Florian Cremers, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000
Schlagwörter: Bildsysteme, Energiespektren, Bremsstrahlung
PACS: 87.57.-s, 87.57.Ce
Bildsysteme werden in der Strahlentherapie hauptsächlich zur Kontrolle der Patientenbestrahlung verwendet unter Ausnutzung hochenergetischer Bremsstrahlung (MeV-Bereich) eines medizinischen Elektronenlinearbeschleunigers. Die genaue Positionierung des Patienten ist für den Erfolg einer Bestrahlung sehr wichtig. Hochenergiebilder haben derzeit eine sehr geringe Bildqualität, die für die Verifikation nicht zufriedenstellend ist. Daher werden neuartige Systeme mit verbesserten Abbildungseigenschaften entwickelt.
In der vorliegenden Arbeit werden die Bildqualitäten von zwei verschiedenen Hochenergiebildsystemen im strahlentherapeutisch genutzten Energiebereich bestimmt und miteinander verglichen: ein fluoroskopisch-optisches System und der Prototyp eines Halbleiterdiodenarray-Systems (Flachbildsystem). Die Systeme werden mit hochenergetischer Bremsstrahlung (6 MVx-Spektrum) eines medizinischen Elektronenlinearbeschleunigers bestrahlt.
Die Kenntnis des Photonenenergiespektrums ist für die quantitative Bestimmung der Bildgüte wichtig. Das Spektrum eines Linearbeschleunigers ist im allgemeinen unbekannt und wird für das hier verwendete Geräte erstmals bestimmt. Um die Qualität der einfallenden Strahlung (Energiespektrum, absolute Photonenfluenz) zu bestimmen, werden verschiedene Methoden diskutiert. Mit drei unabhängigen Methoden werden die spektralen Eigenschaften bestimmt.
Die aus den simulierten Ergebnissen (Phasenrauminformationen) berechnete Tiefendosiskurve wird mit einer gemessenen Tiefendosiskurve verifiziert.
Parameter, die die Bildgüte beschreiben, sind das räumliche Auflösungsvermögen (Modulationsübertragungsfunktion), das Rauschen (Wienerspektrum) und die Übertragung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (effektive Quantenabsorption).
Für das Flachbildsystem werden die experimentellen Ergebnisse auch durch Monte-Carlo-Simulationen bestätigt. Die experimentell bestimmte effektive Quantenabsorption wird mit international veröffentlichten Ergebnissen von ähnlichen Hochenergiebildsystemen verglichen.
Das Auflösungsvermögen des fluoroskopischen Systems ist größer als das des Halbleiterdiodenarray-Systems, welches auf die kleinere Pixelgröße und die fehlende Rückstreuung zurückzuführen ist. Die Messungen des Rauschens zeigen, daß das Signal der benachbarten Pixel des Halbleiterdiodenarray-Systems korreliert ist. Das Wienerspektrum des fluoroskopischen Systems ist dagegen frequenzunabhängig (weißes Rauschen). Die effektive Quantenabsorption des Flachbildsystems liegt bei 0,8 % und weist nur eine geringe Frequenzabhängigkeit auf, d.h. das System ist nur durch die Absorption von Bremsstrahlungsphotonen limitiert. Das fluoroskopisch-optische System hat eine deutlich geringere Bildgüte. Die effektive Quantenabsorption liegt bei 0,08 % und fällt mit zunehmender Frequenz ab. Die Bildqualität ist durch den hohen Verlust optischen Photonen in der Abbildungskette und durch das Rauschen der CCD-Kamera limitiert. Der Szintillator ist bei beiden Systemen identisch und damit nicht maßgeblich für Unterschiede in der Bildgüte.
Der Vergleich der experimentell bestimmten effektiven Quantenabsorption mit international veröffentlichten Ergebnissen zeigt, daß die Bildqualität von der Wahl der Konverterplatte gering beeinflußt wird, jedoch von der Oberflächendichte (Dicke) des Phosphorschirms.
Imaging systems in radiotherapy are preliminary used to verify patient irradiation using high-energy X-rays (MeV-range) from a medical accelerator. The exact positioning of a patient is necessary to ensure the success of a radiation treatment. The quality of images currently produced by high-energy \mbox{X-rays} is poor and therefore unsatisfactory for verification purposes. To overcome this problem new imaging systems with improved imaging abilities are being developed.
In this thesis the image quality of two different imaging systems using high-energy x-rays is determined and compared: a fluoroscopic-optical device and a prototype of a flat panel imager based on amorphous silicon. Both devices are irradiated by high-energy X-rays (6 MVx-spectrum) from a medical linear accelerator.
The knowledge of the photon energy spectrum is important to determine the image quality quantitatively. The spectrum of a linear accelerator is generally unknown and is quantified for the accelerator used here for the first time. To determine the characteristics of the incoming radiation beam (energy spectrum, absolute fluence) different methods are discussed. Applying three independent methods the spectral properties are determined.
The energy spectrum is verified by comparing measured and simulated depth dose curves, obtained using the simulated phase-space information as input.
Parameters describing the image quality are the spatial resolution (modulation transfer function), noise (noise power spectrum) and the transfer of the signal to noise ratio (detective quantum efficiency). The experimental results from the flat-panel imager were verified by Monte-Carlo simulations. The experimentally determined detective quantum efficiency is compared with international published results from similar systems.
The resolution of the fluoroscopic-optical device is higher than that of the flat-panel imager. This is due to the smaller pixel size and the missing contribution of backscattered photons. The noise measurements reveal that the signal of neighboring pixels of the flat-panel imaging device is correlated. The noise power spectrum of the fluoroscopic-optical device is frequency independent (white noise). The detective quantum efficiency of the flat-panel imager amounts to 0.8 % and has almost no dependency on the spatial frequency. This indicates that this device is only limited by the absorption of X-ray photons (X-ray quantum limited). The image quality of the fluoroscopic-optical device is much worse. The detective quantum efficiency amounts to 0.08 % and degrades going to higher frequencies. The limitation of image quality of the fluoroscopic-optical device is due to a large sink of optical photons (imposed by the optical chain) and the noise from the CCD-camera. The phosphor is identical in both systems and therefore does not weigh with differences in image quality.
The comparison of the experimentally determined detective quantum efficiency with international published results shows that image quality does not depend on the choice of the converter plate, but on the surface density of the phosphor screen.