Implementación de un modelo basado en medidas de transmisión para la estimación del espectro de rayos X de un equipo de tomografía computarizada

Abstract

La tomografía computarizada (CT) es en la actualidad la herramienta de diagnóstico más usada en radiología y cada vez más empleada en radioterapia para la planeación y el seguimiento de los tratamientos contra el cáncer, haciendo que esta técnica sea la de mayor contribución a la dosis de radiación en pacientes y requiriendo una evaluación de los valores de dichas dosis. La simulación Monte Carlo permite calcular dosis paciente-específico, pero se requiere conocer el espectro de salida del sistema de CT para obtener resultados confiables. Es por esa razón que el objetivo de este trabajo es la implementación de un método semiempírico para la determinación del espectro de salida de rayos X de un equipo de CT. El método se basa en medidas de transmisión a través de un maniquí homogéneo cilíndrico con composición equivalente a agua ubicado en una posición fuera del isocentro del equipo y requiere la obtención de una expresión analítica para la distancia recorrida por los haces de rayos X a través del maniquí cilíndrico en dicha posición. Los datos medidos de transmisión, las distancias de viaje a través del maniquí y un espectro inicial genérico son los datos de entrada del algoritmo iterativo de expectation-maximization (EM) implementado. El proceso de iteración se lleva a cabo hasta que la diferencia entre la transmisión obtenida y la transmisión medida sea menor que el umbral elegido, generando un espectro de intensidades resultante. Finalmente, el espectro de rayos X se encuentra dividiendo el espectro de intensidades por el producto de la energía con la función respuesta de los detectores del equipo. El modelo propuesto se aplicó a los raw data del CT (datos antes del procesamiento) adquiridos con voltajes de 80 kVp, 100 kVp, 120 kVp y 140 kVp y con diferentes combinaciones de corriente (25 mAs a 360 mAs). Los resultados fueron validados por comparación directa de los espectros obtenidos con los datos de espectros del fabricante. Los resultados muestran diferencias en la energía media del espectro menores del 0.04%. La metodología propuesta tiene amplias ventajas ya que a diferencia de las medidas espectrales de salida del equipo de CT, requiere tiempos muy cortos de acceso a la máquina, no se necesita mantener el gantry del equipo en modo estacionario (la detención de la rotación del tubo de rayos X es posible únicamente en modo servicio) y es posible realizarlo con cualquier maniquí homogéneo cilíndrico de composición conocida equivalente a agua.

Abstract: Computed tomography (CT) is nowadays the most used diagnostic tool in radiology and its use increases in radiotherapy for treatment planning and follow-up of cancer, which makes this technique the largest medical contributor to patient´s radiation exposure and therefore, demanding an accurate evaluation of these doses. Monte Carlo simulations allow to calculate patient-specific dose, but to obtain accurate results, the X-ray spectra of the specific CT system is required. In view of this necessity, the main goal of this work is the implementation of a semiempirical method to determine the CT X-ray spectrum. The method is based on transmission measurements through a homogeneous water equivalent cylindrical phantom located outside of the isocenter and the derivation of an analytical expression for the X-ray path length through the phantom in that position. The measurement data, the travel lengths and a generic initial spectrum are the input data of the implemented expectation-maximization (EM) algorithm. The iteration process is carried out until the difference between the obtained transmission and the measured transmission is less that the chosen threshold, given a spectrum of intensities; dividing that spectrum by the product of the energy and the detector response function, the X-ray spectrum is finally found. The proposal model was applied to the CT row data (before any processing) acquired with voltages of 80 kVp, 100 kVp, 120 kVp and 140 kVp and with different current combinations (25 mAs to 360 mAs). The results were validated by direct comparison of the obtained spectra with the system vendor data. The results show differences in the mean energy below 0.04%. The proposal methodology has advantages in comparison with the direct measurements of the X-ray spectra, because it requires short time access to the machine, does not require service mode to hold the gantry stationary and it is easy done with any cylindrical homogeneous phantom made of water equivalent material.