Simulation studies on x-ray imaging of brain parenchyma and tumours
Authors: Δερμιτζάκης Αριστείδης 
Published: August 2021

Η αξονική τομογραφία (ΑΤ) είναι μια απεικονιστική μέθοδος ακτίνων χ η οποία παρότι παρέχει πολλά πλεονεκτήματα, υπολείπεται της ικανότητας να απεικονίσει τους μαλακούς ιστούς στο εγκεφαλικό παρέγχυμα καθώς και τις νεοπλασίες όταν αυτές βρίσκονται σε πρώιμα στάδια. Σκοπός της παρούσης έρευνας είναι να διερευνήσει αν θα μπορούσε η ΑΤ να χρησιμοποιηθεί για την απεικόνιση των μαλακών ιστών του εγκεφάλου, καθώς κάτι τέτοιο θα προσέφερε ένα πολύ ισχυρό εργαλείο στους γιατρούς για την καθημερινή κλινική πράξη.Η ΑΤ λόγω του χαμηλού της κόστους, της μεγάλης της ταχύτητας και της ικανότητας της να απεικονίζει ταυτόχρονα σκληρό και μαλακό ιστό, είναι μία από τις πιο συχνά χρησιμοποιούμενες απεικονιστικές μεθόδους στα έκτακτα περιστατικά. Δίνοντας στην ΑΤ την δυνατότητα να παράγει εικόνες στις οποίες διαχωρίζονται οι ιστοί του εγκεφαλικού παρεγχύματος, και κατά συνέπεια των νεοπλασιών πρώιμου σταδίου, θα αυξάνονταν πολύ οι πιθανότητες να ανιχνευτούν ασθένειες οι οποίες μέχρι στιγμής ανιχνεύονται μόνο με χρήση Μαγνητικής Τομογραφίας (ΜΤ), όπως απομυελινωτικές ασθένειες, άνοια, εγκεφαλικές αγγειακές νόσοι, μολυσματικές ασθένειες, επιληψία, καθώς και νεοπλασίες του εγκεφάλου σε πρώιμο στάδιο. Έχουν αναφερθεί πολλές περιπτώσεις όπου παθολογίες του εγκεφάλου (όπως νεοπλασίες) διαγνώσκονται από ΑΤ οι οποίες γίνονται για τελείως διαφορετικούς λόγους (π.χ. τροχαίο ατύχημα). Μια ανεπτυγμένη τεχνική ΑΤ απεικόνισης του εγκεφάλου θα μπορούσε να οδηγεί σε πολύ καλύτερη παρακολούθηση και εντοπισμό παθολογίων του κεντρικού Νευρικού Συστήματος (ΚΝΣ).Βασικός στόχος της παρούσας έρευνας, είναι να γίνει εφικτή η διάκριση της λευκής από της φαιά ουσία του εγκεφάλου με χρήση ΑΤ. Κάτι τέτοιο θα επέτρεπε την ανίχνευση πόλλων παθολογιών, θα μείωνε το κενό μεταξύ ΑΤ και ΜΤ και αποτελεί την βασική συνθήκη η οποία θα οδηγήσει στην απεικόνιση των νεοπλασιών πρωίμου σταδίου.Η παρούσα έρευνα διενεργήθηκε με την χρήση προσομοιωμένων όσο και πραγματικών δεδομένων από ΑΤ διπλής ενέργειες. Ένας προσομοιωτής απεικόνισης με ακτίνες χ που έχει αναπτυχθεί από την ομάδα χρησιμοποιήθηκε για να παραχθούν οι προσομοιωμένες προβολικές ακτινογραφίες.Για να διεξαχθεί η έρευνα ήταν απαραίτητη η χρήση ενός μοντέλου του εγκεφάλου το όποιο και μεταβλήθηκε ούτως ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για προσομοίωση απεικόνισης με ακτίνες χ. Σε δεύτερη φάση, ένας όγκος μικρού μεγέθους τοποθετήθηκε στο μοντέλο αυτό με σκοπό την διερεύνηση της απεικόνισης των νεοπλασιών πρώιμου σταδίου. Για την επίτευξη του στόχου της απεικόνισης του παρεγχύματος δοκιμάστηκαν πολλές τεχνικές Διπλής Ενέργειας (ΔΕ) και τελικά αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί μια μη γραμμική τεχνική για τον συνδυασμό των εικόνων από τις δύο διαφορετικές ενέργειες. Η επιλεγμένη τεχνική ΔΕ τελικά κατάφερε να παράγει αντίθεση μεταξύ των ιστών του εγκεφαλικού παρεγχύματος ακόμα και στην περίπτωση των πραγματικών δεδομένων.Λόγω του τεράστιου αριθμού των εικόνων που παρήχθησαν κατά την διάρκεια της έρευνας, έγινε επιτακτική η ανάγκη ενός Δείκτη Ποιότητας Εικόνας (ΔΠΕ) ο οποίος θα ήταν σε θέση να ανιχνεύσει με ακρίβεια τις εικόνες με τα καλύτερα αποτελέσματα. Για τον λόγο αυτό αναπτύχθηκε ένας ΔΠΕ ο οποίος βασιζόμενος στην γραμμικά προφίλ των εικόνων, μπορούσε να προσφέρει πολύ καλά αποτελέσματα και να επιλέγει με ακρίβεια τις καλύτερες από αυτές.Τέλος προτείνεται μια βελτίωση του αλγορίθμου ΔΕ, η οποία βασίζεται στην επίλυση της αντίστροφης συνάρτησής αντίθεσης μεταξύ εικονοστοιχείων και προσπαθεί μέσω μαθηματικών μοντέλων βελτιστοποίησης να βρει τα τοπικά ελάχιστα της συνάρτησης αυτής.