Image quality and dose evaluation of filtered back projection versus iterative reconstruction algorithm in multislice computed tomography.

Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico Sant'Orsola-Malpighi di Bologna. Lo studio si è concentrato sul confronto tra le tecniche di ricostruzione standard (Filtered Back Projection, FBP) e quelle iterative in Tomografia Computerizzata. Il lavoro è stato diviso in due parti: nella prima è stata analizzata la qualità delle immagini acquisite con una CT multislice (iCT 128, sistema Philips) utilizzando sia l'algoritmo FBP sia quello iterativo (nel nostro caso iDose4). Per valutare la qualità delle immagini sono stati analizzati i seguenti parametri: il Noise Power Spectrum (NPS), la Modulation Transfer Function (MTF) e il rapporto contrasto-rumore (CNR). Le prime due grandezze sono state studiate effettuando misure su un fantoccio fornito dalla ditta costruttrice, che simulava la parte body e la parte head, con due cilindri di 32 e 20 cm rispettivamente. Le misure confermano la riduzione del rumore ma in maniera differente per i diversi filtri di convoluzione utilizzati. Lo studio dell'MTF invece ha rivelato che l'utilizzo delle tecniche standard e iterative non cambia la risoluzione spaziale; infatti gli andamenti ottenuti sono perfettamente identici (a parte le differenze intrinseche nei filtri di convoluzione), a differenza di quanto dichiarato dalla ditta. Per l'analisi del CNR sono stati utilizzati due fantocci; il primo, chiamato Catphan 600 è il fantoccio utilizzato per caratterizzare i sistemi CT. Il secondo, chiamato Cirs 061 ha al suo interno degli inserti che simulano la presenza di lesioni con densità tipiche del distretto addominale. Lo studio effettuato ha evidenziato che, per entrambi i fantocci, il rapporto contrasto-rumore aumenta se si utilizza la tecnica di ricostruzione iterativa. La seconda parte del lavoro di tesi è stata quella di effettuare una valutazione della riduzione della dose prendendo in considerazione diversi protocolli utilizzati nella pratica clinica, si sono analizzati un alto numero di esami e si sono calcolati i valori medi di CTDI e DLP su un campione di esame con FBP e con iDose4. I risultati mostrano che i valori ricavati con l'utilizzo dell'algoritmo iterativo sono al di sotto dei valori DLR nazionali di riferimento e di quelli che non usano i sistemi iterativi.

Conceptual design of the integral measurement system of the radiation dose of the fuel elements for the ALFRED reactor.

Conceptual design of the integral measurement system of the radiation dose of the fuel elements for the ALFRED reactor.

Dosimetric optimization of CT protocols for the preoperative planning of hip arthroplasty

Radiation dose in x-ray computed tomography (CT) has become a topic of great interest due to the increasing number of CT examinations performed worldwide. In fact, CT scans are responsible of significant doses delivered to the patients, much larger than the doses due to the most common radiographic procedures. This thesis work, carried out at the Laboratory of Medical Technology (LTM) of the Rizzoli Orthopaedic Institute (IOR, Bologna), focuses on two primary objectives: the dosimetric characterization of the tomograph present at the IOR and the optimization of the clinical protocol for hip arthroplasty. In particular, after having verified the reliability of the dose estimates provided by the system, we compared the estimates of the doses delivered to 10 patients undergoing CT examination for the pre-operative planning of hip replacement with the Diagnostic Reference Level (DRL) for an osseous pelvis examination. Out of 10 patients considered, only for 3 of them the doses were lower than the DRL. Therefore, the necessity to optimize the clinical protocol emerged. This optimization was investigated using a human femur from a cadaver. Quantitative analysis and comparison of 3D reconstructions were made, after having performed manual segmentation of the femur from different CT acquisitions. Dosimetric simulations of the CT acquisitions on the femur were also made and associated to the accuracy of the 3D reconstructions, to analyse the optimal combination of CT acquisition parameters. The study showed that protocol optimization both in terms of Hausdorff distance and in terms of effective dose (ED) to the patient may be realized simply by modifying the value of the pitch in the protocol, by choosing between 0.98 and 1.37.

Performance evaluation of detector for digital radiography

Lo scopo di questo lavoro è la caratterizzazione fisica del flat panel PaxScan4030CB Varian, rivelatore di raggi X impiegato in un ampio spettro di applicazioni cliniche, dalla radiografia generale alla radiologia interventistica. Nell’ambito clinico, al fine di una diagnosi accurata, è necessario avere una buona qualità dell’immagine radiologica mantenendo il più basso livello di dose rilasciata al paziente. Elemento fondamentale per ottenere questo risultato è la scelta del rivelatore di radiazione X, che deve garantire prestazioni fisiche (contrasto, risoluzione spaziale e rumore) adeguati alla specifica procedura. Le metriche oggettive che misurano queste caratteristiche sono SNR (Signal-to-Noise Ratio), MTF (Modulation Transfer Function) ed NPS (Noise Power Spectrum), che insieme contribuiscono alla misura della DQE (Detective Quantum Efficiency), il parametro più completo e adatto a stabilire le performance di un sistema di imaging. L’oggettività di queste misure consente anche di mettere a confronto tra loro diversi sistemi di rivelazione. La misura di questi parametri deve essere effettuata seguendo precisi protocolli di fisica medica, che sono stati applicati al rivelatore PaxScan4030CB presente nel laboratorio del Centro di Coordinamento di Fisica Medica, Policlinico S.Orsola. I risultati ottenuti, conformi a quelli dichiarati dal costruttore, sono stati confrontati con successo con alcuni lavori presenti in letteratura e costituiscono la base necessaria per la verifica di procedure di ottimizzazione dell’immagine radiologica attraverso interventi sul processo di emissione dei raggi X e sul trattamento informatico dell’immagine (Digital Subtraction Angiography).

Characterization of a prototype for cone beam breast computed tomography

The project aims to experiment the Cone Beam Breast Computed Tomography technique using a standard digital mammography system. The work is focused on the definition of a protocol of quality measurements for the pre-clinical evaluation of the machine. The paper is developed in two parts. The first is specifically concerned with the methods used to define the image quality and dosimetry aspects specific for digital mammography devices. A complete characterization of the system has been performed according to the applicable IEC standards to assure the performances of the equipment and define the quality levels. Due to the lack of a quality control protocol dedicated to CBBCT mammography scanner, a new equivalent test procedure has been proposed. The second part of the paper is focused on the evaluation, through quantitative and visual analyzes, of the CBCT exam feasibility in the hardware and software conditions currently proposed by IMS Giotto. The prototype was in fact developed differing from the technical choices of competing companies and developed for a different intended use. The main difference with respect to the existing breast CT scanners is the possibility of performing on the same system the CBBCT scanning but also all the mammographic techniques. In this thesis, we aim to assess whether, in the current setup, considering a dosimetric range very close to that used in the clinic, the tests produce results that can be considered acceptable or at least indicative of the feasibility of the entire project from a commercial point of view. For this purpose, the final reconstruction images, obtained by two previously developed software, are analyzed.

Analysis of the scale effect in different computed tomography systems on the evaluation of bone tissue parameters

Tra le patologie ossee attualmente riconosciute, l’osteoporosi ricopre il ruolo di protagonista data le sua diffusione globale e la multifattorialità delle cause che ne provocano la comparsa. Essa è caratterizzata da una diminuzione quantitativa della massa ossea e da alterazioni qualitative della micro-architettura del tessuto osseo con conseguente aumento della fragilità di quest’ultimo e relativo rischio di frattura. In campo medico-scientifico l’imaging con raggi X, in particolare quello tomografico, da decenni offre un ottimo supporto per la caratterizzazione ossea; nello specifico la microtomografia, definita attualmente come “gold-standard” data la sua elevata risoluzione spaziale, fornisce preziose indicazioni sulla struttura trabecolare e corticale del tessuto. Tuttavia la micro-CT è applicabile solo in-vitro, per cui l’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di verificare se e in che modo una diversa metodica di imaging, quale la cone-beam CT (applicabile invece in-vivo), possa fornire analoghi risultati, pur essendo caratterizzata da risoluzioni spaziali più basse. L’elaborazione delle immagini tomografiche, finalizzata all’analisi dei più importanti parametri morfostrutturali del tessuto osseo, prevede la segmentazione delle stesse con la definizione di una soglia ad hoc. I risultati ottenuti nel corso della tesi, svolta presso il Laboratorio di Tecnologia Medica dell’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna, mostrano una buona correlazione tra le due metodiche quando si analizzano campioni definiti “ideali”, poiché caratterizzati da piccole porzioni di tessuto osseo di un solo tipo (trabecolare o corticale), incluso in PMMA, e si utilizza una soglia fissa per la segmentazione delle immagini. Diversamente, in casi “reali” (vertebre umane scansionate in aria) la stessa correlazione non è definita e in particolare è da escludere l’utilizzo di una soglia fissa per la segmentazione delle immagini.

Experimental evaluation of the z-resolution in different clinical Digital Breast Tomosynthesis systems using commercial phantoms

Digital Breast Tomosynthesis (DBT) is an advanced mammography technique based on the reconstruction of a pseudo-volumetric image. To date, image quality represents the most deficient section of DBT quality control protocols. In fact, related tests are not yet characterized by either action levels or typical values. This thesis work focuses on the evaluation of one aspect of image quality: the z-resolution. The latter is studied in terms of Artifact Spread Function (ASF), a function that describes the signal spread of a detail along the reconstructed focal planes. To quantify the ASF numerically, its Full Width at Half Maximum (FWHM) is calculated and used as a representative index of z-resolution. Experimental measurements were acquired in 24 DBT systems, of 7 different models, currently in use in 20 hospital facilities in Italy. The analysis, performed on the clinical reconstructed images, of 5 different commercial phantoms, lead to the identification of characteristic FWHM values for each type of DBT system. The ASF clearly showed a dependence on the size of the detail, providing higher FWHM values for larger objects. The z-resolution was found to be positively influenced by the acquisition angle: Fujifilm sistematically showed wider ASF profiles in ST mode (15°) than in HR mode (40°). However, no clear relationship was found between angular range and ASF, among different DBT systems, due to the influence of the peculiarities of each reconstruction algorithm. The experimental approach shown in this thesis work can be proposed as a z-resolution quality control test procedure. Contextually, the values found could be used as a starting point for identifying typical values to be included in the test, in a DBT protocol. Clearly, a statistically significant number of images is needed to do this. The equipment involved in this work is located in hospitals and is not available for research purposes, so only a limited amount of data was acquired and processed.

Analysis of cone-beam ct dose in image-guided radiation therapy for brain and prostate cancer patients via gpu-based Monte Carlo simulations

La radioterapia guidata da immagini (IGRT), grazie alle ripetute verifiche della posizione del paziente e della localizzazione del volume bersaglio, si è recentemente affermata come nuovo paradigma nella radioterapia, avendo migliorato radicalmente l’accuratezza nella somministrazione di dose a scopo terapeutico. Una promettente tecnica nel campo dell’IGRT è rappresentata dalla tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT). La CBCT a kilovoltaggio, consente di fornire un’accurata mappatura tridimensionale dell’anatomia del paziente, in fase di pianificazione del trattamento e a ogni frazione del medisimo. Tuttavia, la dose da imaging attribuibile alle ripetute scansioni è diventata, negli ultimi anni, oggetto di una crescente preoccupazione nel contesto clinico. Lo scopo di questo lavoro è di valutare quantitativamente la dose addizionale somministrata da CBCT a kilovoltaggio, con riferimento a tre tipici protocolli di scansione per Varian OnBoard Imaging Systems (OBI, Palo Alto, California). A questo scopo sono state condotte simulazioni con codici Monte Carlo per il calcolo della dose, utilizzando il pacchetto gCTD, sviluppato sull’architettura della scheda grafica. L’utilizzo della GPU per sistemi server di calcolo ha permesso di raggiungere alte efficienze computazionali, accelerando le simulazioni Monte Carlo fino a raggiungere tempi di calcolo di ~1 min per un caso tipico. Inizialmente sono state condotte misure sperimentali di dose su un fantoccio d’acqua. I parametri necessari per la modellazione della sorgente di raggi X nel codice gCTD sono stati ottenuti attraverso un processo di validazione del codice al fine di accordare i valori di dose simulati in acqua con le misure nel fantoccio. Lo studio si concentra su cinquanta pazienti sottoposti a cicli di radioterapia a intensità modulata (IMRT). Venticinque pazienti con tumore al cervello sono utilizzati per studiare la dose nel protocollo standard-dose head e venticinque pazienti con tumore alla prostata sono selezionati per studiare la dose nei protocolli pelvis e pelvis spotlight. La dose media a ogni organo è calcolata. La dose media al 2% dei voxels con i valori più alti di dose è inoltre computata per ogni organo, al fine di caratterizzare l’omogeneità spaziale della distribuzione.

Biomechanical modeling of parotid glands morphing in head & neck radiation therapy treatments

Durante i trattamenti radioterapici dei pazienti oncologici testa-collo, le ghiandole parotidee (PGs) possono essere indebitamente irradiate a seguito di modificazioni volumetriche-spaziali inter/intra-frazione causate da fattori quali il dimagrimento, l’esposizione a radiazioni ionizzanti ed il morphing anatomico degli organi coinvolti nelle aree d’irraggiamento. Il presente lavoro svolto presso la struttura di Fisica Medica e di Radioterapia Oncologica dell’A.O.U di Modena, quale parte del progetto di ricerca del Ministero della Salute (MoH2010, GR-2010-2318757) “ Dose warping methods for IGRT and Adaptive RT: dose accumulation based on organ motion and anatomical variations of the patients during radiation therapy treatments ”, sviluppa un modello biomeccanico in grado di rappresentare il processo di deformazione delle PGs, considerandone la geometria, le proprietà elastiche e l'evoluzione durante il ciclo terapeutico. Il modello di deformazione d’organo è stato realizzato attraverso l’utilizzo di un software agli elementi finiti (FEM). Molteplici superfici mesh, rappresentanti la geometria e l’evoluzione delle parotidi durante le sedute di trattamento, sono state create a partire dai contorni dell’organo definiti dal medico radioterapista sull’immagine tomografica di pianificazione e generati automaticamente sulle immagini di setup e re-positioning giornaliere mediante algoritmi di registrazione rigida/deformabile. I constraints anatomici e il campo di forze del modello sono stati definiti sulla base di ipotesi semplificative considerando l’alterazione strutturale (perdita di cellule acinari) e le barriere anatomiche dovute a strutture circostanti. L’analisi delle mesh ha consentito di studiare la dinamica della deformazione e di individuare le regioni maggiormente soggette a cambiamento. Le previsioni di morphing prodotte dal modello proposto potrebbero essere integrate in un treatment planning system per metodiche di Adaptive Radiation Therapy.

Applications of advanced and dual energy computed tomography in proton therapy

This thesis focuses on advanced reconstruction methods and Dual Energy (DE) Computed Tomography (CT) applications for proton therapy, aiming at improving patient positioning and investigating approaches to deal with metal artifacts. To tackle the first goal, an algorithm for post-processing input DE images has been developed. The outputs are tumor- and bone-canceled images, which help in recognising structures in patient body. We proved that positioning error is substantially reduced using contrast enhanced images, thus suggesting the potential of such application. If positioning plays a key role in the delivery, even more important is the quality of planning CT. For that, modern CT scanners offer possibility to tackle challenging cases, like treatment of tumors close to metal implants. Possible approaches for dealing with artifacts introduced by such rods have been investigated experimentally at Paul Scherrer Institut (Switzerland), simulating several treatment plans on an anthropomorphic phantom. In particular, we examined the cases in which none, manual or Iterative Metal Artifact Reduction (iMAR) algorithm were used to correct the artifacts, using both Filtered Back Projection and Sinogram Affirmed Iterative Reconstruction as image reconstruction techniques. Moreover, direct stopping power calculation from DE images with iMAR has also been considered as alternative approach. Delivered dose measured with Gafchromic EBT3 films was compared with the one calculated in Treatment Planning System. Residual positioning errors, daily machine dependent uncertainties and film quenching have been taken into account in the analyses. Although plans with multiple fields seemed more robust than single field, results showed in general better agreement between prescribed and delivered dose when using iMAR, especially if combined with DE approach. Thus, we proved the potential of these advanced algorithms in improving dosimetry for plans in presence of metal implants.

Study of high-quality ALD gate dielectrics in radiation sensitive oxide field effect transistors

Radiation dosimetry is crucial in many fields, where the exposure of ionizing radiation must be precisely controlled to avoid health and environmental safety issues. Radiotherapy and radioprotection are two examples in which fast and reliable detectors are needed. Compact and large area wearable detectors are being developed to address real-life radiation dosimetry applications, their ideal properties include flexibility, lightness, and low-cost. This thesis contributed to the development of Radiation sensitive OXide Field Effect Transistors (ROXFETs), which are detectors able to provide fast and real-time radiation read out. ROXFETs are based on thin film transistors fabricated with high-mobility amorphous oxide semiconductor, making them compatible with large area, flexible, and low cost production over plastic substrates. The gate dielectric material has high dielectric constant and high atomic number, which results in high performances and high radiation sensitivity, respectively. The aim of this work was to establish a stable and reliable fabrication process for ROXFETs made with atomic layer deposited gate dielectric. A study on the effect of gate dielectric materials was performed, focusing the attention on the properties of the dielectric-semiconductor interface. Single and multi layer dielectric structures were compared during this work. Furthermore, the effect of annealing temperature was studied. The device performances were tested to understand the underlying physical processes. In this way, it was possible to determine a reliable fabrication procedure and an optimal structure for ROXFETs. An outstanding sensitivity of (65±3)V/Gy was measured in detectors with a bi-layer Ta₂O₅-Al₂O₃ gate dielectric with low temperature annealing performed at 180°C.