Foton sayar spektroskopik x-ışını görüntülemelerinin incelenmesi ve optimizasyonu
Investigation and optimization of photon counting spectroscopic x-ray imaging
Yazar: HALUK ATAK
Danışman: PROF. DR. MEHMET TOMBAKOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering ; Radyoloji ve Nükleer Tıp = Radiology and Nuclear Medicine

Özet:
X-ışını radyografi ve Bilgisayarlı Tomografi (BT) görüntüleme sistemlerinde Foton Sayar (FS) dedektörler kullanılarak en düşük hasta dozunda madde seçimli görüntüleme yapılabilir. FS dedektörlü görüntüleme teknolojisinde son yıllarda kaydedilen gelişmelere rağmen bazı önemli sorunlar halen çözülmeyi beklemektedir. Bu tez çalışmasının amacı bu sorunlara çözüm üreterek FS teknolojisinin klinik uygulamalarda kullanılabilir hale getirilebilmesine katkı sağlamaktır. Bu çalışma, iki ana sorunun irdelendiği üç alt çalışmadan oluşmaktadır. Birinci sorun, tarama sırasında FS dedektör ile toplanan enerji seçimli (spektroskopik) verilerin dedektörün sınırlı enerji çözünürlüğü nedeniyle hatalı olmasıdır. Bu nedenle bu verileri kullanarak oluşturulan foton enerji ağırlıklı ("photon energy weighted") ve madde ayrıştırma ("material decomposition") görüntülerinin doğruluğu azalmaktadır. İkinci sorun, X-ışını ile medikal görüntülemede yüksek foton akılarından faydalanılmasıdır.  Ancak FS dedektörler mevcut donanımları ile bu kadar yüksek sayım hızlarını algılamada yetersiz kalmaktadır. Bu durum, insan anatomisindeki karmaşık foton zayıflatma özelliklerine sahip yapıların bu dedektörler ile spektroskopik olarak görüntülenmesini engellemektedir. 
Birinci kısımdaki çalışmada, görüntülenecek objenin kalınlığı, kontrast bileşen tipi, K-kenar filtre atom sayısı ve kalınlığı ve dedektör enerji çözünürlüğü gibi parametreler kullanılarak K-kenar filtre optimizasyonu yapılmıştır. K-kenar filtreli X-ışınları kullanılarak benzeşimi yapılan FS radyografi ve BT görüntülerinde standart filtrelere göre önemli oranda iyileşme sağlanmasının mümkün olduğu gösterilmiştir. 
İkinci kısımdaki çalışmada, Çift Kaynaklı BT (ÇKBT) ve FSBT sistemlerinde benzeşimi yapılan görüntüler ve bu sistemlerle elde edilen deneysel sonuçlar birbiriyle karşılaştırılmıştır. Görüntü benzeşimleri üç farklı kontrast bileşen ve dijital fantom kalınlığı, doz paylaşım parametresi ve farklı demet filtreleri kullanılarak yapılmıştır. K-kenar filtreli Çift Enerji (ÇE) madde ayrıştırma görüntü benzeşimlerinde FSBT sisteminde ÇKBT sistemine göre çok daha yüksek Kontrast Gürültü Oranı (KGO) elde edilmiştir. Deneysel çalışmalar, FSBT sistemi ile elde edilmesi beklenen iyileşmenin FS dedektör teknolojisindeki mevcut yetersizlikler nedeniyle uygulamada tam olarak sağlanamadığını ve FS dedektörlerle ilgili daha fazla araştırma ve optimizasyon çalışması yapılması gerekliliğini ortaya koymuştur.  
Son kısımdaki çalışmada X-ışını demetleri demir (Fe), holmiyum (Ho) K-kenar malzemesi (atom numarası 67 ve K-kenar enerjisi 55,6 keV) ve yumuşak doku (YD) eşdeğer malzemelerden yapılan Dinamik Demet Zayıflatıcılar (Dynamic Beam Attenuator) (DDZ) ile filtrelenerek spektroskopik FSBT sisteminde görüntü benzeşimleri yapılmıştır. Sonuçta DDZ kullanımı ile sayım hızı yeterince düşürülmüştür. K-kenar DDZ kullanıldığında artefaktlar ve ölçüm hataları azalmıştır. Ayrıca spektrumdaki enerji bölgelerinin birbirinden daha iyi ayrılması sağlanarak madde ayrıştırma görüntülerinde iyileşme sağlanmıştır. DDZ'nin klinik FSBT sistemlerinde birçok avantaj sağladığı gösterilmiştir.

Abstract:
Photon Counting (PC) x-ray imaging and Computed Tomography (CT) can provide material selective imaging at lowest patient dose. Despite the advancements on PC x-ray imaging, some of the major problems still remain unresolved. The purpose of this thesis research is to investigate these problems in attempt to find a solution and to move the technology toward the clinical applications. This study consists of three sub-studies, which are based on two main problems. The first problem is limited energy resolution of the detectors, which decreases accuracy of spectroscopic data acquisition, particularly, photon energy weighting and material decomposition. The second major problem is insufficiently high count rates of the detector, which does not allow performing PC spectroscopic imaging objects with complex attenuation maps, such as human anatomy.
In the first part of this study, comprehensive study and K-edge filter optimizations were performed, including the effects of the object thickness, contrast type, K-edge filter atomic number, K-edge filter thickness, and fundamental detector imperfections. It is demonstrated that substantial improvement of PC X-ray and CT imaging is possible if K-edge filtered X-rays are used in these systems. 
Second part of this study was theoretical and experimental comparisons of dual source CT (DSCT) and PCCT. Comparisons of DSCT and PCCT were performed for three contrast materials, three phantom diameters, different beam filtrations, and three dose sharing parameters between the low and high energy beams of DSCT. Present study showed that DE PCCT with K-edge filtered x-ray beam provides substantially higher CNR compared to DE DSCT. On the other hand, experimental studies showed that predicted advantages of PCCT cannot be fully realized in practice due to existing limitations of PCCT detector technology, and further developments and optimizations of PCCT detectors are necessary.
In the last part of this  study, the dynamic beam attenuator (DBA)  made from Fe, holmium (Ho) K-edge material (Z=67 and K-edge energy 55.6 keV), and soft tissue (ST) equivalent material were used. The image artifacts and material decomposition errors associated with presence of DBA were quantified and compared for different CT acquisitions using different DBA materials. It is concluded that although in general DBA may introduce substantial image artifacts and quantification errors, the DBA fabricated from optimal K-edge material (Ho used in this study) can minimize these artifacts and errors, improve material decomposition due to better separation of the low and high energy bins, and provide miniature sizes.