Monte carlo metodu ile dijital mamografi sisteminde heterojen doz dağılımının simülasyonu ve meme modelinde doz değerlendirilmesi
The simulation of heterogeneous dose distribution in the digital mammography system using monte carlo method and dose evaluation in a breast model
Yazar: GİZEM ŞİŞMAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KADİR AKGÜNGÖR ; DOÇ. DR. AYŞEGÜL YURT
Dokuz Eylül Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Medikal Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Radyoloji ve Nükleer Tıp = Radiology and Nuclear Medicine

Özet:
Kadınlarda meme kanserinin erken teşhisinde yaygın olarak kullanılan mamografi cihazının x-ışını alanındaki heterojen doz dağılımı, görüntü kalitesi ve hasta dozu açısından kritik öneme sahiptir. X-ışını alanının doz dağılımındaki  heterojenite, özellikle anot-katot yönündeki topuk etkisi ve odak dışı radyasyon gibi faktörlerden kaynaklanır. Bu çalışmanın amacı, x-ışını alanındaki heterojen doz dağılımını dikkate alarak, mamografi cihazının GEANT4'da simülasyon modelini oluşturmak üzere pratik ve güvenilir yeni bir yöntem geliştirmektir.
Çalışmada, Hologic Selenia Dimensions dijital mamografi sisteminin ve farklı meme tiplerinin simülasyon modelini oluşturup doz değerlendirmeleri yapmak için, radyasyonun taşınma problemi çözümünde güvenilir metodlardan biri olarak kabul edilen Monte Carlo (MC) metodu kullanılmıştır. Mamografi cihazının hasta destek masası üzerinde gerçekleştirilen ölçümler ile elde edilen x-ışını doz verilerinden, tersine mühendislik yoluyla bir parçacık dağılım fonksiyonu türetilmiştir. X-ışını alanındaki heterojen doz dağılımını temsil eden bu parçacık dağılım fonksiyonu, GEANT4'da sistemi modellemek üzere kullanılmıştır. Daha sonra, farklı glandüleritede meme simülasyon modelleri üzerinde doz dağılımları analiz edilmiştir.
Sonuçlar, çalışmada önerilen parçacık dağılım fonksiyonunun, x-ışını tüpünün doğrudan modellenmesine gerek kalmadan, cihazın heterojen doz dağılımını yüksek doğrulukla temsil edebildiğini göstermektedir. Fonksiyonun simülasyonda kullanılmadığı durumda, ışın kalitesinin değerlendirilmesinde kullanılan yarı değer kalınlığı (Half Value Layer, HVL), mamografi cihazında ölçülen HVL ile uyumlu bulunsa da, x-ışını alanındaki doz dağılımlarında belirgin farklılıklar gözlenmiştir. Parçacık dağılım fonksiyonu simülasyonda kullanıldığında ölçülen ve simüle edilen doz dağılımları arasındaki genel fark %1.9 iken, fonksiyon kullanılmadığında fark %10'a kadar yükselmektedir. Farklı glandüleritedeki meme modellerinde doz dağılımları değerlendirildiğinde, parçacık dağılımının kullanıldığı simülasyonlarda özellikle cilt ve cilde yakın derinliklerde yaklaşık %5.5 oranında daha yüksek dozlar gözlenmiştir. %33 ve %50 glandüleriteye sahip dokular değerlendirildiğinde %7.2 oranında farklılık gözlenmiştir.
Ölçümlere dayalı olarak geliştirilen parçacık dağılım fonksiyonu sayesinde, mamografi cihazının gerçekte oluşturduğu doz dağılımına daha yakın bir doz dağılımı elde ederken simülasyon süreci de daha pratik hale getirilmiştir. Geliştirilen  model, gelecekte gerçek hasta görüntüleri üzerinden yapılacak meme dozu değerlendirmeleri için de olanak sağlayacaktır.

Abstract:
The heterogeneous dose distribution in the x-ray field of mammography system, widely used for early detection of breast cancer in women, is critical for both image quality and patient dose. This heterogeneity in dose distribution within the x-ray field arises mainly from factors such as the heel effect along the anode-cathode direction and off-focus radiation. The aim of this study is to develop a practical and reliable new method for creating a simulation model of the mammography system in GEANT4, considering the heterogeneous dose distribution in the x-ray field.
In this study, the Monte Carlo (MC) method, recognized as one of the most reliable approaches to solving radiation transport problems, was used to develop the simulation model of the Hologic Selenia Dimensions digital mammography system and various breast types for dose evaluations. Using x-ray dose data obtained from measurements performed on the patient support plate of the mammography system, a particle distribution function was derived through reverse engineering. This particle distribution function, representing the heterogeneous dose distribution in the x-ray field, was utilized to model the system in GEANT4. Subsequently, dose distributions were analyzed in breast simulation models with different glandularities.
The results demonstrate that the proposed particle distribution function accurately represents the heterogeneous dose distribution of the system without the need for direct modeling of the x-ray tube. In the case where the function is not used in the simulation, although the half-value layer (HVL) used in the evaluation of beam quality was found to be compatible with the HVL measured on the mammography system, significant differences were observed in the dose distributions in the x-ray field. When the particle distribution function was incorporated into the simulation, the overall differences between measured and simulated dose distributions was 1.9%, whereas this difference increased to 10% when the function was not used. In dose distribution evaluations of breast models with different glandularities, simulations using the particle distribution function showed approximately 5.5% higher doses in the skin and near-surface depths. A 7.2% difference was observed between tissues with 33% and 50% glandularity.
With the particle distribution function developed based on measurements, a dose distribution closer to the actual distribution produced by the mammography system was achieved, while making the simulation process more practical. The developed model will also provide opportunities for future breast dose evaluations based on real patient images.