Detection of structural alteration in mammalian tissues after exposure to proton radiation

Fyrios, Fragkiskos Emmanouil; Φύριος, Φραγκίσκος Εμμανουήλ

dc.contributor.author	Fyrios, Fragkiskos Emmanouil	en
dc.contributor.author	Φύριος, Φραγκίσκος Εμμανουήλ	el
dc.date.accessioned	2025-01-31T09:22:12Z
dc.date.available	2025-01-31T09:22:12Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/61010
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.28706
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	proton radiation	en
dc.subject	FLASH radiotherapy	en
dc.subject	Mitochondria	en
dc.subject	Image segmentation	en
dc.subject	Neural network	en
dc.subject	Ακτινοβολία πρωτονίων	el
dc.subject	Ακτινοθεραπεία FLASH	el
dc.subject	Μιτοχόνδρια	el
dc.subject	Κατάτμηση εικόνας	el
dc.subject	Νευρωνικό δίκτυο	el
dc.title	Detection of structural alteration in mammalian tissues after exposure to proton radiation	en
dc.title	Ανίχνευση δομικών αλλαγών σε ιστούς θηλαστικών μετά από έκθεση σε ακτινοβολία πρωτονίων	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Applied Physics	en
heal.classification	Εφαρμοσμένη Φυσική	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2024-09-20
heal.abstract	The use of ionizing radiation in cancer therapy has been a major medical achievement and radiotherapy has repeatedly been proven a promising tool for the clinical practice. However, important challenges, such as the protection of normal tissues surrounding the tumor, are yet to be overcome, urging for the advancement of the current radiotherapy techniques. Proton radiation has been noted for its beneficial biological effects, compared to electrons or X-rays, as it presents a sharp Bragg peak and therefore it can more effectively target the cancerous tumor. At the same time, there is multiple evidence suggesting that when radiation is delivered in ultra-high dose rates (FLASH), it tends to have additional protective benefits to normal tissues, compared to conventional dose rates. The precise effects that FLASH proton radiotherapy has on the normal tissues though, is still a field under research. In the present thesis, the effects of FLASH proton radiotherapy on the mitochondria of healthy cells are investigated and compared with those of the conventional dose rate. For this purpose, TEM microscope images of the small intestinal tissue of rodents are analyzed. In addition, a machine learning algorithm is trained upon the image dataset, in order to perform segmentation of mitochondria out of unseen images of cells. Chapter one provides the necessary theoretical background in radiation physics, radiotherapy, biology and radiobiology, electron microscopy and machine learning. Chapter two presents the materials and methods used for the experiments, as well as the detailed approach followed for the analysis of the image data and the training of the segmentation model. In the third chapter, the results are presented and discussed, while the last chapter is a conclusion. Finally, two appendices are attached, for the result tables and the programming code.	en
heal.abstract	Η χρήση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας στη θεραπεία του καρκίνου αποτελεί ένα σημαντικό ιατρικό επίτευγμα και η ακτινοθεραπεία έχει επανειλημμένα αποδειχθεί ένα πολλά υποσχόμενο εργαλείο για την κλινική πρακτική. Ωστόσο, σημαντικές προκλήσεις, όπως η προστασία των υγιών ιστών που περιβάλλουν τον όγκο, δεν έχουν ακόμη ξεπεραστεί, δημιουργώντας την ανάγκη για πρόοδο των σημερινών τεχνικών ακτινοθεραπείας. Η ακτινοβολία πρωτονίων έχει ιδιαίτερα ευεργετικές βιολογικές επιδράσεις, σε σύγκριση με τα ηλεκτρόνια ή τις ακτίνες Χ, καθώς παρουσιάζει μια απότομη κορυφή Bragg και ως εκ τούτου μπορεί να στοχεύσει πιο αποτελεσματικά τον καρκινικό όγκο. Ταυτόχρονα, υπάρχουν πολλαπλά στοιχεία που υποδηλώνουν ότι όταν η ακτινοβολία χορηγείται σε εξαιρετικά υψηλούς ρυθμούς δόσης (FLASH), τείνει να έχει πρόσθετα προστατευτικά οφέλη για τους υγιούς ιστούς, σε σύγκριση με τους συμβατικούς ρυθμούς δόσης. Ωστόσο, οι ακριβείς επιδράσεις που έχει η ακτινοθεραπεία με πρωτόνια FLASH στους υγιούς ιστούς, είναι ακόμα ένα πεδίο υπό έρευνα. Στην παρούσα διατριβή, διερευνώνται οι επιδράσεις της ακτινοθεραπείας πρωτονίων FLASH στα μιτοχόνδρια υγιών κυττάρων και συγκρίνονται με αυτές του συμβατικού ρυθμού δόσης. Για το σκοπό αυτό, αναλύονται εικόνες μικροσκοπίου TEM από ιστό λεπτού εντέρου τρωκτικών. Επιπλέον, ένας αλγόριθμος μηχανικής μάθησης εκπαιδεύεται στα δεδομένα των εικόνων, προκειμένου να αναγνωρίζει τα μιτοχόνδρια σε άγνωστες εικόνες κυττάρων. Στο πρώτο κεφάλαιο παρέχεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο στην ακτινοφυσική, την ακτινοθεραπεία, τη βιολογία και τη ραδιοβιολογία, την ηλεκτρονική μικροσκοπία και τη μηχανική μάθηση. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα υλικά και οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για τα πειράματα, καθώς και με λεπτομέρεια η προσέγγιση που ακολουθήθηκε για την ανάλυση των δεδομένων εικόνας και την εκπαίδευση του μοντέλου μηχανικής μάθησης. Στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζονται και συζητούνται τα αποτελέσματα, ενώ το τελευταίο κεφάλαιο αποτελεί συμπέρασμα. Τέλος, επισυνάπτονται δύο παραρτήματα, για τους πίνακες των αποτελεσμάτων και για τον κώδικα προγραμματισμού.	el
heal.advisorName	Γεωργακίλας, Αλέξανδρος	el
heal.committeeMemberName	Χαβάκη, Σοφία	el
heal.committeeMemberName	Διακάκη, Μαρία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών. Τομέας Φυσικής	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	93 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false