Dose analysis of CT and SPECT medical imaging systems using Monte Carlo techniques

Abstract

An addressing of questions about the methodologies, strategies, optimizations, and approaches used to assess dosimetric data in Computed Tomography (CT) and Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) systems was primarily the purpose of this thesis. The key task throughout the study time was to evaluate the two dissimilar systems, understand their principles of operation, and eventually apply Monte Carlo software to imitate them and monitor outcomes from the standpoint of dosages. All trials were composed, validated, and explored using cutting-edge, primarily open-source Monte Carlo software. The software packages Geant4, GATE, and EGSNRC, as well as auxiliary scripts to assess, transform, and analyze simulated inputs and outputs were successfully configured and built in most cases from source code. The correct configuration and installation of all packages in an Ubuntu 20.04 environment was a difficult task, owing to the involvement of several programming languages, including Fortran, C/C++, Java, and Python, as well as the fact that most software packages were built from source code, requiring the use of numerous packages, compilers, and builders. An extensive installation instruction for configuring, building and installing all software packages utilized are given in Appendix2.The CT system was configured by simulating various x-ray sources, creating personalized phantoms from patient-specific examinations (DICOM format), and scoring doses on those phantoms by simulating x-ray source irradiation circularly from all angles (360). Tungsten (W) and gold (Au) anode target materials were used, and each anode target material was simulated in the energy range of 30 keV–150 keV with a step of 5 keV. Overall, 50 beams (25 for W and 25 for Au) were simulated once the x-ray source characteristics were determined. The EGSnrc software was used to execute the simulations, and the output files for each beam simulation were saved in binary phase space file format. Many elements of the x-ray source also have a substantial influence on the quality of the beam and thus the dosage received by such a complicated piece of equipment. For the SPECT system, a new approach was employed. Since the source (radiopharmaceutical-isotope) is injected directly into the patient and is irradiated from within the body as it travels within the patient, it was difficult to simulate such an operation in the same way as the CT. Following the injection, the patient is placed on the SPECT bed where the imaging system takes shots- projections, circularly from all angles, and a sinogram is created as an output. Finally, specialized algorithms reconstruct the raw data, sinogram, into a 3D picture which provides valuable information to the doctors. The approach was to simulate a whole SPECT system, in which different SPECT system factors impacting the image's quality as well as the characteristics of the reconstruction processes producing the image were explored. The open-source program GATE was used in collaboration with STIR to reconstruct the image from the raw output data provided by GATE simulation. The filtered back projection (FBP) and iterative approach of Ordered Subsets Maximum A Posteriori One Step Late (OSMAPOSL) algorithms were supplied by STIR.

Η αντιμετώπιση ερωτήσεων σχετικά με τις μεθοδολογίες, τις στρατηγικές, τις βελτιστοποιήσεις και τις προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται για την αξιολόγηση των δοσιμετρικών δεδομένων σε συστήματα Υπολογιστικής Τομογραφίας (CT) και Υπολογιστικής Τομογραφίας Εκπομπής Μονού Φωτονίου (SPECT) ήταν πρωτίστως σκοπός αυτής της διατριβής. Το βασικό καθήκον καθ' όλη τη διάρκεια της μελέτης ήταν η αξιολόγηση των δύο ανόμοιων συστημάτων, η κατανόηση των αρχών λειτουργίας τους και η εφαρμογή λογισμικών Monte Carlo για τη μίμησή τους και την παρακολούθηση των αποτελεσμάτων από τη σκοπιά των δόσεων. Όλες οι δοκιμές συντάχθηκαν, επικυρώθηκαν και εξερευνήθηκαν χρησιμοποιώντας λογισμικό αιχμής, κυρίως ανοιχτού κώδικα.Τα πακέτα λογισμικού Geant4, GATE και EGSNRC, καθώς και βοηθητικά προγραμματα για την αξιολόγηση, τον μετασχηματισμό και την ανάλυση προσομοιωμένων εισόδων και εξόδων διαμορφώθηκαν με επιτυχία και κατασκευάστηκαν στις περισσότερες περιπτώσεις από τον πηγαίο κώδικα. Η σωστή διαμόρφωση και εγκατάσταση όλων των πακέτων σε περιβάλλον Ubuntu 20.04 ήταν μια δύσκολη δουλειά, λόγω της συμμετοχής πολλών γλωσσών προγραμματισμού, συμπεριλαμβανομένων των Fortran, C, C++, Java και Python, καθώς και του γεγονότος ότι τα περισσότερα πακέτα λογισμικού κατασκευάστηκαν από τον πηγαίο κώδικα, που απαιτεί τη χρήση πολλών πακέτων, μεταγλωττιστών και ξεχωριστών προγραμμάτων. Μια εκτενής οδηγία εγκατάστασης για τη διαμόρφωση, την κατασκευή και την εγκατάσταση όλων των πακέτων λογισμικού που χρησιμοποιούνται δίνονται στο Παράρτημα 2.Το σύστημα CT διαμορφώθηκε προσομοιώνοντας διάφορες πηγές ακτινών Χ, δημιουργώντας εξατομικευμένα φαντάσματα από ειδικές εξετάσεις για τον ασθενή (μορφή DICOM) και βαθμολογώντας δόσεις σε αυτά τα φαντάσματα προσομοιώνοντας την ακτινοβολία της πηγής ακτινών Χ κυκλικά από όλες τις γωνίες (360). Χρησιμοποιήθηκαν υλικά-στόχοι ανόδου βολφραμίου (W) και χρυσού (Au) και κάθε υλικό στόχου ανόδου προσομοιώθηκε στην περιοχή ενέργειας 30 keV–150 keV με βήμα 5 keV. Συνολικά, 50 δέσμες (25 για W και 25 για Au) προσομοιώθηκαν αφού προσδιορίστηκαν τα χαρακτηριστικά της πηγής ακτινών Χ. Το λογισμικό EGSnrc χρησιμοποιήθηκε για την εκτέλεση των προσομοιώσεων και τα αρχεία εξόδου για κάθε προσομοίωση δέσμης αποθηκεύτηκαν σε μορφή αρχείου δυαδικού χώρου φάσης. Πολλά στοιχεία της πηγής ακτινών Χ έχουν επίσης σημαντική επίδραση στην ποιότητα της δέσμης και επομένως στη δόση που λαμβάνεται από ένα τόσο περίπλοκο εξοπλισμό.Για το σύστημα SPECT, χρησιμοποιήθηκε μια νέα προσέγγιση. Δεδομένου ότι η πηγή (ραδιοφαρμακευτικό-ισότοπο) εγχέεται απευθείας στον ασθενή και ακτινοβολείται από το εσωτερικό του σώματος καθώς ταξιδεύει μέσα στον ασθενή, ήταν δύσκολο να προσομοιωθεί μια τέτοια επέμβαση με τον ίδιο τρόπο όπως η αξονική τομογραφία. Μετά την ένεση, ο ασθενής τοποθετείται στο κρεβάτι SPECT όπου το σύστημα απεικόνισης κάνει λήψεις-προβολές, κυκλικά από όλες τις γωνίες και δημιουργείται ένα ημιτονόγραμα ως έξοδος. Τέλος, εξειδικευμένοι αλγόριθμοι ανασυνθέτουν τα ακατέργαστα δεδομένα, ημιτονόγραμα, σε τρισδιάστατη εικόνα που παρέχει πολύτιμες πληροφορίες στους γιατρούς. Η προσέγγιση ήταν να προσομοιωθεί ένα ολόκληρο σύστημα SPECT, στο οποίο διερευνήθηκαν διαφορετικοί παράγοντες του συστήματος SPECT που επηρεάζουν την ποιότητα της εικόνας καθώς και τα χαρακτηριστικά των διαδικασιών ανακατασκευής που παράγουν την εικόνα. Το πρόγραμμα ανοιχτού κώδικα GATE χρησιμοποιήθηκε σε συνεργασία με το STIR για την ανακατασκευή της εικόνας από τα ακατέργαστα δεδομένα εξόδου που παρέχονται από την προσομοίωση GATE. Η φιλτραρισμένη πίσω προβολή (FBP) και η επαναληπτική προσέγγιση των αλγορίθμων Ordered Subsets Maximum A Posteriori One Step Late (OSMAPOSL) παρέχονται από το STIR.