve a higher level of accuracy in internal dosimetry on small animal studies as well. In Chapter 4, first we validated our tools and methods by performing dosimetric calculations to create a small-animal database for nuclear medicine. Commonly used radiopharmaceuticals were examined / studied to define the absorbed dose rates for several organs of interest in preclinical studies. Furthermore, we extended the dosimetric calculations for common PET and SPECT exams, to specify the impact on the absorbed dose calculation by the size of each different organ. Then clinical applications in pediatric nuclear medicine were studied. We used the previous described methods for calculating the absorbed dose per organ that takes into account the specific anatomy of each patient and calculates the “Specific Absorbed Dose Rates” (SADRs) for each organ, according to the specified biodistribution of each radiopharmaceutical. Moreover, as the Computed Τomography (CT) scanners have now been integrated into multi-modality PET/CT and SPECT/CT devices, their impact on radiation exposure, especially in pediatric applications has dramatically increased. In order to quantify this impact, dosimetry simulations and calculations were performed, including updated pediatric protocols of head, chest and abdomen/pelvis exams. When anatomical difference is observed, the difference in the absorbed dose per organ for each body type is reported. The goal of this Ph.D. thesis was a) to create a dosimetry database that contains simulated pediatric data produced by Nuclear Medicine and CT acquisitions, and b) to match any new pediatric patient to the “best” fitted anatomical model of the database according to the characteristics of its internal organs. This method results to a more accurate organ dose assessment.
Open Access
Aλλαγές στο οβελιαίο επίπεδο μετά από τμηματική οσφυική σπονδυλοδεσία για εκφυλιστική νόσο : κλινική σημασία των αλλαγών αυτών για τον χειρουργημένο στην οσφυική μοίρα ασθενή : συγκριτική ανάλυση άκαμπτου σε σύγκριση με εύκαμπτου τύπου σπονδυλοδεσίας
(2009-01-20T12:20:08Z) Παπαζήσης, Ζήσης; -; -
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
Σκοπός της μελέτης είναι να συγκρίνει τα βραχυπρόθεσμα αποτελέσματα της άκαμπτης εναντίον ημιάκαμπτης και δυναμικής σπονδυλοδεσίας όσον αφορά: - τις αλλαγές της συνολικής και τμηματικής οσφυϊκής λόρδωσης, - την υποκειμενική αξιολόγηση του αποτελέσματος (SF-36, VAS) - τις σχετικές επιπλοκές.
Open Access
Bone morphogenetic protein (BMP-7) και μοριακά δίκτυα δυνητικών stem κυττάρων στον νεφρό
(2011-04-07T13:28:57Z) Τρίγκα, Κωνσταντίνα; Σωτηροπούλου-Μπονίκου, Γεωργία; Σωτηροπούλου-Μπονίκου, Γεωργία; Βαράκης, Ιωάννης; Γούμενος, Δημήτριος; Ασημακοπούλου, Μάρθα; Κουρέα, Ελένη; Περιμένης, Πέτρος; Φουρτούνας, Κωνσταντίνος; Trigka, Konstantina
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
Η BMP-7 αποτελεί μόριο κλειδί κατά την εμβρυογένεση στον νεφρό, ενώ μετέπειτα, θεωρείται νεφροπροστατευτικός παράγων. Ο νεφρός χαρακτηρίζεται από μία μοναδική πλαστικότητα μεταξύ επιθηλιακών και μεσεγχυματικών κυττάρων. Κατά την ανάπτυξη του Νεφρού, το επιθήλιο του νεφρώνα δημιουργείται μέσω της διαδικασίας της Μεσεγχυματικής προς Επιθηλιακή μετάβαση (ΜΕΤ – Mesenchymal Epithelial Transition). Στην διαδικασία αυτή καθοριστικό ρόλο παίζει η BMP-7. Η αντίστροφη διαδικασία - Επιθηλιακή προς Μεσεγχυματική μετάβαση (ΕΜΤ), συμβάλλει, μετά από νεφρική βλάβη στον ενήλικο νεφρό, στην δημιουργία μεσεγχυματικών κυττάρων – ινοβλαστών με δυνητικά τελικό αποτέλεσμα νεφρική ίνωση που εκδηλώνεται κλινικά ως νεφρική ανεπάρκεια. Εκτός από την ιστική αντίδραση μετά από βλάβη, οι διαδικασίες ΕΜΤ και ΜΕΤ ενέχονται ενεργά στην καρκινογένεση και την διαδικασία της μετάστασης. Τα Stem (βλαστικά) κύτταρα συμμετέχουν στην ομοιόσταση των ιστών, αλλά και στην ιστική επανόρθωση-αποκατάσταση μετά από βλάβη. Κύτταρα με τις μοναδικές ιδιότητες των stem κυττάρων (αυτο-ανανέωση και πολυδυναμία), επίσης εμπλέκονται στις διαδικασίες της καρκινογένεσης και μετάστασης. Οι μοναδικές αυτές ιδιότητες των stem κυττάρων καθορίζονται από μοριακά δίκτυα στα οποία πρωταγωνιστικό ρόλο παίζουν οι μεταγραφικοί παράγοντες Oct4 Sox2 και Nanog, οι πρωτεϊνες της ομάδας Polycomb όπου ανήκει ο EZH2, και microRNAs. Η σηματοδοτική οδός της ΒΜΡ συμμετέχει δραστικά κατά τον επαναπρογραμματισμό ωρίμων σωματικών κυττάρων σε κύτταρα με ιδιότητες stem κυττάρων (iPS). Στον νεφρό, πρόσφατα, έχουν αναγνωρισθεί θέσεις δυνητικών stem κυττάρων.Τελευταίες μελέτες εισηγούνται την συμμετοχή stem κυττάρων κατά την αποκατάσταση της νεφρικής βλάβης και την κυτταρική αναγέννηση στον νεφρό, ενώ τα ακριβή μοριακά γεγονότα, κατά την σημαντικότατη και από κλινικής πλευράς διαδικασία αυτή, απομένουν να διευκρινισθούν. Το θέμα stem κύτταρα και νεφρός αποτελεί ένα ανοικτό προς διερεύνηση, κλινικά πολλά υποσχόμενο πεδίο. Στην παρούσα μελέτη, διερευνήθηκε με μορφολογική (ανοσοϊστοχημική) μέθοδο σε νεφρικό ιστό in situ, η πιθανή συσχέτιση μορίων της σηματοδοτικής οδού ΒΜΡ, με γνωστούς παράγοντες κλειδί σε μοριακά δίκτυα stem κυττάρων. Χρησιμοποιήθηκαν αντισώματα για τον νεφροπροστατευτικό παράγοντα ΒΜΡ7, τον υποδοχέα ΒΜΡR1B και τον ανταγωνιστή της ΒΜΡ7 γκρεμλίνη. Χρησιμοποιήθηκαν επίσης αντισώματα για τους μεταγραφικούς παράγοντες Oct4 και Sox2, για τον παράγοντα της ομάδας Polycomb EZH2, ο οποίος συμμετέχει στην επιγενετική ρύθμιση της μεταγραφής και για ένα γνωστό δείκτη stem κυττάρων την αλδεϋδική δεϋδρογενάση ALDH1, η οποία σχετίζεται με τον καθοριστικό για την τύχη των stem κυττάρων παράγοντα ρετινοϊκό οξύ. Τα ιστικά δείγματα προήλθαν από 49 ασθενείς (30 άνδρες,19 γυναίκες), ηλικίας από 50 έως 79 ετών. Η ανοσοϊστοχημική μέθοδος εφαρμόσθηκε σε εγχειρητικό υλικό νεφρεκτομής λόγω Διαυγοκυτταρικού Καρκινώματος του Νεφρού. Στο υλικό αυτό ανευρίσκεται τόσο η νεοπλασματική μάζα, αλλά και ο παρακείμενος του νεοπλάσματος μη νεοπλασματικός νεφρικός ιστός. Και στα δύο αυτά ιστικά διαμερίσματα του συγκεκριμένου υλικού νεφρεκτομής είναι δυνατόν να ταυτοποιηθούν θέσεις δυνητικών stem κυττάρων (σωματικά stem κύτταρα, καρκινικά stem κύτταρα). Η έκφραση των υπό διερεύνηση παραγόντων μελετήθηκε ανοσοϊστοχημικά τόσο στον νεοπλασματικό ιστό (καρκινικά κύτταρα), όσο και στον παρακείμενο του νεοπλάσματος μη νεοπλασματικό νεφρικό ιστό, όπου εκτιμήθηκε η πιθανή κατανομή στα επιθηλιακά κύτταρα των ουροφόρων σωληναρίων, τα σπειράματα και τον διάμεσο χώρο. Εκτιμήθηκε επίσης η ακριβής εντόπιση των υπό μελέτη παραγόντων στα κύτταρα (πυρήνας, κυτταρόπλασμα, κυτταροπλασματική μεμβράνη). Τα αποτελέσματα από τα δείγματα μη νεοπλασματικού νεφρικού παρεγχύματος και καρκινώματος του ίδιου ασθενούς, συγκρίθηκαν με τη δοκιμασία Wilcoxon. Η παρουσία συσχετίσεων μεταξύ έκφρασης των δεικτών στα ίδια δείγματα ελέχθηκε με τη δοκιμασία συσχετίσεων Spearman Corelation. Για τη σύγκριση πολλαπλών ομάδων, επιστρατεύτηκε η δοκιμασία Kruskal Wallis. Οι κατηγοριοποιημένες μεταβλητές ελέχθησαν με δοκιμασία χ2. Σε όλες τις δοκιμασίες, τιμές με p value < 0,05 θεωρήθηκαν στατιστικά σημαντικές. Οι στατιστικές αναλύσεις έγιναν με το πρόγραμμα SPSS 16.0 for windows. Όλοι οι υπό εξέταση δείκτες εκφράζονται, σε άλλοτε άλλο βαθμό, τόσο στον νεοπλασματικό ιστό όσο και στον παρακείμενο του όγκου μη νεοπλασματικό νεφρικό ιστό. Στον παρακείμενο του όγκου, μη νεοπλασματικό νεφρικό ιστό, η θετικότητα αφορά κυρίως στα επιθηλιακά κύτταρα των σωληναρίων. Διαπιστώθηκε ασθενής κυτταροπλασματική έκφραση της ΒΜΡ-7 στα σωληναριακά επιθηλιακά κύτταρα στον παρακείμενο του όγκου νεφρικό ιστό. Το σημαντικό για την σηματοδότηση της BMP-7, μόριο του υποδοχέα BMPR1B, εκφράζεται στην κυτταροπλασματική μεμβράνη, στο κυτταρόπλασμα αλλά και στον πυρήνα των κυττάρων των ουροφόρων σωληναρίων. Η σαφής παρουσία του υποδοχέα BMPRIB στα κύτταρα των εγγύς σωληναρίων, μπορεί να υποστηρίζει την ενδεχόμενη δράση της ΒΜΡ-7 στα εν λόγω κύτταρα. Αναγνωρίσθηκαν επίσης θέσεις ανοσοϊστοχημικής θετικότητας για τον ανταγωνιστή της BMP-7 γκρεμλίνη στο κυτταρόπλασμα κυττάρων του μη νεοπλασματικού νεφρικού ιστού, σε ινωτικές κυρίως περιοχές. Το γεγονός αυτό, ενδεχομένως επιτείνει την ελάττωση της παρουσίας της BMP-7, αφού η η γκρεμλίνη, ως ανταγωνιστής της ΒΜΡ-7, ανταγωνίζεται την έκφρασή της. Αναγνωρίσθηκε θετική πυρηνική έκφραση των ΕΖΗ2 και OCT4 (για τον δείκτη αυτό και ταυτόχρονη κυτταροπλασματική έκφραση) σε μεμονωμένα κύτταρα των σωληναρίων κυρίως και ελάχιστα των σπειραμάτων.Το SOX2, παρότι ανήκει στους μεταγραφικούς παράγοντες, εντοπίστηκε στο κυτταρόπλασμα και όχι στον πυρήνα, ενώ εκφραζόταν πυρηνικά σε νευρικό ιστό που χρησιμοποιήθηκε και ως εσωτερικός μάρτυρας. Ουσιαστικά, προκύπτει έντονη κυτταροπλασματική χρώση στα σωληνάρια του παρακείμενου του όγκου νεφρικού ιστού. Το γεγονός αυτό, πιθανόν υποδηλώνει ότι η θετικότητα για το SOX2 δεν αφορά stem κύτταρα στον νεφρό, αλλά μετέπειτα στάδια κυτταρικής διαφοροποίησης, πιθανόν τελικώς διαφοροποιημένα σωληναριακά επιθηλιακά κύτταρα. Για την ΑLDH1, παρατηρήθηκε έντονη κυτταροπλασματική εντόπιση στα επιθηλιακά σωληναριακά κύτταρα, γεγονός που υποδηλώνει ότι η αυξημένη έκφραση της δεν περιορίζεται μόνο στα stem κύτταρα, αλλά παρατηρείται και σε πιο διαφοροποιημένα επιθηλιακά κύτταρα του νεφρού. Σε ότι αφορά το νεόπλασμα, διαπιστώθηκε ασθενής κυτταροπλασματική θετικότητα των καρκινικών κυττάρων για την BMP-7, με σαφή ταυτόχρονη όμως θετικότητα για τους επιμέρους παράγοντες της σηματοδοτικής οδού της BMP-7 που μελετήθηκαν (BMPRIB και γκρεμλίνη) και για τους δυνητικούς δείκτες stem κυττάρων. Αναγνωρίσθηκε θετική ανοσοχρώση για τον μεμβρανικό υποδοχέα BMPRIB στο κυτταρόπλασμα και την κυτταροπλασματική μεμβράνη των νεοπλασματικών κυττάρων, ενώ ενδιαφέρον παρουσιάζει το απροσδόκητο εύρημα και της πυρηνικής εντόπισης του BMPRIB στο νεοπλασματικό ιστό, και ιδιαίτερα στην περιφέρεια σε σχέση με κεντρικότερες περιοχές του όγκου. Η γκρεμλίνη, εκφράζεται στο κυτταρόπλασμα των νεοπλασματικών κυττάρων. Ο παράγων EZH2, εκφράζεται τον πυρήνα των καρκινικών κυττάρων, ενώ από πλευράς τοπογραφικής εντόπισης στο νεόπλασμα, διαπιστώθηκε μεγαλύτερη συχνότητα εμφάνισης θετικών πυρήνων στην περιφέρεια σε σχέση με κεντρικότερες περιοχές όπου η θετικότητα ήταν ελάχιστη. Αξιοσημείωτη ήταν η διαπίστωση της θετικότητας για EZH2 σε μεγάλο ποσοστό των καρκινικών κυττάρων σε εμφανείς θέσεις διήθησης. Αναδείχθηκε πυρηνική αλλά και κυτταροπλασματική έκφραση του OCT4 στα καρκινικά κυτταρα, με μεγαλύτερη πυρηνική θετικότητα και πυκνότητα στην περιφέρεια σε σχέση με κεντρικότερες περιοχές του όγκου. Η ανοσοιστοχημική έκφραση του SOX2, ήταν εκτενώς κυτταροπλασματική στον νεοπλασματικό ιστό. Η ALDH1 υπερ-εκφράζεται σταθερά και σε μεγάλο ποσοστό στο κυτταρόπλασμα των νεοπλασματικών κυττάρων στον καρκίνο του νεφρού, σε σχέση με όλους τους άλλους παράγοντες που μελετήθηκαν. Παρόλο που χρησιμοποιείται σε μελέτες ως γενικός δείκτης αναγνώρισης και απομόνωσης stem κυττάρων σε διάφορα όργανα, από τα δεδομένα μας, δεν είναι δυνατόν να ισχυριστούμε ότι υποδηλώνει θέσεις φυσιολογικών stem κυττάρων ή καρκινικών stem κυττάρων, στο διαυγοκυτταρικό καρκίνωμα του νεφρού. Τα αποτελέσματα από τα δείγματα μη νεοπλασματικού νεφρικού παρεγχύματος και καρκινώματος του ίδιου ασθενούς συγκρίθηκαν με τη χρήση της στατιστικής δοκιμασίας Wilcoxon. Η πυρηνική έκφραση του BMPRIB, είναι αυξημένη στο νεόπλασμα συγκριτικά με τα σωληνάρια του παρακείμενου στον όγκο νεφρικού παρεγχύματος και η μεταβολή είναι στατιστικά σημαντική (Wilcoxon p<0,001). Επί πλέον, διαπιστώθηκε στατιστικά σημαντική διαφορά μεταξύ της τιμής έκφρασης της γκρεμλίνης, με εντονότερη έκφραση στον παρακείμενο του όγκου νεφρικό ιστό σε σχέση με τον όγκο (Wilcoxon p<0,001). Σε ότι αφορά την συσχέτιση των μορίων που μελετήθηκαν με κλινικοπαθολογικές παραμέτρους, η παρούσα μελέτη, δεν απέδειξε την ύπαρξη στατιστικώς σημαντικής διαφοράς στην έκφραση των επί μέρους παραγόντων στον νεοπλασματικό ιστό μεταξύ ανδρών και γυναικών. Η στατιστική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, όσον αφορά την έκφραση των επί μέρους παραγόντων σε συνάρτηση με την βαθμίδα διαφοροποίησης (Grade) των όγκων, ανέδειξε στατιστικά σημαντική συσχέτιση μόνο για τον παράγοντα ΕΖΗ2 (p<0,007). Συγκεκριμένα, διαπιστώθηκε ότι, όσο αυξάνεται το Grade του νεοπλάσματος τόσο μειώνεται η ανοσοϊστοχημική έκφραση του ΕΖΗ2 στα νεοπλασματικά κύτταρα. Η έκφραση των άλλων δεικτών είτε στον πυρήνα είτε στο κυτταρόπλασμα, δεν μεταβάλλεται στατιστικώς σημαντικά μεταξύ των Grade του όγκου. Η στατιστική ανάλυση κατά Spearman ανέδειξε θετικές συσχετίσεις μεταξύ αρκετών δεικτών της παρούσας μελέτης. Στα κύτταρα του όγκου διαπιστώθηκε θετική συσχέτιση μεταξύ OCT4 και BMPRIΒ (ένταση πυρηνικής έκφρασης p<0,015, r=0,48, ένταση κυτταροπλασματικής έκφρασης p<0,016, r=0,361). Θετική συσχέτιση διαπιστώθηκε επίσης στα κύτταρα του όγκου μεταξύ OCT4 και ΕΖΗ2 (έκταση πυρηνικής έκφρασης στην περιφέρεια του όγκου p<0,037, r=0,382). Επί πλέον, αναγνωρίσθηκε θετική συσχέτιση στα κύτταρα του όγκου μεταξύ SOX2 και γκρεμλίνης (ένταση κυτταροπλασματικής έκφρασης p<0,002, r=0,467, έκταση κυτταροπλασματικής έκφρασης p<0,019, r=0,334), αλλά και μεταξύ SOX2 και BMPRIΒ (ένταση κυτταροπλασματικής έκφρασης p<0,05, r=0,293). Όσον αφορά τα επιθηλιακά κύτταρα των ουροφόρων σωληναρίων στον παρακείμενο του όγκου μη νεοπλασματικό νεφρικό ιστό, διαπιστώθηκε θετική συσχέτιση μεταξύ SOX2 και BMPRIΒ (κυτταροπλασματική έκφραση p<0,035, r = 0,338). Σε ό,τι αφορά τα σπειράματα στον παρακείμενο του νεοπλάσματος μη νεοπλασματικό νεφρικό ιστό δεν προέκυψε στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ των παραγόντων που μελετήθηκαν. Οι ανωτέρω στατιστικές συσχετίσεις εκτελέστηκαν, με σκοπό την διερεύνηση ενδεχόμενης “συνομιλίας” μεταξύ των επιλεγμένων μορίων της εργασίας. Τα συμπεράσματα που προκύπτουν, θα πρέπει να αξιολογηθούν με την επιφύλαξη ότι, η ανοσοϊστοχημική μέθοδος προσφέρει μόνο την πληροφορία της συνύπαρξης των παραγόντων στα καρκινικά και στα παρακείμενα του νεοπλάσματος, νεφρικά κύτταρα, και δεν διερευνά ουσιαστικά την λειτουργική τους αλληλεπίδραση. Από την μελέτη μας προκύπτει το συμπέρασμα πιθανής “διασυνομιλίας” του μορίου της σηματοδοτικής οδού BMPRΙΒ με τους δείκτες stem κυττάρων OCT4 και SOX2. Οι συσχετίσεις αυτές, σε συνδυασμό με την ενδιαφέρουσα συν-έκφραση των BMPRIB, OCT4 και EZH2, στην περιφέρεια κυρίως του νεοπλάσματος, καθιστά, ίσως, τους δείκτες αυτούς, λειτουργικούς παράγοντες σε κοινά δίκτυα μεταγωγής σήματος. Ωστόσο, η ανοσοϊστοχημική συσχέτιση του BMPRIB με τους προαναφερθέντες δείκτες stem κυττάρων, εμπεριέχει τον κίνδυνο υπεραπλούστευσης κατά την εξαγωγή συμπερασμάτων λειτουργικής συσχέτισης, εξαιτίας του πυκνού δικτύου σηματοδότησης όπου συμμετέχουν οι παράγοντες αυτοί. Τα αποτελέσματα από τις στατιστικές δοκιμασίες που προέκυψαν, παρά τον κίνδυνο υπερεκτίμησης των συσχετίσεων των υπό διερεύνηση μοριακών δεικτών, που εμπεριέχουν, εισηγούνται πιθανώς την αλληλεπίδραση και διαπλοκή των μοριακών αυτών δικτύων στις φυσιολογικές και παθολογικές διεργασίες του νεφρού. Στον παρακείμενο του όγκου μη νεοπλασματικό νεφρικό ιστό, όπως αναφέρθηκε, διαπιστώθηκε ανοσοϊστοχημική πυρηνική θετικότητα σε μεμονωμένα κύτταρα κυρίως των ουροφόρων σωληναρίων για τους δείκτες Oct4 EZH2 και ΒΜΡRIB. Τα συγκεκριμένα ευρήματα πιθανόν εισηγούνται το ενδεχόμενο της παρουσίας δυνητικών stem κυττάρων στις θέσεις αυτές. Όσον αφορά τον νεοπλασματικό ιστό, διαπιστώθηκε ανοσοϊστοχημική πυρηνική θετικότητα στα καρκινικά κύτταρα για τους δείκτες OCT4 EZH2 και ΒΜΡRIB, με ιδιαίτερη κατανομή στην περιφέρεια του νεοπλάσματος σε σχέση με κεντρικότερες περιοχές. Αξιοσημείωτη ήταν η διαπίστωση της θετικότητας για EZH2 σε μεγάλο ποσοστό των καρκινικών κυττάρων σε εμφανείς θέσεις διήθησης. Το απροσδόκητο εύρημα της εντόπισης στον πυρήνα, του μεμβρανικού υποδοχέα ΒΜΡRIB, συμβαδίζει με ανάλογη διαπίστωση για γνωστή κυτταροπλασματική πρωτεϊνη (β-κατενίνη) σε κύτταρα με εντόπιση στην διηθητική παρυφή του καρκίνου στο παχύ έντερο. Τα κύτταρα αυτά έχουν χαρακτηρισθεί ως καρκινικά stem κύτταρα τα οποία υφίστανται την διαδικασία της ΕΜΤ. Στην ΕΜΤ, έχει αποδοθεί επίσης η δυνατότητα να προσδίδει σε κύτταρα ιδιότητες stem κυττάρων. Στην παρούσα μελέτη η εφαρμογή της στατιστικής δοκιμασίας συσχετίσεων Spearman, ισχυροποίησε τα μορφολογικά ευρήματα για τους OCT4 EZH2 και ΒΜΡRIB, αναδεικνύοντας θετική, στατιστικά σημαντική συσχέτιση μεταξύ Oct4 και ΒΜΡRIB (p<0,015) καθώς και OCT4 και EZH2 (p<0,037). Όλα τα προαναφερθέντα υποστηρίζουν το ενδεχόμενο της παρουσίας δυνητικών καρκινικών stem κυττάρων στο Διαυγοκυτταρικό καρκίνωμα του Νεφρού.
Open Access
Breast composition study using ionizing radiation
Μαρτίνη, Νίκη; Νικηφορίδης, Γεώργιος; Καγκάδης, Γεώργιος; Κανδαράκης, Ιωάννης; Φούντος, Γεώργιος; Παναγιωτάκης, Γεώργιος; Μπεζεριάνος, Αναστάσιος; Σακελλαρόπουλος, Γεώργιος; Καρναμπατίδης, Δημήτριος; Martini, Niki
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
Breast cancer is the most common cause of cancer deaths worldwide. Early detection is important in order the patients to have right treatment and better recovery. Masses and microcalcifications (μCs) are important indicators of breast cancer since they are early stage signs. Only the appearance of μCs in a mammogram leads to the detection of significant percentage of breast cancers. Microcalcifications of the breast are described as calcium deposits within the breast tissue and are divided into Type I and Type II. Type I μCs are composed of calcium oxalate, and are associated with benign lesions of the breast. Type II μCs are composed of calcium phosphate, mainly hydroxyapatite, and are associated with malignant breast conditions. Calcifications composed of calcium carbonate are also associated with benign lesions of the breast. Up to date there is no non-invasive method to distinguish between benign and malignant μCs. When μCs, or other suspicious signs, are present in a mammogram, biopsy follows. A non-invasive method that could have the ability to characterize μCs is of interest. Such a method will contribute to discriminate between benign and malignant μCs avoiding painful procedures (biopsy). In the present thesis, the potential of characterization of μCs using the dual energy X-ray technique is examined. Calcium oxalate, calcium carbonate and hydroxyapatite μCs were considered in this study, and their effective Calcium/Phosphorus (Ca/P) mass ratio was calculated through analytical modeling. A monoenergetic study was conducted in order to select the optimum energy pair based on the minimization of the Coefficient of Variation (CV) of the effective Ca/P mass ratio. In the polyenergetic study followed both single and double exposure techniques were examined. Numerous filter materials and thicknesses, selected according to their K-absorption edges, were applied to the X-ray spectra in order to obtain mean energies similar to those indicated by the monoenergetic study. The effective Ca/P mass ratio was calculated for all μCs types and thicknesses using the optimized irradiation conditions. The experimental evaluation was performed using different X-ray tubes and energy integrating and energy dispersive (imaging) detectors for the single and double exposure techniques, respectively. Based on the results of the experimental procedure, statistical significant difference was observed between the different types of minerals when μCs thicknesses were 300 μm or higher.
Open Access
Cell targeting by recombinant retroviruses : trials, failures and early lessons
(2010-06-02T06:58:36Z) Καραβάνας, Γεώργιος; Παπαβασιλείου, Αθανάσιος; Παπαβασιλείου, Αθανάσιος; Βαράκης, Ιωάννης; Δημητρακόπουλος, Γεώργιος; Μανιάτης, Γεώργιος; Φλωρδέλλης, Χριστόδουλος; Παλιογιάννη, Φωτεινή; Ζαρκάδης, Ιωάννης; Karavanas, Georgios
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
-
Open Access
Combining antomical images with estimates of brain activity extracted from electrographic data: methodology and applications
(2010-07-14T06:34:28Z) Badea, Alexandra; Kostopoulos, George; Kostopoulos, George; Pallikarakis, Nicolas; Kouvelas, Ilias; Varakis, Ioannis; Dimopoulos, Panagiotis; Bezerianos, Anastasios; Papatheodoropoulos, Constantinos
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
-
Open Access
Compartmental and deconvolution analysis of physiological systems: determination of renal function parameters and growth hormone secretion rates
(2010-06-09T06:31:24Z) Bogomirov, Bogomir; George, Nikiforidis; -
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
-
Open Access
Computational intelligence methods on biomedical signal analysis and data mining in medical records
(2009-05-05T08:37:03Z) Vladutu, Liviu-Mihai; Μπεζεριάνος, Αναστάσιος; Μπεζεριάνος, Αναστάσιος; Βραχάτης, Νικόλαος; Φακωτάκης, Νικόλαος; Νικηφορίδης, Γεώργιος; Παλληκαράκης, Νικόλαος; Μπούντης, Αναστάσιος; Αλεξόπουλος, Δημήτριος
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
This thesis is centered around the development and application of computationally effective solutions based on artificial neural networks (ANN) for biomedical signal analysis and data mining in medical records. The ultimate goal of this work in the field of Biomedical Engineering is to provide the clinician with the best possible information needed to make an accurate diagnosis (in our case of myocardial ischemia) and to propose advanced mathematical models for recovering the complex dependencies between the variables of a physical process from a set of perturbed observations. After describing some of the types of ANN mainly used in this work, we start designing a model for pattern classification, by constructing several local models, for neighborhoods of the state space. For this task, we use the novel k-windows clustering algorithm, to automatically detect neighborhoods in the state space. This algorithm, with a slight modification (unsupervised k-windows algorithm) has the ability to endogenously determine the number of clusters present in the data set during the clustering process. We used this method together with the other 2 mentioned below (NetSOM and sNet-SOM) for the problem of ischemia detection. Next, we propose the utilization of a statistically extracted distance measure in the context of Generalized Radial Basis Function (GRBF) networks. The main properties of the GRBF networks are retained in a new metric space, called Statistical Distance Metric (SDM). The regularization potential of these networks can be realized with this type of distance. Furthermore, the recent engineering of neural networks offers effective solutions for learning smooth functionals that lie on high dimensional spaces.We tested this solution with an application from bioinformatics, one example from data mining of commercial databases and finally with some examples using medical databases from a Machine Learning Repository. We continue by establishing the network self-organizing map (NetSOM) model, which attempts to generalize the regularization and ordering potential of the basic SOM from the space of vectors to the space of approximating functions. It becomes a device for the ordering of local experts (i.e. independent neural networks) over its lattice of neurons and for their selection and coordination. Finally, an alternative to NetSOM is proposed, which uses unsupervised ordering based on Self-organizing maps (SOM) for the "simple" regions and for the "difficult" ones a two-stage learning process. There are two differences resulted from the comparison with the previous model (NetSOM), one is that we replaced a fixed-size of the SOM with a dinamically expanded map and second, the supervised learning was based this time on Radial Basis Functions (RBF) Networks and Support Vector Machines (SVM). There are two fields in which this tool (called sNet-SOM) was used, namely: ischemia detection and Data Mining.
Open Access
Computer aided diagnosis of mammographic microcalcifications by morphology analysis
(2009-06-10T10:52:03Z) Αρικίδης, Νικόλαος; Kωσταρίδου, Ελένη; Κωσταρίδου, Ελένη; Παναγιωτάκης, Γεώργιος; Φωτόπουλος, Σπυρίδων; Αναστασόπουλος, Βασίλειος; Οικονόμου, Γεώργιος; Καλογεροπούλου, Χριστίνα; Σακελλαρόπουλος, Γεώργιος; Arikidis, Nikolaos
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
Οι μικροαποτιτανώσεις είναι από τις πιο σημαντικές ενδείξεις παθήσεων του μαστού και μπορεί να αποτελέσουν πρώιμη ένδειξη καρκίνου του μαστού. Πρόκειται για εναποθέσεις ασβεστίου στο μαστό με τη διάμετρός τους να κυμαίνεται από 0.1 έως 1 mm και εμφανίζονται είτε μόνες είτε σε ομάδες. Η ακριβής τμηματοποίηση (segmentation) των μικροαποτιτανώσεων στη μαστογραφία συνεισφέρει στην εξαγωγή αξιόπιστων χαρακτηριστικών μορφολογίας, που χρησιμοποιούνται στην αυτόματη διάγνωση με υπολογιστή (Computer-aided Diagnosis, CADx). Στα πλαίσια της παρούσης διδακτορικής διατριβής προτείνεται μία νέα μέθοδος τμηματοποίησης μικροαποτιτανώσεων, η οποία αρχικά εντοπίζει σημεία του περιγράμματος αυτών. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή της μεθόδου ενεργών ακτίνων (Active Rays), πολικός μετασχηματισμός ενεργών περιγραμμάτων (Active Contours), σε 8 διευθύνσεις και σε δύο κλίμακες του μετασχηματισμού κυματίων (wavelet transform) με φίλτρα Β-spline. Ακολούθως, χρησιμοποιείται μέθοδος επέκτασης περιοχής (region growing) για τον ακριβή προσδιορισμό του περιγράμματος της μικροαποτιτάνωσης. Ως κριτήριο για την αύξηση της περιοχής χρησιμοποιήθηκαν τα σημεία στο περίγραμμα της μικροαποτιτάνωσης, όπως αυτά προσδιορίσθηκαν από τη μέθοδο των ενεργών ακτίνων. Επίσης, υλοποιήθηκε μέθοδος ακτινικής βάθμωσης, η οποία έχει πρόσφατα προταθεί στη βιβλιογραφία για την τμηματοποίηση μικροαποτιτανώσεων, και χρησιμοποιήθηκε για συγκριτική αξιολόγηση. Οι δύο μέθοδοι τμηματοποίησης εφαρμόστηκαν σε 149 ομάδες μικροαποτιτανώσεων, κυρίως πλειόμορφων, που αντλήθηκαν από 130 μαστογραφικές εικόνες από τη βάση DDSM (Digital Database for Screening Mammography). Η ακρίβεια τμηματοποίησης των δύο μεθόδων αξιολογήθηκε από τρεις ακτινολόγους με χρήση 5-βάθμιας κλίμακας. Η ακρίβεια τμηματοποίησης της προτεινόμενης μεθόδου βρέθηκε ίση με 3.96±0.77, 3.97±0.80 και 3.83±0.89, όπως αξιολογήθηκε από κάθε ακτινολόγο, και 2.91±0.86, 2.10±0.94 και 2.56±0.76 για την συγκρινόμενη μέθοδο. Οι διαφορές στην ακρίβεια τμηματοποίησης των δύο μεθόδων ήταν στατιστικώς σημαντικές (Wilcoxon signed-ranks test, p<0.05). Επίσης, μελετήθηκε η επίδραση των δύο μεθόδων τμηματοποίησης στην απόδοση μεθόδου αυτόματης διάγνωσης (χαρακτηρισμό) ομάδων μικροαποτιτανώσεων με υπολογιστή. Η μέθοδος αυτόματης διάγνωσης στηρίζεται σε επιβλεπόμενη ταξινόμηση προτύπων χαρακτηριστικών σχήματος ομάδας αποτιτανώσεων. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε ταξινομητής ελαχίστων τετραγώνων – ελάχιστης απόστασης και εξήχθησαν χαρακτηριστικά ομοιότητας και διαφοροποίησης (variability) ομάδας μικροαποτιτανώσεων, τα οποία περιγράφουν τη μορφολογία μεμονωμένων αποτιτανώσεων (εμβαδόν, μέγιστη διάμετρος, σχετική αντίθεση). Η απόδοση ταξινόμησης αποτιμήθηκε μέσω εμβαδού καμπύλης παρατηρητών (ROC). Τα χαρακτηριστικά Εμβαδού και μέγιστης Διαμέτρου επέδειξαν σημαντικά υψηλή απόδοση ταξινόμησης (Mann-Whitney U-test, p<0.05) όταν εξήχθησαν από μικροαποτιτανώσεις τμηματοποιημένες με την προτεινόμενη μέθοδο ενεργών ακτίνων (0.82±0.06 και 0.86±0.05, αντίστοιχα). Η απόδοση ταξινόμησης χαρακτηριστικών που εξήχθησαν με μέθοδο τμηματοποίησης ακτινικής βάθμωσης ήταν 0.71±0.08 και 0.75±0.08, αντίστοιχα. Συμπερασματικά, η προτεινόμενη μέθοδος επέδειξε βελτιωμένη ακρίβεια τμηματοποίησης, εκπληρώνοντας ποιοτικά κριτήρια και ενισχύοντας την ικανότητα χαρακτηρισμού των ομάδων αποτιτανώσεων με ανάλυση μορφολογίας (μεγέθους και σχήματος) μεμονωμένων αποτιτανώσεων. Οι περιορισμοί της προτεινόμενης μεθόδου τμηματοποίησης αποδίδονται κυρίως: • Στην ανάλυση δύο κλιμάκων του μετασχηματισμού κυματίου, με αποτέλεσμα τον περιορισμό της προσαρμοστικότητας της μεθόδου σε μικροαποτιτανώσεις διαφορετικών μεγεθών. • Στην μέθοδο επέκτασης περιοχής περιοριζόμενη από σημεία περιγράμματος σε 8 διευθύνσεις. Οι περιορισμοί της αξιολόγησης της προτεινόμενης μεθόδου τμηματοποίησης αποδίδονται κυρίως: • Στην ποιοτική μόνο αξιολόγηση της ακρίβειας τμηματοποίησης, μέσω ανάλυσης παρατηρητών. • Στην χρήση περιορισμένου αριθμού χαρακτηριστικών μορφολογίας στο σύστημα αυτόματης διάγνωσης. Για την αντιμετώπιση των προαναφερθέντων περιορισμών, προτάθηκε η μέθοδος Ενεργών Περιγραμμάτων Πολλαπλών Κλιμάκων με αρχικοποίηση Ενεργών Ακτίνων στην αυτόματα επιλεγόμενη αδρή κλίμακα κυματίου. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε ο μετασχηματισμός συνεχούς κυματίου για την παροχή πολλαπλών κλιμάκων ανάλυσης. Στο πεδίο των πολλαπλών κλιμάκων εντοπίζεται η βέλτιστη αδρή κλίμακα (coarse scale) ανάλυσης με βάση τη μέγιστη απόκριση περιοχής μικροαποτιτάνωσης (scale-space MC signature). Στη συγκεκριμένη βέλτιστη κλίμακα απόκρισης εφαρμόζεται η μέθοδος των ενεργών ακτίνων για τον εντοπισμό σημείων του περιγράμματος της μικροαποτιτάνωσης σε 8 διευθύνσεις. Από αυτά τα σημεία ορίζεται πλήρως το περίγραμμα με χρήση μεθόδου γραμμικής παρεμβολής στη βέλτιστη κλίμακα απόκρισης. Κάθε σημείο του περιγράμματος ακολουθεί την κατεύθυνση μεγιστοποίησης της βάθμωσης εικόνας για τον καθορισμό του περιγράμματος στην βέλτιστη κλίμακα (directional Active Contour). Για την τελική εξαγωγή του περιγράμματος, οι θέσεις των σημείων του περιγράμματος επανακαθορίζονται στις κλίμακες μεγαλύτερης ακρίβειας (fine scales). Η ακρίβεια τμηματοποίησης της δεύτερης προτεινόμενης μεθόδου αξιολογήθηκε ποσοτικά με το κριτήριο επικάλυψης περιοχής. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται τμηματοποιήσεις από ειδικευμένο ακτινολόγο. Τμηματοποιήθηκαν συνολικά 1157 μεμονωμένες μικροαποτιτανώσεις προερχόμενες από 128 ομάδες μικροαποτιτανώσεων, ψηφιοποιημένες σε ανάλυση 50μm (βάση δεδομένων DDSM). Μελετήθηκε επίσης η επίδραση της ακρίβειας τμηματοποίησης της δεύτερης προτεινόμενης μεθόδου στην απόδοση μεθόδου αυτόματης διάγνωσης ομάδων αποτιτανώσεων με βάση χαρακτηριστικά ομοιότητας και διαφοροποίησης (variability) ομάδας μικροαποτιτανώσεων, τα οποία περιγράφουν τη μορφολογία μεμονωμένων αποτιτανώσεων (εμβαδού: εμβαδόν, μέγιστη διάμετρος, σχετική αντίθεση, εκκεντρότητα, συμπαγότητα, διακύμανση ακτινικών αποστάσεων, περιοχής: ροπές 1ης και 2ης τάξης, και περιγράμματος: χαρακτηριστικό ροπής και συχνότητας). Ακολούθως, τέσσερα συστήματα αυτόματης διάγνωσης σχεδιάστηκαν βασιζόμενα στον ταξινομητή ελαχίστων τετραγώνων – ελάχιστης απόστασης και μορφολογικά χαρακτηριστικά εξήχθησαν από τις τρεις αυτόματες μεθόδους τμηματοποίησης (δύο προτεινόμενες και μία συγκρινόμενη). Η ποσοτική αξιολόγηση των προτεινόμενων μεθόδων τμηματοποίησης με χρήση δείκτη επικάλυψης περιοχής απέδειξε ότι μόνο η μέθοδος των Ενεργών Περιγραμμάτων Πολλαπλών Κλιμάκων με αρχικοποίηση Ενεργών Ακτίνων στη βέλτιστη κλίμακα ανάλυσης χαρακτηρίζεται από εξίσου υψηλή απόδοση για τις μικρού (<500μm) και μεγάλου (>500μm) μεγέθους μικροαποτιτανώσεις. Επιπλέον, ο ταξινομητής που βασίστηκε σε χαρακτηριστικά εξαγόμενα από τη βελτιστοποιημένη μέθοδο τμηματοποίησης παρουσίασε καλύτερη απόδοση ταξινόμησης (0.779±0.041) από τους ταξινομητές που βασίστηκαν σε χαρακτηριστικά εξαγόμενα από τη μέθοδο Ενεργών Ακτίνων (0.667±0.041) και τη μέθοδο ακτινικής βάθμωσης (0.670±0.044). Η απόδοση ταξινόμησης του βελτιωμένου αλγόριθμου τμηματοποίησης ήταν δε παρόμοια με την απόδοση του ταξινομητή που βασίστηκε σε χαρακτηριστικά εξαγόμενα από χειροκίνητα τμηματοποιημένες μικροαποτιτανώσεις (0.813±0.037).
Open Access
Computer assisted diagnosis of brain tumors based on statistical methods and pattern recognition techniques
(2011-01-05T09:06:21Z) Γεωργιάδης, Παντελής; Νικηφορίδης, Γεώργιος; Νικηφορίδης, Γεώργιος; Κάβουρας, Διονύσης; Σολωμού, Αικατερίνη; Σιαμπλής, Δημήτριος; Βερβερίδης, Κωνσταντίνος; Οικονόμου, Γεώργιος; Σακελλαρόπουλος, Γεώργιος; Georgiadis, Pantelis
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
Η εισαγωγή της Μαγνητικής Τομογραφίας (ΜΤ) στην κλινική πρακτική και η συμπληρωματική πληροφορία που δίνει η Φασματοσκοπία Μαγνητικού Συντονισμού (ΦΜΣ) συνιστά μια από τις πιο σημαντικές εξελίξεις στη διάγνωση ασθενών με καρκίνο εγκεφάλου [1]. Παρ’ όλα αυτά, οι εικόνες ΜΤ είναι συχνά δύσκολο να ερμηνευθούν από τους ειδικούς λόγω [2] α/ της υποκειμενικότητας και περιορισμένης εμπειρίας του παρατηρητή στην εκτίμηση εικόνων που παράγει η σχετικά νέα αυτή τεχνολογία, β/ των ποικίλων κλινικών χαρακτηριστικών των όγκων (π.χ. τύπος, διαβάθμιση κακοήθειας κλπ.) και γ/ της ιδιαιτερότητας των όγκων στην αντίθεση που παρουσιάζουν με τον περιβάλλοντα ιστό. Μόνο λιγοστές μελέτες έχουν διεξαχθεί για να χαρακτηρίσουν ιστούς εγκεφάλου μέσω της ανάλυσης ποσοτικών χαρακτηριστικών από εικόνες εγκεφάλου ΜΤ [3, 4]. Ενώ έχει ήδη τονιστεί η αναγκαιότητα συσχετισμού της διαγνωστικής και προγνωστικής πληροφορίας που προέρχεται από εικόνες ΜΤ και σήματα ΦΜΣ στη διεθνή βιβλιογραφία [5], υπάρχουν λιγοστές ανάλογες αναφορές για τον σχεδιασμό και υλοποίηση συστήματος Η/Υ αυτόματης διάγνωσης όγκων εγκεφάλου κάνοντας συνδυασμό ποσοτικής πληροφορίας προερχόμενης από εικόνες ΜΤ και σήματα ΦΜΣ [6, 7]. Οι στόχοι της παρούσας διατριβής εστιάζονται στα παρακάτω: - στη μελέτη, ανάπτυξη και η υλοποίηση υπολογιστικού συστήματος αυτόματης ταξινόμησης όγκων του εγκεφάλου μέσω της ποσοτικής ανάλυσης εικόνων ΜΤ το οποίο θα βελτιώνει την ακρίβεια ταξινόμησης σε σχέση με ήδη υπάρχοντα συστήματα [4, 8, 9], όπως αυτά περιγράφονται στην διεθνή βιβλιογραφία μεταξύ πρωτογενών και δευτερογενών όγκων εγκεφάλου καθώς και μεταξύ γλοιωμάτων και μηνιγγιωμάτων με την χρήση δέντρου ιεραρχικής απόφασης δύο επιπέδων. Επιπλέον, στην ανάδειξη πως η χρήση ενός μη-γραμμικού πολυωνυμικού μετασχηματισμού ελάχιστων τετραγώνων των χαρακτηριστικών υφής έχει ως αποτέλεσμα την βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης του ταξινομητή πιθανοκρατικού νευρωνικού δικτύου. - στην επέκταση και την βελτίωση του συστήματος αυτόματης ταξινόμησης όγκων του εγκεφάλου χρησιμοποιώντας α/ ογκομετρικές ποσοτικές παραμέτρους εικόνων ΜΤ, β/ ταξινομητή μηχανών διανυσμάτων στήριξης μαζί με τη μεθοδολογία συνάθροισης αποτελεσμάτων ταξινόμησης από τυχαιοποιημένα δείγματα κατηγοριών δημιουργημένων με επαναδειγματοληψία για κάθε κόμβο δέντρου ιεραρχικής απόφασης δύο επιπέδων όπου στο πρώτο επίπεδο πραγματοποιήθηκε διαχωρισμός μεταξύ πρωτογενών και δευτερογενών όγκων εγκεφάλου και στο δεύτερο και μεταξύ γλοιωμάτων και μηνιγγιωμάτων και γ/ έναν τροποποιημένο πυρήνα ακτινικής συνάρτησης βάσης για τον ταξινομητή μηχανών διανυσμάτων στήριξης ο οποίος περιλαμβάνει την τεχνική μη-γραμμικού πολυωνυμικού μετασχηματισμού ελάχιστων τετραγώνων με στόχο την βελτίωση της ακρίβειας ταξινόμησης. - στην περαιτέρω επέκταση και την βελτίωση του συστήματος αυτόματης ταξινόμησης με την εισαγωγή χαρακτηριστικών προερχόμενων από σήματα ΦΜΣ ώστε να διερευνηθεί εάν η χρήση του μπορεί να βελτιώσει τα αποτελέσματα ταξινόμησης μεταξύ μηνιγγιωμάτων και μονήρων μεταστάσεων. Τέλος κάνοντας μια περίληψη, η παρούσα διατριβή διαπραγματεύεται τον σχεδιασμό, ανάπτυξη και υλοποίηση μεθόδων και αλγορίθμων για την επεξεργασία και ανάλυση ιατρικών εικόνων, επικεντρώνοντας ειδικότερα στην εφαρμογή των μεθόδων αυτών για την διάγνωση του τύπου των όγκων εγκεφάλου. Τα πιο βασικά συμπεράσματα που απορρέουν από την παρούσα διατριβή είναι τα ακόλουθα: α/ Το σύστημα ταξινόμησης των τύπων των όγκων εγκεφάλου που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε αυξάνει τα ποσοστά ορθής ταξινόμησης σε σχέση με τα υπάρχοντα. β/ Η κωδικοποίηση των ιδιοτήτων της υφής που προέρχεται από τον σύνολο του όγκου παρέχει επιπρόσθετη πληροφορία στο σύστημα ταξινόμησης αυξάνοντας τα ποσοστά επιτυχούς διαχωρισμού. γ/ Τα χαρακτηριστικά φασματοσκοπίας μαγνητικού συντονισμού αποτελούν επιπρόσθετη αξία στο χαρακτηρισμό του τύπου των όγκων εγκεφάλου μιας και οδήγησαν στην αύξηση του ποσοστού επιτυχούς διαχωρισμού του συστήματος ταξινόμησης.
Open Access
Connectivity measures of EEG microstructural elements in sleep and epilepsy
Σακελλαρίου, Δημήτρης; Κωστόπουλος, Γεώργιος; Παπαθεοδωρόπουλος, Θεόδωρος; Κουτρουμανίδης, Μιχάλης; Παπαθεοδωρόπουλος, Θεόδωρος; Κουτρουμανίδης, Μιχάλης; Κωστόπουλος, Γεώργιος; Sakellariou, Dimitris
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
From birth to death, we spend at least one third of our lives asleep. After decades of research the reasons still remain to be elucidated. Greek mythology describes sleep as the brother of death while Edgar Allan Poe reads that the boundaries that divide life from death are, at best shadowy and vague. A neuropathy of the brain, closely related to sleep is epilepsy. Epilepsy is a group of neurological disease that express by epileptic seizures and has been characterised by Hippocrates as the Sacred Disease. The ause of most cases of epilepsy is unknown. Both sleep physiology and epilepsy diagnosis are studied via the Electroencephalogram (EEG). Although many studies have looked into the EEG macrostructural architecture of both, the modern technological advancements have made available the detailed investigation of microstructural EEG elements, such as the sleep spindle and the spike and wave discharge, using various computational techniques with brain connectivity being amongst them. In this study we focus on the computational investigation of the sleep spindle and the spike and wave discharge, hallmark EEG elements of sleep and epilepsy respectively. The sleep spindle has been associated with various cognitive functions and neuropsychological diseases, whereas the spike and wave discharge is the primary EEG indicator for epilepsy. For the computational study of the above we have used a range of computational techniques, such as time averaging, voltage topographies and time frequency analysis. Moreover, we developed a connectivity method specifically designed for the investigation of EEG microelements. This connectivity tool makes use of the Imaginary part of Coherence, reduces the volume conduction and reference EEG problems while it features sophisticated error-assessment statistical analysis. Secondly, in a network examination of ten healthy subjects a strongly interacting network that involves parietal-occipital and left frontal areas was identified. Furthermore, another two substantially interconnected nodes related to occipital and right frontotemporal regions were found. These findings suggest that these areas are primarily crucial in the maintenance and regional distribution of the sleep spindle and furthermore important in the understanding of various physiological and abnormal br.ain functions the sleep spindle function are involved with. In order to study the fundamental origins of epileptiform EEG manifestations, the boundaries between the survivable condition and irreversible coma conditions, GSWD were invastigated in Non Colvulsive Status Epilepticus and Anoxic Brain Injury patients. Although the morphological aspects of the GPEDs between NCSE and ABI patients were indifferent, a clear differentiation between the two was found with regards to the voltage topography of the negative GPD phase. Finally, in order to elucidate possible links between sleep spindles and spikes generators we looked into those in 3 groups of idiopathic focal epilepsies of childhood. A positive correlation between spike and spindle density as well as between the morphology of spikes and spindles was found. The latter suggest that the generation of spikes and spindles is likely to be under led by similar neurophysiological mechanisms.
Open Access
Contrast detail analysis in mammography utilizing Monte Carlo methods
(2011-04-20T09:07:08Z) Μεταξάς, Βασίλειος; Παναγιωτάκης, Γεώργιος; Παναγιωτάκης, Γεώργιος; Κωσταρίδου, Ελένη; Καλογεροπούλου, Χριστίνα; Metaxas, Vasileios
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
Mammography, either for screening or for the examination of a woman who displays symptoms of breast cancer, must be capable of revealing subtle differences in density and composition of breast parenchymal tissue, as well as the presence of any abnormalities. This is a challenging imaging task since connective tissue, glandular tissue, skin and fat must be simultaneously visualized and differentiated, while having very similar attenuation coefficients and thus low subject contrast. The detection of small low-contrast lesions is essential for screening mammography. Because the mammogram is a projected image of superimposed breast structures, it is generally more difficult to detect cancer in a dense breast pattern. This is attributed to minor differences in x-ray attenuation between lesions and the surrounding parenchymal. The visibility of small structures on a mammogram is restricted by the compromise between the image quality and the absorbed dose. This leads to a continuous drive for improved techniques, mainly with respect to improving the low contrast character of the technique. In the framework of this master thesis, the imaging performance of a wide range of mammographic spectra has been evaluated and their influence on imaging of inhomogeneities was studied. These spectra correspond to several combinations of anode (Mo, Rh, W) and filter (Mo, Rh, Nb, Zr Al, and Pd) materials and diameters (90–250 μm), and tube voltages (26-30 kVp), with 1 mm Be-window inherent filtration. A properly designed mathematical breast phantom was utilized, simulating water, containing two identical spherical inhomogeneities of air of various diameters. An earlier developed and validated Monte Carlo model (MASTOS), was utilized for the simulation studies. Utilizing the developed model, the influence of the factors affecting the x-ray spectrum (tube voltage, anode material, filter material) on the detectability of small low contrast lesions was investigated in terms of Contrast to Noise Ratio (CNR) and Contrast-Detail (CD) analysis. Results demonstrate that spectra mainly produced from W anodes and filtered with k-edge filters (Mo, Rh, Nb, Pd and Zr) provide improved imaging characteristics that is similar and in some cases better compared to commonly used Mo and Rh anodes filtered with k-edge filters, especially for inhomogeneities of larger diameters. However, in the case of inhomogeneities of smaller diameter softer spectra mainly produced from Mo anodes and spectra filtered with k-edge filters of low energy k-absorption edge provide better CNR. As far as the filter material is concerned, k-edge filters demonstrate improved imaging performance compared to Al filter. This is the reason that justifies the use of these filters in clinical mammographic procedure. Tube voltage has a limited effect on CNR for all inhomogeneity sizes. As a conclusion, the discriminability of low contrast details, in terms of CNR, depends on all the parameters affecting the x-ray spectrum, but especially on the combination of the anode material and filter.
Open Access
Design and implementation of a digital density equalisation technique in mammography
(2010-06-18T10:39:38Z) Στεφανογιάννης, Α.; Παναγιωτάκης, Γεώργιος; Παναγιωτάκης, Γεώργιος; Δημόπουλος, Ιωάννης; Αναστασόπουλος, Βασίλειος; Νικηφορίδης, Γεώργιος; Δεληγιάννης, Θεόδωρος; Φωτόπουλος, Σπυρίδων; Κωσταρίδου, Λένα; Stefanoyannis, A.
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
-
Open Access
Design and implementation of algorithms for medical image registration and fusion
(2008-09-11T05:51:45Z) Καγκάδης, Γεώργιος Χ.; Νικηφορίδης, Γεώργιος; Νικηφορίδης, Γεώργιος; Αναστασόπουλος, Βασίλειος; Δημητρίου, Παναγιώτης; Δεληγιάννης, Θεόδωρος; Δημόπουλος, Ιωάννης; Σιαμπλής, Δημήτριος; Δουγένης, Δημήτριος; Kagadis, George C.
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
The work covered in this thesis deals with the problem of automatically registering 3D images acquired from different medical imaging modalities. The approach taken is to develop generic measures of image registration derived from the co-occurence of values in the two images. The development of statistical alignment measures is reviewed. The registration problem is then expressed in terms of entropy and developed using tools from information theory. The problem of the optimization of the registration process in the different types of algorithms is identified as important and the power of Genetic Algorithms is applied. The application of image registration techniques, implemented during this thesis, in complex situations is evaluated. The cases of patients with brain ischemia and brain tumour residual disease are elaborated. This is accomplished with the formation of Groupwares where the tacit knowledge, owned by the individual specialists that take part in the collaboration, is exposed and made explicit in the process of the evaluation of the findings, provided by the fused images. This is performed in a high performance computer network that has been developed between the Department of Medicine and the University Hospital.
Open Access
Development and evaluation of a small animal PET protype compatible with strong magnetic fields
(2015-05-25) Ευθυμίου, Νικόλαος; Παναγιωτάκης, Γεώργιος; Παναγιωτάκης, Γεώργιος; Βασιλάκος, Παύλος; Νικηφορίδης, Γεώργιος; Καγκάδης, Γεώργιος; Κανδαράκης, Ιωάννης; Λούντος, Γεώργιος; Τσούμπας, Χαράλαμπος; Efthimiou, Nikolaos
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
A valid definition of molecular imaging could be the noninvasive, real-time visualization of biochemical events at the cellular and molecular level within living cells, tissues, and/or intact subjects.The words molecular imaging mean different things to various groups, and thus the areas of research and medicine that fall under the umbrella of molecular imaging are incredibly vast and varied.Generally speaking, molecular imaging involves specialized instrumentation, used alone or in combination with targeted imaging agents, to visualize tissue characteristics and/or biochemical processes. The data provided from molecular imaging studies can be used to help understand biological phenomena, identify regions of pathology, and provide insight regarding the mechanisms of pathogens. The PET-MRI combination requires the implementation of four technologic achivements that influence current state-of-the-art PET and MRI. First, the photomultiplier technology must be replaced with magnetic field–insensitive avalanche photodiodes. Second, compact PET detectors must be constructed in such a way to be transparent to the MRI and so to not interfere with the field gradients or MR radiofrequency. Third, the MRI scanner must be adapted to accommodate the PET detectors and to allow simultaneous and concurrent data acquisition. Finally, investigation on the optimum reconstruction strategies to accompany such a system incorporating completely new procedures for PET attenuation correction, based solely on MRI information, have to be performed. The development of integrated PET-MRI is, therefore, a comprehensive endeavor that requires a significant advancement of PET detector technology, MRI system integration, and new software approaches. Historically, PET systems have generally developed as circular “rings”. The earliest tomographs consisted of few detectors that rotated and translated to obtain a complete set of projection data, but soon full ring systems were developed. Yet, dual head PET scanners, due to their smaller size, compact geometry and closer proximity to the source can provide optimum dedicated scanning. In other cases imaging can be performed where convensional full ring geometries cannot be used. The have been proven valuable tools in preclinical imaging and are emerging in clinical cases like in PEM (Positron Emission Mammography). For the current Ph.D. thessis a planar dual head PET system was used for the evaluation of the reconstruction algorithms as well as the validation of the simulation models. It was developed by the Detector and Imaging Group of the Thomas Jefferson National Accelerator Facility (USA) in collaboration with the Medical Instruments Technology dep. of the Technological Educational Institute of Athens and is currently installed at the Institute of Radioisotopes - Radiodiagnostic prod. at the National Center for Scientific Research “Demokritos”. The system has two planar detectors. Each head contains one Hamamatsu H8500 PSPMT with 50$\times$50 mm$^2$ active size; an LSO:Ce crystal array with 20x20 pixels, 2x2x10 mm^3 in size. The septa between the crystals are 0.2 mm. The two detector heads were mounted on a gantry made initially from wood and afterwards from plastic. The materials were selected for their magnetic tolerance and low cost. In addition, their construction allow the easy adjustment of the head separation distance according to the needs of the experiment. The minimum separation distance between the two heads can be 7 cm and the maximum 14 cm. Moreover, it is capable to accept two additional heads in order to support a quad head system. The system is able to provide images without rotation using the Focal Plane Tomography algorithm. While using step and shoot acquisition it can provide tomographic images based on the acquired planar projection data or data obtained in listmode format and sorted in 3D sinograms similar to cylindrical PET systems. Evaluation of the system under planar imaging showed that for head separation distance 5 cm, the system maintains its linear performance for activities up to 3.5 MBq, which is sufficient for mice applications. For larger separations distances this value is well above 4 MBq. It is fully capable of providing fast planar coincidence images as well as non-kinetic tomographic images using a step and shoot rotation. The main drawback of the rotating head approach remains of low sensitivity compared to the full-ring systems. The best spatial resolution, in the center of the FOV, is 2.5 mm in the planar mode and 1.9 mm in the tomographic mode. For head separation distances below 8 cm the FOV appears to be uniform in the central 4x4 cm^2 area in planar and in tomographic acquisitions. Further on the edges the sensitivity is reduced to the 10%. The performance of the system in imaging small animals, despite any limitations on the reconstruction, is considered satisfactory.Fast planar images, for pharmaceutical kinetic analysis, can be obtained. While using the rotating capabilities of the gantry, all the important anatomical structures are imaged in detail. The geometry of the prototype system was simulated using GATE 6.0. Two simulation models were implemented and validated. With and without the ^176Lu radioactivity, since the LSO intrinsic radioactivity is not included by default to GATE simulations. The two models were validated with reference experimental data in terms of dark count rate, count rate performance (cps) and scatter fraction (sf). In addition the effect of the low level discriminator (LLD) threshold on signal as well as image quality is compared to the effect of the software energy window. The intrinsic radioactivity concentration of the ^176Lu was found in literature as 277Bq/cm^3. The intrinsic activity was uniformly distributed within the volume of the crystal array, accounting for the septa volume between the crystals. Close investigation on the origin of the detected events in the simulated data, concluded that the use of high LLD thresholds and a wide energy window improves the sensitivity of the system in terms of NECR, since greater number of true events are detected while randoms and scatters are early rejected. Investigation on the SNR properties, using a additional water phantom,to approximate the small animal body, showed that the value peaks when the low energy window limit is at 350 keV. Below that limit the scatters are strongly increased and above a portion of the trues is rejected. The minimum detectable activity of the system was assessed to 12.4 KBq, under the aforementioned imaging conditions. Using a more complex phantom, rather than a capillary source, the minimum detectable activity is expected to take higher values. Simulation were carried out incorporating the influence of a static magnetic field. The results suggested great improvement on the minimum detectable activity, in the case were there is not sufficient medium around the source for positron annihilation. Hence, improvements on the detectability of small lesions in the lungs of near the skin, are to be expected in an PET/MR module. This is a positive side effect of the magnetic field which has not been stressed out in literature. In addition, the results showed that the spatial resolution of the system got improved, as expected. In order to address the limitations of the rotating planar reconstruction, STIR reconstruction toolkit was introduced. STIR is a well validated reconstruction toolkit providing the OSEM algorithm, accompanied with a great variety of applicable options and filters. For the current studies only OSEM with 2 iterations was used. Possible image improvements on the image quality with the use of filters and priors was out of the scopes of this thesis. In addition, a component based normalization technique and an attenuation correction approximation were applied during the reconstruction. In order to produce the normalization sinograms two different source were simulated. First, an ideal cylindrical source, covering the entire FOV for the extraction of the axial geometric factors and the detector efficiencies. Second, a planar rotating source in order to calculate the transverse geometric factors and crystal interference functions. For the calculation of the experimental PET's detector efficiencies an plastic planar source was constructed rotated mathematically around the FOV, in order to approximate the ideal cylindrical of the simulation. The components of the normalization were geometric (transverse and axial), detector efficiencies and crystal interference functions. The normalized reconstructed images images, simulated as well as experimental, demonstrate uniform sensitivity inside the FOV. The final, part of a small animal imaging PET system, compatible with strong magnetic fields, which was under investigation, was the part of the detector. Current trends lead to the SiPMs as the next generation of PET detectors due to the magnetic tolerance. SiPM detectors purchased from SensL were evaluated in terms of their output pulse and noise characteristics, photon detection efficiency and linearity over the bias voltage and the energy of the irradiating source. Two SiPM detectors were evaluated SPMM-3020 and SPMM-3035. The differences reside on the difference size, wherefore and total number, of SPAD elements. In order to overcome limitations on the manufacturer's electronics a custom amplifier was designed and implemented. The amplifier was able to condition the signals from both SiPM to be acquired correctly from the DAQ. SPMM-3020, which had more and smaller SPAD elements showed a more linear response under a wide variety of conditions ranging to different operational voltages to crystals with higher light output irradiated from sources with different γ-photon energy. In addition, under normal room temperature the noise propertied were superior over SiPM-3035. The results indicate that this detector would be the preferable choice for a SPECT system, which the imaging protocols require the linear and accurate detect many different $\gamma$-photon energies. SPMM-2035, which had less and larger SPAD elements displayed better energy resolution and a narrower but adjustable (through the operating voltage) linear area. The provided signal was higher, hence less amplification was demanded for it to be recorded, even after long transition though cables. These merits make it a suitable candidate for PET-MR scanners since in PET imaging the energy of the detected γ-photons is only 511 keV and the linear area can be adjusted according to the crystal's light output.
Open Access
Development of a functional model for the description of protein interaction networks
Γιουτλάκης, Άρης; Gioutlakis, Aris
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
The elucidation of the underlying mechanisms that link genotypes to expressed phenotypes is one of the main challenges that life sciences face today. One of the steps that can help us reach that goal, is the mapping of the protein-protein interaction (PPI) networks for various species, and especially for human. Pertaining to that, tens of thousands of scientific experiments have been conducted to date, each one uncovering parts of these vast networks. These results are then collected and recorded by primary PPI databases. Unfortunately, these databases exhibit limited overlap, use incompatible terminology and above all, describe their recorded interactions at different levels of genetic reference. Due to how genetic information is organized in living organisms, the mappings from one level of reference to another are non-reversible which results in non-isomorphic projections causing unavoidable introduction of ambiguous and false-positive interactions. The goal of this thesis is the development of a novel modeling and integration methodology that can be applied on multilayered, interconnected domains, called ontological integration, intended to be used on similar challenges as this. Through the application of this method, we developed a meta-database for the human protein interactome, called PICKLE 2.0 (Protein InteraCtion KnowLedgebasE). To facilitate the generation and maintenance of this database, an appropriate algorithm was developed, based on novel data structures that were specifically designed to provide crucial optimizations for biological data. PICKLE is available at: http://www.pickle.gr/.
Open Access
Development of a medical decision support system using advanced machine learning and data mining techniques in nuclear medicine
Αποστολόπουλος, Ιωάννης; Apostopoulos, Ioannis
Τμήμα Ιατρικής (ΔΔ)
Deep Learning (DL) has become dominant in computer vision and its applications are broadly met in several domains. Image and video processing, object detection, object segmentation, and image/video synthesis are some of the most popular applications of DL. DL has attained remarkable results in such fields and has proven to be superior to conventional Machine Learning (ML) methods. DL’s innovation lies in massive and automatic feature extraction. In contrary with ML, it enables the automatic extraction of millions of potential significant features from any kind of input source. Before the era of Deep Learning, feature extraction was constrained. DL networks are endowed with methods to achieve both feature extraction and feature assessment, thereby reaching to decisions by filtering out some of the irrelevant extracted features. The advances in computational capabilities over the recent years have catalyzed the implementation of DL, even in tasks where ML has undeniable success already. DL can leverage modern computers and advance further. In Medical Imaging, the applications of DL have not reached their full potential. Several studies report innovative DL solutions to achieve medical image classification, segmentation, registration and synthesis. However, medical images are a disparate source of information. Unlike conventional images, a medical image contains sensitive information, intricate tissues, bone and organ structures, and ambiguous entities. Subsequently, DL implementations are rigorous and the medical experts are often reluctant to relying their decisions on DL-based frameworks. Despite DL’s progress, it is still acting as a black-box, which raises several concerns among the medical community. Medicine needs explainable solutions, total transparency in decision-making, and accountability. In this context, an increasing amount of research papers are suggesting technical solutions to aid to this matter, which is often met as “interpretability”, or eXplainable Artificial Intelligence (XAI). Nevertheless, DL is enjoying some praise in medical image detection, segmentation, reconstruction and processing tasks. Those tasks do not involve sophisticated decision-making procedures necessarily, but are a preliminary step to decision-making, which is still offered by the human experts. From a technical point of view, medical image classification is more naïve compared to detection and segmentation. However, it is more challenging. The reason is that the classification task involves much more than isolating and segmenting objects. It requires some level of reasoning and cognition of the biological, chemical and physical processes to accurately and transparently classify an image, especially when the important high-level features are not visible by the human eye. The main objective of the thesis is to explore the benefits of DL for various medical imaging tasks, such as image classification and data augmentation. Five sub-studies are analytically conducted, presented and discussed. The main focus of the doctoral thesis is lung cancer, and more specifically, Solitary Pulmonary Nodule (SPN) characterisation, as well as Cardiovascular Diseases, and more specifically, the Coronary Artery Disease (CAD). The study involves data acquired from the PET scanner and the SPECT scanner of the Laboratory of Nuclear Medicine of the University Hospital of Patras. Firstly, the challenge of SPN malignancy characterisation based-on PET/CT images is addressed. The experiments include classification based on 2D SPN images using transfer learning with Convolutional Neural Networks (CNN), which are the cornerstone of DL methods in imaging tasks. In addition, Generative Adversarial Networks (GANs) are employed to synthesise new SPN representations that serve as additional data and improve the learning horizons of the DL methods. Finally, a 3D DL model is proposed to assess the malignancy of SPNs using volumetric data, which are extracted from multiple 2D PET/CT slices. The results verify that DL models compete with the human eye and show great agreement with the medical experts. In this context, transfer learning and GANs are proved to be remarkable methods for medical image classification and data augmentation tasks. Next, the study involves experiments for CAD diagnosis based on 2D Polar Maps acquired from a Myocardial Perfusion Imaging (MPI) SPECT system. In this particular study, a multi-input DL framework is designed to handle both image and clinical information for CAD diagnosis. This framework achieved impressive agreement with the human experts. Finally, the study provides insights on the quality and the usefulness of the extracted image features. To this end, extensive experiments focused on potential biomarker detection and discovery, are conducted. Eleven biomedical imaging datasets are employed to assess DL’s capabilities in classification, feature visualisation, and decision explanation. For those tasks, feature activation maps and other visualisation methods are employed. The experiments revealed that DL methods can mine significant features that could potentially serve as image biomarkers. However, the interpretation of those features’ nature is constrained, because DL models still lack transparency. In addition, it is observed that some features are difficult to reproduce. Those aspects need further attention by the research community in order for DL to evolve into a robust, transparent and reliable strategy for medical image purposes. The present Doctoral Thesis paves a way towards the development of Medical Decision Support systems for assisting the Nuclear Medicine staff with medical image interpretation. The developed frameworks show significant potential and great agreement ratings with the supervising experts. Finally, they are ready for deployment in real-time routine for further evaluation.