Bilgisayarlı tomografide X-ışınlarının vücut doku ve organları tarafından soğurulma özelliklerinin belirlenmesi
Determination of the absorption properties of X-rays by body tissue and organs in computerized tomography
Yazar: HASAN GÜLBİÇİM
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN AKAN
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Radyolojik Bilimler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Anatomi = Anatomy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Radyoloji ve Nükleer Tıp = Radiology and Nuclear Medicine
Dizin: Doz-cevap ilişkisi-radyasyon = Dose-response relationship-radiation ; Monte Carlo Yöntemi = Monte Carlo Method ; Tomografi-x ışınlı-bilgisayarlı = Tomography-x ray-computed ; X ışını = X ray

Özet:
Bu çalışmanın temel amacı özellikle bilgisayarlı tomografiden yayınlanan x-ışını fotonlarının vücut doku ve organları tarafından soğurulma özelliklerini belirlemektir. Foton soğurma özellikleriyle ilgili parametrelerin hesaplanmasında radyasyon-madde etkileşmelerinin detaylı olarak modellendiği Monte Carlo (MC) simülasyon yöntemi tercih edilmiştir. Bu amaçla aynı zamanda doku ve organ materyallerinin foton soğurma parametrelerini hesaplayan EGSnrc tabanlı bir MC kodunun geliştirilmesi de hedeflenmiştir.
Bu çalışmada, vücut doku ve organlarının foton soğurma özellikleriyle ilgili literatürde hesaplanan kütle azaltma katsayısı (µ/ρ), etkin atom sayısı (Zeff) ve etkin elektron yoğunluğu (Neff) gibi parametrelerin yanında, aynı zamanda lineer azaltma katsayısı (µ), toplam atomik tesir kesiti (σt,a), toplam elektronik tesir kesiti (σt,e), yarı değer kalınlığı (HVL), onda bir değer kalınlığı (TVL) ve ortalama serbest yol (MFP) parametreleri EGSnrc tabanlı MC koduyla hesaplanmıştır. Bu parametrelerin dışında BT'den yayınlanan x-ışını enerjilerine maruz kalan bazı doku ve organlardaki derinliğe bağlı doz değişimleri de simülasyon yöntemiyle ayrıca incelenmiştir. Foton soğurma parametrelerini belirlemek için on iki farklı doku ve organ materyali seçilmiştir. Bu materyallere ait fiziksel özellikler kullanılarak Monte Carlo hesaplamaları için uygun formatta sanal fantom verileri üretilmiştir. Sonrasında bu veriler kullanılarak foton-madde etkileşmelerini içeren simülasyonlar standart dar demet geometrisinde gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen kodla hesaplanan verilerin doğruluğu aynı zamanda NistXCom programıyla da test edilmiştir. 
Sonuç olarak doku ve organlar için BT'den yayınlanan foton enerji aralığında hesaplanan parametrelerde belirgin farkların olduğu görülmüştür. Bu farklılıklar yoğunlukları farklı olan doku ve organlar için (akciğer, yumuşak doku ve kemik gibi) daha ön plana çıkarken, birbirine yakın yoğunluk değerlerine sahip doku ve organlarda daha az belirgindir. Ancak fotoelektrik etkileşmenin baskın olması nedeniyle yakın yoğunluklu organlardaki farklılıklar da kayda değer biçimdedir. Bu farklılıklar derinliğe bağlı doz değişimleri için elde edilen sonuçlarda da açıkça görülmüştür. Dolayısıyla bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre, BT'den yayılan x-ışını enerjilerinde doku ve organların soğurma özelliklerinin oldukça farklı sonuçlar gösterdiği ve bu farklılıkların özellikle tıbbi uygulamalarda dikkate alınması gerektiği anlaşılmıştır.

Abstract:
The main purpose of this study is to determine the absorption properties of x-ray photons, emitted especially from the Computerized Tomography (CT), by body tissues and organs. The Monte Carlo (MC) simulation method, in which the radiation-matter interactions are modeled in detail, was preferred in the calculation of the parameters related to the photon absorption properties. For this purpose, it was also aimed to develop an EGSnrc-based MC code that calculates the photon absorption parameters of tissue and organ materials.
In this study, besides the parameters such as mass attenuation coefficient (µ/ρ), effective atomic number (Zeff) and effective electron density (Neff), which are calculated in the literature related to the photon absorption properties of body tissues and organs, linear attenuation coefficient (µ), total atomic cross section (σt,a), total electronic cross section (σt,e), half-value layer (HVL), tenth-value layer (TVL) and mean free path (MFP) parameters were calculated with EGSnrc based MC code. Apart from these parameters, depth dependent dose changes in some tissues and organs exposed to x-ray energies emitted from CT were also investigated by simulation method. Twelve different tissue and organ materials were selected to determine the photon absorption parameters. By using the physical properties of these materials, virtual phantom data were produced in an appropriate format for Monte Carlo calculations. Afterwards, simulations involving photon-matter interactions using these data were performed in standard narrow beam geometry. The accuracy of the data calculated with the developed code was also tested with the NistXCom program.
As a result, it was observed that there are significant differences in the calculated parameters in the photon energy range from CT for tissues and organs. While these differences are more prominent for tissues and organs with different densities (such as, lung, soft tissue and bone), they are less evident in tissues and organs with similar density values. However, due to the dominance of photoelectric interaction, the differences in organs with close density are also significant. These differences were also clearly seen in the results obtained for depth-dependent dose changes. Therefore, according to the results obtained in this study, it has been understood that the absorption properties of tissues and organs show quite different results in x-ray energies emitteded from CT, and these differences should be especially taken into account in medical applications.