Depth Segmentation Method for Cancer Detection in Mammography Images

Breast cancer detection remains a subject matter of intense and also a stream that will create a path for numerous debates. Mammography has long been the mainstay of breast cancer detection and is the only screening test proven to reduce mortality. Computer-aided diagnosis (CAD) systems have the potential to assist radiologists in the early detection of cancer. Many techniques were introduced based on SVM classifier, spatial and frequency domain, active contour method, k-NN clustering method but these methods have so many disadvantages on the SNR ratio, efficiency etc. The quality of detection of cancer cells is dependent with the segmentation of the mammography image. Here a new method is proposed for segmentation. This algorithm focuses to segment the image depth wise and also coloured based segmentation is implemented. Here the feature identification and detection of malignant and benign cells are done more easily and also to increase the efficiency to detect the early stages of breast cancer through mammography images. In which the relative signal enhancement technique is also done for high dynamic range images. Markovian random function can be used in the depth segmentation. Markov Random Field (MRF) is used in mammography images. It is because this method can model intensity in homogeneities occurring in these images. This will be helpful to find the featured tumor DOI: 10.17762/ijritcc2321-8169.15023

Prenatal ultrasound induces apoptotic neurons and Glial Cells (AC) in rabbit fetal brain: a biochemical analysis

Ultrasound wave propagates through tissues are absorbed and converted to heat. Findings in numerous studies utilizing the ultrasound exposure have also convinced the existence of ultrasound-induced apoptosis in the exposed cells. Hence, this current study was aimed to detect the apoptotic neurons and glial cells (AC) in the rabbit fetal brain resulting from the prenatal ultrasound exposure. The terminal dUTP nick end-labeling (TUNEL) assay staining by ApopTag® Plus Peroxidase In-Situ Apoptosis Detection Kit (S7101) from Millipore, USA was used. The effects of prenatal ultrasound to neurons and glial cells were analyzed by comparing the AC counts in the rabbit fetal cerebral cross section between the expose and control groups. At least 3 TUNEL stained slides were randomly examined from each subject making a total of N=102 (30 minutes exposure, n= 9; 60 minutes exposure, n= 9; 90 minutes exposure, n= 9; control, n= 7). The temperature increment was measured during the prenatal ultrasound exposure, which the maximum was 1.0, 1.8 and 3.3°C for 30, 60 and 90 minutes of exposure, respectively. Data was analyzed using SPSS version 21.0. The p-values were significant at all stages of gestation with all the p-values were less than 0.001 (p<0.001). The results suggested that there were significant differences in AC counts in all stages of gestation between groups of different exposure duration. The detection of the DNA fragmentation in TUNEL positive cell could serve as an evidence in suggesting the apoptosis was induced by the ultrasound exposure

Small animal PET imaging using GATE Monte Carlo simulations : Implementation of physiological and metabolic information

Tese de doutoramento, (Engenharia Biomédica e Biofísica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2010O rato/ratinho de laboratório é o modelo animal de escolha para o estudo dos processos fundamentais associados a determinadas patologias, como o cancro. Esta escolha deve-se a uma gama de factores que incluem uma grande homologia genética com o Homem. Assim sendo o rato/ratinho é amplamente utilizado em laboratórios por todo o Mundo para estudo dos processos celulares básicos associados á doença e à terapia. A comunidade laboratorial tem, nos últimos anos, desenvolvido um grande interesse pela imagiologia não-invasiva destes animais. De entre as diversas tecnologias de imagem aplicadas aos estudosin vivo de pequenos animais, a Tomografia por Emissão de Positrões (PET) permite obter informação sobre a distribuição espacial e temporal de moléculas marcadas com átomo emissor de positrões, de forma não invasiva. Os traçadores utilizados para obter esta “imagem molecular” são administrados em baixas quantidades, de tal forma que os processos biológicos que envolvem concentrações da ordem do nano molar, ou mesmo inferiores, podem ser determinadas sem perturbar o processo em estudo. Muitas combinações de diferentes moléculas com diferentes radionúclidos permitem traçar uma gama de caminhos moleculares específicos (e.g. processos biológicos de receptores e síntese de transmissores em caminhos de comunicação em células, processos metabólicos e expressão genética). A imagem pode ser executada repetidamente antes e depois de intervenções permitindo o uso de cada animal como o seu próprio controlo biológico. A investigação já realizada em curso que aplicam a PET ao estudos de pequenos animais, tem permitido compreender, entre outras coisas, a evolução de determinadas doenças e suas potenciais terapias. Contudo, existem algumas dificuldades de implementação desta técnica já que a informação obtida está condicionada pelos fenómenos físicos associados à interacção da radiação com a matéria, pelos instrumentos envolvidos na obtenção da informação e pela própria fisiologia do animal (por exemplo o seu movimento fisiológico). De facto, a fiabilidade da quantificação das imagens obtidas experimentalmente, em sistemas PET dedicados aos pequenos animais, é afectada ao mesmo tempo pelos limites de desempenho dos detectores (resolução espacial e em energia, sensibilidade, etc.), os efeitos físicos como a atenuação e a dispersão, que perturbam a reconstrução da imagem, e os efeitos fisiológicos (movimentos do animal). Na prática estes efeitos são corrigidos com métodos de correcção específicos com a finalidade de extrair parâmetros quantitativos fiáveis. Por outro lado, as características fisiológicas dos animais a estudar e a necessidade da existência de animais disponíveis, são factores adicionais de complexidade. Recentemente, tem sido dedicada alguma atenção aos efeitos resultantes dos movimentos fisiológicos, nomeadamente do movimento respiratório, na qualidade das imagens obtidas no decurso de um exame PET. Em particular, no caso do estudo dos tumores do pulmão (algo infelizmente muito frequente em humanos), o movimento fisiológico dos pulmões é uma fonte de degradação das imagens PET, podendo comprometer a sua resolução e o contraste entre regiões sãs e doentes deste orgão. A precisão quantitativa na determinação da concentração de actividade e dos volumes funcionais fica assim debilitada, sendo por vezes impedida a localização, detecção e quantificação do radiotraçador captado nas lesões pulmonares. De modo a conseguir diminuir estes efeitos, existe a necessidade de melhor compreender a influência deste movimento nos resultados PET. Neste contexto, as simulações Monte Carlo são um instrumento útil e eficaz de ajuda à optimização dos componentes dos detectores existentes, à concepção de novos detectores, ao desenvolviBaseados em modelos matemáticos dos processos físicos, químicos e, sempre que possível, biológicos, os métodos de simulação Monte Carlo são, desde há muito, uma ferramenta privilegiada para a obtenção de informação fiável da previsão do comportamento de sistemas complexos e por maioria de razão, para uma sua melhor compreensão. No contexto da Imagiologia Molecular, a plataforma de simulação Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE), validada para as técnicas de imagem de Medicina Nuclear, permite a simulação por Monte Carlo dos processos de obtenção de imagem. Esta simulação pode mesmo ser feita quando se pretende estudar a distribuição de emissores de positrões cuja localização varia ao longo do tempo. Adicionalmente, estas plataformas permitem a utilização de modelos computacionais para modelar a anatomia e a fisiologia dos organismos em estudo mediante a utilização de uma sua representação digital realista denominada de fantôma. A grande vantagem na utilização destes fantômas relaciona-se com o facto de conhecermos as suas características geométricas (“anatómicas”) e de podermos controlar as suas características funcionais (“fisiológicas”). Podemos assim obter padrões a partir dos quais podemos avaliar e aumentar a qualidade dos equipamentos e técnicas de imagem. O objectivo do presente trabalho consiste na modelação e validação de uma plataforma de simulação do sistema microPET® FOCUS 220, usado em estudos de PET para pequenos animais, utilizando a plataforma de simulação GATE. A metodologia adoptada procurou reproduzir de uma forma realista, o ambiente de radiação e factores instrumentais relacionados com o sistema de imagem, assim como o formato digital dos dados produzidos pelo equipamento. Foram usados modelos computacionais, obtidos por segmentação de imagem de exames reais, para a avaliação da quantificação das imagens obtidas. Os resultados obtidos indicam que a plataforma produz resultados reprodutíveis, adequados para a sua utilização de estudos de pequenos animais em PET. Este objectivo foi concretizado estudando os efeitos combinados do tamanho das lesões, do rácio de concentração de actividade lesão-para-fundo e do movimento respiratório na recuperação de sinal de lesões esféricas localizadas no pulmão em imagens PET de pequenos animais. Para este efeito, foi implementada no código GATE uma representação digital em 4D de um ratinho de corpo inteiro (o fantôma MOBY). O MOBY permitiu reproduzir uma condição fisiológica que representa a respiração em condição de "stress", durante um exame típico de PET pequeno animal, e a inclusão de uma lesão esférica no pulmão tendo em conta o movimento da mesma. Foram realizadas um conjunto de simulações estáticas e dinâmicas usando 2-Deoxy-[18F]fluoro-D-glucose (FDG) tendo em consideração diferentes tamanhos das lesões e diferentes captações deste radiofármaco. O ruído da imagem e a resolução temporal foram determinadas usando imagens 3D e 4D. O rácio sínal-para-ruído (SNR), o rácio contraste-para-ruído (CNR), a relação lesão-fundo (target-to-background activity concentration ratio- TBR), a recuperação de contraste (CR) e a recuperação de volume (VR) foram também avaliados em função do tamanho da lesão e da actividade captada. Globalmente, os resultados obtidos demonstram que a perda de sinal depende tanto do tamanho da lesão como da captação de actividade na lesão. Nas simulações estáticas, onde não foi simulado movimento, os coeficientes de recuperação foram influenciados pelo efeito de volume parcial para os tamanhos mais reduzidos de lesão. Além disso, o aumento do contraste na lesão produz um aumento significativo no desvio padrão da média de sinal recuperado resultando numa diminuição no CNR e no SNR. Também concluímos que o movimento respiratório diminui significativamente a recuperação do sinal e que esta perda depende principalmente do tamanho da lesão. A melhor resolução temporal e resolução espacial foram obtidas nas simulações estáticas, onde não existia movimento envolvido. Os resultados simulados mostram que o efeito de volume parcial é dominante nas lesões mais pequenas devido à resolução espacial do sistema FOCUS, tanto nas imagens estáticas como nas dinâmicas. Além disso, para concentrações baixas de radiofármaco existe uma dificuldade inerente em quantificar a recuperação de sinal nas lesões comprometendo a análise quantitativa dos dados obtidos.Organ motion has become of great concern in medical imaging only recently. Respiratory motion is one source of degradation of PET images. Respiratory motion may lead to image blurring, which may result in reduced contrast and quantitative accuracy in terms of recovered activity concentration and functional volumes. Consequently, the motion of lungs hinders the localization, detection, and the quantification of tracer uptake in lung lesions. There is, therefore, a need to better understand the effects of this motion on PET data outcome. Medical imaging methods and devices are commonly evaluated through computer simulation. Computer generated phantoms are used to model patient anatomy and physiology, as well as the imaging process itself. A major advantage of using computer generated phantoms in simulation studies is that the anatomy and physiological functions of the phantom are known, thus providing a gold standard from which to evaluate and improve medical imaging devices and techniques. In this thesis, are presented the results of a research studied the combined effects of lesion size, lesion-to-background activity concentration ratio and respiratory motion on signal recovery of spherical lesions in small animal PET images using Monte Carlo simulation. Moreover, background activity is unavoidable and it causes significant noise and contrast loss in PET images. For these purposes, has been used the Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) Monte Carlo platform to model the microPET®FOCUS 220 system. Additionaly, was implemented the digital 4D Mouse Whole-Body (MOBY) phantom into GATE. A physiological “stress breathing” condition was created for MOBY in order to reproduce the respiratory mouse motion during a typical PET examination. A spherical lung lesion was implemented within this phantom and its motion also modelled. Over a complete respiratory cycle of 0.37 s was retrieved a set of 10 temporal frames (including the lesion movement) generated in addition to a non-gated data set. Sets of static (non-gated data) and dynamic (gated data) 2-Deoxy-[18F]fluoro-D-glucose (FDG) simulations were performed considering different lesion sizes and different activity uptakes. Image noise and temporal resolution were determined on 3D and 4D images. Signal-to-Noise Ratio (SNR), Contrast-to-Noise Ratio (CNR), Target-to-Background activity concentration Ratio (TBR), Contrast Recovery (CR) and Volume Recovery (VR) were also evaluated as a function of lesion size and activity uptake. Globally, the results obtained show that signal loss depends both on lesion size and lesion activity uptake. In the non-gated data, where was no motion included (perfect motion correction), the recovery coefficients were influenced by the partial volume effect for the smallest lesion size. Moreover, the increased lesion contrast produces a significant increase on the standard deviation of the mean signal recover. This led to a decrease in CNR and SNR. In addition, respiratory motion significantly deteriorates signal recovery and this loss depends mainly of the lesion size. Best temporal resolution (volume recovery) and spatial resolution was given by the non-gated data, where no motion is involved. The simulated results show that the partial volume effect is dominant for small objects due to limited FOCUS system resolution in both 3D and 4D PET images. In addition, lower activity concentrations significantly deteriorates the lesion signal recovery compromising quantitative analysis.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) under grant nº SFRH/BD/22723/200

CT Scanning

Since its introduction in 1972, X-ray computed tomography (CT) has evolved into an essential diagnostic imaging tool for a continually increasing variety of clinical applications. The goal of this book was not simply to summarize currently available CT imaging techniques but also to provide clinical perspectives, advances in hybrid technologies, new applications other than medicine and an outlook on future developments. Major experts in this growing field contributed to this book, which is geared to radiologists, orthopedic surgeons, engineers, and clinical and basic researchers. We believe that CT scanning is an effective and essential tools in treatment planning, basic understanding of physiology, and and tackling the ever-increasing challenge of diagnosis in our society

Paramètres de conception optimaux pour maximiser le rapport contraste à bruit pour scanners TEP avec temps de vol

Abstract : Time-of-flight (TOF) positron emission tomography (PET) scanners improve contrast-tonoise ratio (CNR) that translates into reducing the scan time or the required injected dose. During the past years, TOF PET has evolved towards temporal resolutions of the order of 200 ps, corresponding to a spatial uncertainty of 30 mm along the line of response (LOR) defined by the two annihilation photons. Although this location uncertainty is sufficient to improve the effective sensitivity of clinical scanners, resolving small size tissues such as a lymph node, or small animal organs would require the timing performance to be less than 50 ps to resolve objects smaller than ⇠ 10 mm. A coincidence time resolution around 10 ps would even allow to avoid tomographic reconstruction of PET images. Obtaining good image performance in PET demands tackling simultaneously all image quality parameters, including spatial resolution, sensitivity, and CNR. However, this involves difficult trade-offs as studies have demonstrated that choices made at the design level for the detector configuration may enhance some image quality parameters but are then detrimental to others. It is therefore mandatory to identify and carefully investigate the factors contributing to the CNR, one of the most important parameter for image quality. One such factor is the choice of crystal thickness that affects coincidence time resolution and thus CNR. Although improved coincidence time resolution increases the chance of small lesion detectability, trade-offs should be studied to find an optimum compromise maximizing the image performance. The motivation underlying this research is to determine the limit where TOF adds gain in small animal PET imaging and also investigate trade-offs between crystal length, timing resolution, and sensitivity to find the optimum image quality. These trade-offs target the coincidence time resolution improvement to enhance CNR performance without compromising the other parameters of image quality. It is demonstrated that a coincidence time resolution of 100 ps is the threshold where TOF starts to improve the image performance of a small animal scanner. In addition, it is shown that the crystal thickness can be reduced by 19 % without loss on the imaging performance. A model is also proposed that describes the CNR performance with a relatively high level of confidence at early stages of the design, and can be used as a guide to design the future generation of scanners. This is followed by introducing a new phantom purposely designed to study TOF benefits and impacts on lesion detectability for PET scanners.Les scanners de tomographie d’émission par positrons (TEP) par temps de vol (TdV) augmentent le rapport contraste à bruit (RCB) en réduisant le bruit de fond. Ceci se traduit par un temps d’acquisition plus court ou une dose réduite. Au cours des années, la TEP-TdV a évolué vers des résolutions temporelles de l’ordre de 200 ps, ce qui correspond à une incertitude spatiale de 30 mm. Bien que cela soit suffisant pour améliorer la sensibilité effective des scanners cliniques, résoudre des petites structures comme les ganglions lymphatiques, ou des organes de petits animaux nécessite des résolutions temporelles inférieures à 50 ps pour résoudre un objet inférieur à ∼ 10 mm. Une résolution temporelle de 10 mm permettrait même d’éviter la reconstruction tomographique des images TEP. L’obtention d’une bonne performance d’image en TEP nécessite d’aborder simultanément tous les paramètres de qualité d’image, y compris la résolution spatiale, la sensibilité et le RCB. Cependant, il est peu probable que cela se produise, car des études ont démontré que les choix de conception du détecteur peuvent favoriser certains paramètres de qualité d’image, mais en dégrader d’autres. On doit donc cibler les facteurs contribuant au RCB, l’un des paramètres importants de la qualité d’image. Un de ces facteurs est le choix de l’épaisseur du cristal qui affecte la résolution temporelle et donc, le RCB. Bien qu’une résolution temporelle améliorée augmente la détectabilité des petites lésions, on doit étudier les compromis afin de trouver un point d’équilibre offrant à la meilleure performance d’image possible. La motivation de cette recherche est de déterminer la limite à partir de laquelle le TdV améliore la qualité de l’imagerie des petits animaux et également, d’étudier les compromis nécessaires entre la longueur des cristaux, la résolution temporelle et la sensibilité pour atteindre la qualité d’image optimale. Ces compromis ciblent l’amélioration de la résolution temporelle pour améliorer les performances du RCB sans compromettre les autres paramètres de qualité d’image. Ces travaux démontrent qu’une résolution temporelle de 100 ps est le seuil à partir duquel le TdV améliore le performance RBC de l’imagerie des petits animaux. De plus, ils montrent que le volume du cristal peut être réduit de 19 % sans détériorer l’image. Un modèle est également proposé pour prédire le RCB avec un niveau de confiance relativement élevé et il peut être utilisé comme guide pour concevoir la prochaine génération de scanners. L’introduction d’une nouvelle mire élaborée pour étudier les avantages et les impacts du TdV sur la détectabilité des lésions pour les scanners TdV est par la suite présentée

Applications of Monte Carlo Methods in Biology, Medicine and Other Fields of Science

This volume is an eclectic mix of applications of Monte Carlo methods in many fields of research should not be surprising, because of the ubiquitous use of these methods in many fields of human endeavor. In an attempt to focus attention on a manageable set of applications, the main thrust of this book is to emphasize applications of Monte Carlo simulation methods in biology and medicine