Dose analysis of CT and SPECT medical imaging systems using Monte Carlo techniques
Authors: Χατζησάββας Νικόλαος 
Published: January 2024

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.