MONTE CARLO ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΑΣΤΟΓΡΑΦΙΚΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΥΓΧΡΟΤΡΟΥ - PDF

Description
ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ MONTE CARLO ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΑΣΤΟΓΡΑΦΙΚΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΥΓΧΡΟΤΡΟΥ ΝΙΚΗ Θ. ΦΥΤΟΥΣΗ Φυσικός Ιατρικής

Please download to get full document.

View again

of 139
All materials on our website are shared by users. If you have any questions about copyright issues, please report us to resolve them. We are always happy to assist you.
Information
Category:

Public Notices

Publish on:

Views: 9 | Pages: 139

Extension: PDF | Download: 0

Share
Transcript
ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ MONTE CARLO ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΜΑΣΤΟΓΡΑΦΙΚΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ ΜΕ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΣΥΓΧΡΟΤΡΟΥ ΝΙΚΗ Θ. ΦΥΤΟΥΣΗ Φυσικός Ιατρικής - Ακτινοφυσικός Ι ΑΚΤΟΡΙΚΗ ΙΑΤΡΙΒΗ Πάτρα 2013 SCHOOL OF MEDICINE DEPARTMENT OF PHYSICS INTERDEPARTMENTAL PROGRAMME OF POSTGRADUATE STUDIES IN MEDICAL PHYSICS MONTE CARLO SIMULATION OF SYNCHROTRON RADIATION MAMMOGRAPHY NIKI T. FITOUSI Medical Radiation Physicist DOCTORATE THESIS Patras 2013 THREE MEMBER ADVISORY COMMITEE Professor George Panayiotakis Professor George Tzanakos Assoc. Professor Alexandros Vradis Supervisor Member of the Advisory commitee Member of the Advisory commitee SEVEN MEMBER EXAMINATION COMMITEE Professor George Panayiotakis Professor George Nikiforides Professor Theodoros Petsas Professor Ioannis Kandarakis Assoc. Professor Lena Costaridou Assoc. Professor Alexandros Vradis Assis. Professor Dimitrios Anastassopoulos ACKNOWLEDGEMENTS I would like to express my most sincere gratitude to my Supervisor, Professor G. Panayiotakis for his support and priceless guidance throughout this PhD Thesis. I am truly indebted and thankful to my colleague and friend, Dr Charalambos Delis for his extended and valuable assistance throughout this project. I would also like to express my very great appreciation to Associate Professor Alexandros Vradis and the late Professor George Tzanakos for their advice and co-operation during this work. My special thanks are extended to the staff of the Elettra Synchrotron Light Facility in Trieste for providing the SYRMEP beamline to perform the necessary measurements. In particular, advice and assistance provided by Dr. Fulvia Arfelli and Dr. Giuliana Tromba were greatly appreciated. I would also like to thank my colleagues and friends of the Department of Medical Physics for their precious support. This dissertation would not have been possible unless there was a financial support by the Sixth Framework Programme FP6 of the European Commision (IA-SFS, contract no. RII3- CT ). But my deepest love and gratitude deserve to my parents, Theodoros and Anna, for their tremendous contribution and support, both morally and financially, throughout all these years of studies. This thesis would certainly not have existed without them. To my parents, Theodoros and Anna ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στα πλαίσια της διατριβής αυτής, αναπτύχθηκε ένα µοντέλο προσοµοίωσης µε βάση τις τεχνικές Monte Carlo για την υπολογιστική µελέτη της εφαρµογής της Ακτινοβολίας Συγχρότρου (ΑΣ) στην απεικόνιση µαστού. Μια βάση για το σχεδιασµό του µοντέλου είχε διαµορφωθεί στο Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής για κλασική µαστογραφία (Spyrou et al 1998, Delis et al 2004). Το νέο µοντέλο σχεδιάστηκε και πιστοποιήθηκε ως προς την ακρίβεια των αποτελεσµάτων του, µε βάση πειραµατικές µετρήσεις που πραγµατοποιήθηκαν µε τη δέσµη SYRMEP του Elettra Synchrotron Light Facility στην Τεργέστη. Οι διαφορές του µοντέλου για ΑΣ σε σχέση µε το προηγούµενο που είχε αναπτυχθεί για κλασική µαστογραφία [Spyrou et al 1998, Delis 2004] παρατηρήθηκαν κυρίως στη διάταξη (η πηγή όπου παράγονται τα φωτόνια βρίσκεται σε απόσταση περίπου 22 m από τη σχισµή), στη στενή gaussian µορφή της σχεδόν µονοενεργειακής δέσµης, αλλά και στην σάρωση της περιοχής ενδιαφέροντος από τη δέσµη, που πραγµατοποιείται στην πράξη µε την κίνηση του συστήµατος οµοίωµαανιχνευτής. Αρχικά, η δέσµη θεωρήθηκε παράλληλη, υπόθεση που ήταν αποδεκτή λόγω της µεγάλης απόστασης της πηγής, αλλά και της περαιτέρω ελάττωσης της δέσµης λόγω της λεπτής σχισµής. Η υπόθεση αυτή µείωσε το χρόνο προσοµοίωσης κάνοντας τη δειγµατοληψία πιο αποδοτική. Εντούτοις, έπρεπε να ελεγχθεί η ακρίβεια της υπόθεσης, σε σχέση µε την πειραµατική λεπτή δέσµη (fan beam) που προστέθηκε στο µοντέλο. Οι παράµετροι εισόδου στο µοντέλο προσοµοίωσης είναι η ενέργεια της δέσµης, τα γεωµετρικά χαρακτηριστικά της δέσµης, τα φυσικογεωµετρικά χαρακτηριστικά του οµοιώµατος, τα χαρακτηριστικά του ανιχνευτή, αλλά και το κριτήριο σύµφωνα µε το οποίο θα σταµατήσει η σάρωση (αριθµός φωτονίων, kerma, ενέργεια στον ανιχνευτή κ.α.). Επιπλέον, για τη διαµόρφωση της παραγόµενης εικόνας, η οπτική πυκνότητα ή τόνος του γκρι (grayscale) επιλέγεται από τον χρήστη. Εκτός από τη δηµιουργία εικόνας, στο µοντέλο προστέθηκαν και παράµετροι για τον υπολογισµό δοσιµετρικών στοιχείων για τη συνολική εκτίµηση της απόδοσης της ΑΣ στην απεικόνιση µαστού. Τα µεγέθη που επιλέχθηκαν να µετρηθούν αφορούν στο προσπίπτον kerma στην επιφάνεια του οµοιώµατος αλλά και το οπισθοσκεδαζόµενο, δίνοντας µια συνολική εκτίµηση του kerma στην επιφάνεια του µαστού. Ολοκληρώνοντας τη διαδικασία σχεδιασµού, πραγµατοποιήθηκε η πιστοποίηση του µοντέλου ως προς την ακρίβεια των παραγόµενων αποτελεσµάτων. Αυτή χωρίστηκε σε δύο στάδια; στο πρώτο, έγινε επαλήθευση της παραγόµενης εικόνας µε βάση την Αντίθεση Υποκειµένου (Subject Contrast- SC). Ελέγχθηκαν για την ακρίβεια τους και οι δύο παραδοχές ως προς τη γεωµετρία της δέσµης, παράλληλη και fan, µε βάση τις πειραµατικές εικόνες για όλες τις ενέργειες από kev. Ο συντελεστής συσχέτισης του Pearson R βρέθηκε για τη fan δέσµη και για την παράλληλη, καθιστώντας και τις δύο περιπτώσεις εξαιρετικά ακριβείς. Στο στάδιο της επαλήθευσης των δοσιµετρικών µεγεθών, τα πειραµατικά δεδοµένα που χρησιµοποιήθηκαν, προέκυψαν από το υπολογιστικό πρόγραµµα για εκτίµηση της δόσης που εφαρµόζεται στη δέσµη SYRMEP. Για την προσοµοίωση, χρησιµοποιήθηκε σαν µέγεθος εισόδου (input) το προσπίπτον kerma κάθε ενέργειας και συγκρίθηκε ο αντίστοιχος αριθµός φωτονίων. Τα αποτελέσµατα της επαλήθευσης του µοντέλου ήταν θεαµατικά µε τον συντελεστή συσχέτισης του Pearson R να αγγίζει το 1. Η επαλήθευση του συντελεστή για την οπισθοσκεδαζόµενη ακτινοβολία πραγµατοποιήθηκε µε βάση βιβλιογραφικά στοιχεία [Benmakhlouf 2011] και τα αποτελέσµατα έδιναν απόκλιση µικρότερη του 2% για 20 kev. Στη συνέχεια πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα αξιολόγησης της ΑΣ σε δύσκολους απεικονιστικούς στόχους όπως είναι η ανίχνευση αλλοιώσεων χαµηλής αντίθεσης [Fitousi et al 2012]. Σχεδιάστηκε οµοίωµα πάχους 4 cm από λιπώδη ιστό µε 9 σφαιρικές ανοµοιογένειες τριών διαµέτρων, 1, 2 και 3 mm και τριών διαφορετικών πυκνοτήτων (PMMA, Αδενώδης ιστός, Νερό). Το οµοίωµα απεικονίστηκε µε ενέργειες ΑΣ από 16 έως 25 kev, αλλά και µε τα συνήθη µαστογραφικά φάσµατα (Mo/Mo, Mo/Rh, Rh/Rh, W/Mo, W/Rh, W/Nb and W/Pd) στα 28 kvp, εφαρµόζοντας το ίδιο οµοίωµα στο µοντέλο κλασικής µαστογραφίας [Spyrou et al 1998]. Οι παραγόµενες εικόνες ελέγχθηκαν ως προς το Subject Contrast (SC) και το Contrast to Noise Ratio (CNR). Για να είναι η σύγκριση πιο αντικειµενική, για τα φάσµατα της κλασικής µαστογραφίας χρησιµοποιήθηκαν οι εικόνες που προέρχονται µόνο από πρωτογενή δέσµη και όχι η τελική εικόνα που περιλαµβάνει και τη σκεδαζόµενη ακτινοβολία που υποβαθµίζει την αντίθεση. Τα αποτελέσµατα του πειράµατος έδειξαν ότι υπάρχει ένα εύρος ενεργειών (18-21 kev) που προκαλεί το βέλτιστο CNR για τη συγκεκριµένη περίπτωση οµοιώµατος, ενώ όπως αναµενόταν, το SC µειώνεται µε την ενέργεια. Οι δείκτες ποιότητας εικόνας εξαρτώνται σηµαντικά από το µέγεθος και τη σύνθεση της ανοµοιογένειας µε το PMMA να εµφανίζει ελαφρώς υποβαθµισµένο CNR σε σχέση µε το αντίστοιχο µέγεθος ανοµοιογένειας από αδενώδη ιστό. Όσον αφορά στη σύγκριση µε τα συµβατικά φάσµατα, το εύρος ενεργειών ΑΣ kev ήταν ανώτερο από τα αντίστοιχα συµβατικά µε το W/Pd να παρουσιάζει την καλύτερη απόδοση λόγω του ιδιαιτέρως χαµηλού θορύβου. Μετά την προσθήκη των δεικτών δόσης, πραγµατοποιήθηκε πείραµα ολικής αξιολόγησης της ΑΣ στην απεικόνιση µαστού µε ένα δύσκολο και απαιτητικό οµοίωµα µαστού. Ακτινοβολήθηκε λιπώδης ιστός πάχους 5 cm µε ενσωµατωµένο οµοίωµα αδενώδους ιστού αυξανόµενου πάχους (step wedge) από 0.15 έως 3.75 cm, ή αλλιώς 0-75 % glandularity, µε βήµα 0.15 cm (25 βήµατα). Κάθε βήµα περιείχε αποτιτάνωση πάχους 100 µm ώστε να αξιολογηθεί και η διακριτότητα λεπτοµερειών µεγάλης αντίθεσης. Στην πρώτη φάση το οµοίωµα ακτινοβολήθηκε µε ενέργειες kev για σταθερό air kerma στην επιφάνεια (1,5 mgy). Παρατηρήθηκε αύξηση του SC για αύξηση της ενέργειας και του glandularity. Αντίθετα, στην περίπτωση του CNR, η καλύτερη απόδοση παρατηρήθηκε σε υψηλότερες ενέργειες kev µε διαφορά από τις άλλες ενέργειες κυρίως όσο µεγαλώνει η glandularity. Η παρατήρηση αυτή είναι αναµενόµενη λόγω της δυσκολίας του πειράµατος που αφορά µεγάλο και πυκνό µαστό. Εντούτοις, λαµβάνοντας υπόψη και τη δυνατότητα διάκρισης των αποτιτανώσεων, παρατηρείται µια καλύτερη ορατότητα στην περίπτωση των µεσαίων ενεργειών kev. Αυτό οφείλεται στην καλύτερη αντίθεση των 21 και 22 kev, η οποία όµως µεταφράζεται σε υποβαθµισµένο CNR λόγω του πολύ βελτιωµένου θορύβου στις υψηλότερες ενέργειες. Στη δεύτερη φάση του πειράµατος, οι ενέργειες µε την καλύτερη απόδοση (19-25 kev) χρησιµοποιήθηκαν για την ακτινοβόληση του ίδιου οµοιώµατος, µόνο που αυτή τη φορά η σταθερή παράµετρος ήταν η ενέργεια στον ανιχνευτή, προσοµοιώνοντας το σύστηµα αυτόµατης έκθεσης που υπάρχει στην κλασική µαστογραφία. Η ενέργεια στον ανιχνευτή ήταν περίπου 7 µgy, όση βρέθηκε στο πρώτο πείραµα για τα 20 kev και 1.5 mgy επιφανειακό air kerma. Το ενδιαφέρον σε αυτή την περίπτωση προκύπτει θεωρώντας ένα δείκτη συνολικής απόδοσης (Figure of Merit - FOM) που βασίζεται τόσο στην ποιότητα εικόνας όσο και στη δόση. Συγκεκριµένα χρησιµοποιήθηκε ο δείκτης FOM=CNR 2 / K e, τονίζοντας τη σηµασία της καλής ποιότητας εικόνας για τη µαστογραφία [Nishino 2005, Koutalonis 2006] και λαµβάνοντας υπόψη ότι αρχικά η ΑΣ είχε χρησιµοποιηθεί σε περιπτώσεις όπου η πρώτη διάγνωση ήταν ασαφής [Castelli 2007]. Ο δείκτης FOM κανονικοποιήθηκε διαιρώντας τον αριθµητή µε την ανώτερη τιµή που µετρήθηκε (στα 19 kev) και τον παρονοµαστή µε την µικρότερη τιµή που µετρήθηκε (στα 25 kev). Η ιδανική τιµή θα είναι ίση µε µονάδα και θα έχει τη βέλτιστη ποιότητα εικόνας µε τη χαµηλότερη δυνατή δόση. Για µεγαλύτερη κατανόηση των αποτελεσµάτων, ελέγχθηκαν κυρίως τα βήµατα που αντιστοιχούν στα κλασικά ποσοστά glandularity που απαντώνται στη βιβλιογραφία 30-70, 50-50, Από τα διαγράµµατα που απεικονίζονται τα αποτελέσµατα, παρατηρείται σηµαντική διαφορά του FOM και στις τρεις περιπτώσεις glandularity για ενέργειες 19 και 20 kev. Στις υπόλοιπες ενέργειες οι τιµές είναι συγκρίσιµες µε τη διαφορά να αυξάνεται στον πιο πυκνό µαστό προς όφελος των υψηλότερων ενεργειών, λόγω της εκθετικής µείωσης όλων των δεικτών δόσης µε την ενέργεια. Το ίδιο πείραµα πραγµατοποιήθηκε σε ενέργειες από 18 έως 24 kev µε βήµα 2 kev σε µαστό 4 cm, ώστε να συγκριθούν τα αποτελέσµατα σε µικρότερο µαστό. Όπως αναµενόταν, το κανονικοποιηµένο FOM ήταν µεγαλύτερο στη µεσαία ενέργεια των 22 kev, εκτός της περίπτωσης της µεγάλης glandularity. Συµπερασµατικά, µπορεί να αναφερθεί ότι η ΑΣ µπορεί να σταθεί επάξια ως µέθοδος απεικόνισης µαστού και µάλιστα σε δύσκολους στόχους µεγάλων και πυκνών µαστών µε κρυµµένες ανοµοιογένειες. Η επιλογή της ενέργειας εξαρτάται από τη σύνθεση και το µέγεθος του µαστού, ωστόσο σε µαστό 4-5 cm το εύρος ενεργειών που φαίνεται να αποφέρει τα βέλτιστα αποτελέσµατα τόσο ως προς τη δόση όσο και ως προς την εικόνα είναι kev. Όσον αφορά στη σύγκριση µε τα φάσµατα της κλασικής µαστογραφίας, λαµβάνοντας υπόψη την καθαρή απόδοση χωρίς την προσθήκη σκέδασης, και πάλι υπερτερεί αν και ακόµα πρέπει να γίνει µια συνολική σύγκριση της δόσης από τις δύο µεθόδους. Ενσωµατώνοντας δε στο µοντέλο και τα φαινόµενα φάσης που ενισχύουν την αντίθεση στα άκρα ανοµοιογενειών, η µέθοδος µε ΑΣ στην απεικόνιση µαστού φαίνεται εξαιρετικά υποσχόµενη. TABLE OF CONTENTS Περίληψη CHAPTER A INTRODUCTION - THEORETICAL PART A.1 INTRODUCTION The Problem... 2 Thesis Originality... 5 Publications... 6 Financial Support... 7 Thesis Layout... 8 A.2 QUANTITIES AND UNITS Radiation Protection Principles Quantities and Units Dosimetric Methods A.3 MAMMOGRAPHY Mammography Standard Mammographic Equipment Digital Mammography Advantages and drawbacks of mammography A.4 INTRODUCTION TO SYNCHROTRON RADIATION Introduction to Synchrotron Radiation History of Synchrotron Radiation Structure of a Synchrotron Free Electron Lasers (FEL) Advantages of SR Applications of SR... 34 TABLE OF CONTENTS A.5 INTRODUCTION TO MONTE CARLO SIMULATION Monte Carlo Principles Random Event The Random Number Generator The Inverse Transform Method The Rejection Method CHAPTER B MATERIALS AND METHODS B.1 THE MODEL Necessity of a new model Design of the model Initial photon energy Initial photon direction Incidence on the phantom Radiation-matter interactions B.2 VALIDATION PARAMETERS Selection of SR beamline Characteristics of SYRMEP beamline Experimental array Validation parameters B.3 IMAGE QUALITY EVALUATION Evaluation of image quality for SR mammography Design of a low contrast phantom Comparison with conventional mammography Additional experiments using a Step Wedge... 67 TABLE OF CONTENTS B.4 DOSE CALCULATIONS Insertion of dose parameters Experimental dosimetric data Dose validation Overall assessm
Related Search
We Need Your Support
Thank you for visiting our website and your interest in our free products and services. We are nonprofit website to share and download documents. To the running of this website, we need your help to support us.

Thanks to everyone for your continued support.

No, Thanks