Programmreport 2012 - DORIS - Bundesamt für Strahlenschutz

Phantomvoxel in Pixelwertbereiche als kritisch zu betrachten, weil die Bilddaten bei entsprechender Fensterung
deutliche Aufhärtungsartefakte aufwiesen, und zwar so stark, dass sich ortsabhängig im Bild das Pixelwertverhältnis
zwischen Paraffin und Fettgewebe qualitativ umkehren ließ. Vor einer weiteren Verarbeitung
der Daten musste demnach zuerst diese Art von Artefakten korrigiert werden.
4.1.5 Kombination der hochaufgelösten Teilkörperphantome mit den Ganzkörperphantomen
Als erstes wurde der hoch aufgelöste Lungenbereich in das Phantom Klara eingepasst, wobei zunächst die
ursprüngliche Auflösung von Klara beibehalten wurde. Erste Simulationsrechnungen zur Bildqualität zeigten
jedoch, dass die Auflösung des Ganzkörperphantoms zu grob ist im Vergleich zum Teilkörperphantom der
Lunge und das simulierte Röntgenbild infolgedessen insbesondere an den Rändern der Rippen zu stufig ist.
Diese Stufigkeit überdeckt die Feinstrukturen und verhindert so deren Erkennbarkeit.
Aus diesem Grund wurde es erforderlich, diese Ränder zu glätten. Zu diesem Zweck mussten auch die das
hoch aufgelöste Teilkörperphantom umgebenden Organe in einer höheren Auflösung dargestellt werden. Um
den Speicherbedarf einigermaßen im Rahmen zu halten, wurde für die den hoch aufgelösten Teilkörperbereich
umgebenden Organe eine Auflösung von 500 μm gewählt. Diese Glättung und die dafür erforderliche
Erhöhung der Auflösung wurden in mehreren Schritten mit den Softwareprogrammen IDL (Interactive Data
Language), Rhinoceros und binvox bewerkstelligt.
TB 04
Ergebnisse
4.2 ENTWICKLUNG VON METHODEN ZUR DOSISBERECHNUNG UND QUANTIFIZIERUNG DER
BILDQUALITÄT MIT HYBRIDEN VOXELMODELLEN
Der Strahlentransport wird mit dem Programmpaket EGSnrc (electron-gamma shower National Research
Council Canada) durchgeführt. Dabei sind die Geometrie und Materieeigenschaften des Objektes vom Benutzer
(User) durch Definition von Unterroutinen und Makros explizit zu definieren. Dieser Programmteil wird daher
üblicherweise im EGS-Jargon als „Usercode“ bezeichnet. Die Geschichte eines jeden Teilchens und dessen
Sekundärteilchen werden mittels der Monte-Carlo-Methode solange verfolgt, bis ihre Energie unter einen
Schwellenwert fällt bzw. der Usercode signalisiert, dass kein Interesse mehr am weiteren Schicksal des Teilchens
besteht. Der Schwellenwert ist sinnvollerweise so zu wählen, dass die mittlere freie Weglänge des Teilchens
klein verglichen mit der relevanten Struktur ist, d. h., in diesem Fall kleiner als die kleinste Voxeldimension.
Dann kann davon ausgegangen werden, dass das Teilchen innerhalb des Voxels verbleibt, und seine
Restenergie zu dessen (Energie-) Dosis beiträgt.
Um einen Teilbereich eines Voxelmodells („Originalmodell“) durch ein Teilvoxelmodell höherer Auflösung zu
ersetzen, ist der Usercode so verändert worden, dass er zwei Voxelmodelle beinhaltet, zwischen denen während
der Verfolgung einer Teilchengeschichte geeignet hin- und her geschaltet wird. Der Transport innerhalb
eines Modells läuft dabei wie vorher ab. Im Originalmodell wird der Bereich bestimmt, der vom Teilmodell
überdeckt wird. Die Voxel in diesem Bereich werden eigens markiert. Tritt ein Teilchen in ein solches Voxel
ein, so wird auf das Teilmodell umgeschaltet, d. h. Voxelgröße, Organ und Medium des Teilmodells werden
verwendet. Um zu bestimmen, ob ein Teilchen das Teilmodell wieder verlässt, wird das Teilmodell mit einer
speziell markierten Voxelreihe umgeben. Beim Eintreten eines Teilchens in die markierten Voxel wird wieder
auf das Originalmodell umgeschaltet.
Als zusätzliches Element der Simulationsrechnungen wurde ein digitales Bildaufzeichnungssystem betrachtet.
Dafür wird eine Teilchengeschichte nicht beim Verlassen des Körpers beendet, sondern sie wird bis zum
Auftreffen auf eine Detektorebene weiterverfolgt. Diese Detektorebene ist in Bildelemente unterteilt, deren
Abmessung bei der Mammographie höchstens 100 μm und bei Thoraxaufnahmen höchstens 200 μm betragen.
Der Detektor wurde als "idealer" Detektor simuliert, d. h. mit einer einfachen Beziehung zwischen Dosis
und Detektoransprechverhalten, ohne besondere Detektoreigenschaften zu berücksichtigen.
Für die Monte-Carlo-Modellierung der Bildgebung mit einem realistischen Streustrahlenraster wurde für EGSnrc
ein Usercode entwickelt, der ein solches Raster ohne die Verwendung quaderförmiger Voxel implementiert.
Der Code beschreibt ein ebenes, periodisches Raster aus Lamellen mit Zwischenschichten, dessen Lamellen
in einer Richtung parallel und in der anderen auf die Strahlenquelle fokussiert sind. Die Dicken von Lamellen
und Zwischenschichten, die Dicke des Gitters in Strahlrichtung sowie die Materialien sind frei wählbar. Als Basis
wurde ein in der Mammographie typisches Modell gewählt, das 16 µm dicke Bleilamellen und 300 µm dicke
Zwischenschichten aus Kohlenstoff bei einer Gesamtdicke von 1,5 mm, d. h. einem Schachtverhältnis von 5:1,
verwendet. Durch zufallsgewählte Positionierung senkrecht zu den Lamellen für jedes Primärphoton kann eine
Bewegung des Gitters simuliert werden, die in üblichen Geräten verhindert, dass das Gitter in den erzeugten
Bildern sichtbar wird. Das Programm wurde in einer Simulation mit einem einfachen Phantom getestet und mit
dem physikalisch erwarteten Verhalten verglichen. Die Ergebnisse decken sich mit den Abschätzungen, die
Ergebnisse der abgeschlossenen Forschungsvorhaben im Jahr 2012 - TB 04 43