نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 هیات علمی

2 دکترا، پژوهشکده فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران- ایران

10.24200/nst.2022.1064.1719

چکیده

مقطع‌نگاری رایانه‌ای پروتون (pCT)، قابلیت کاهش عدم‌‌قطعیت ذاتی در پروتون‌درمانی با اندازه‌گیری مستقیم توان توقف نسبی (RSP) را دارد. پراکندگی‌های زاویه‌‏ای متعدد کوچک پروتون حاصل از پراکندگی چندگانه کولنی (MCS)، منجر به تضعیف حدتفکیک‌ فضایی تصاویر pCT می‌شود. استفاده از مسیر محتمل حرکت (MLP) پروتون در بازسازی تصویر می‌‏تواند کاهش کیفیت‌ تصویر در اثر MCS را جبران کند. MLP پروتون در محیط یکنواخت، مطابق با تابع توزیع احتمال خاصی صورت می‌پذیرد که برای هر پروتون قابل‌بررسی است. در این مطالعه، سیستم pCT با قابلیت ردیابی ذره‌به ‌ذره با استفاده از کدGeant4 شبیه‌‏سازی شد. هدف شبیه‌‏سازی، بهبود حدتفکیک فضایی تصاویر حاصل از مدل‌های مختلف مسیر حرکت پروتون شامل مسیر خط مستقیم (SLP)، مسیر اسپلاین مکعبی (CSP) و مسیر محتمل حرکت MLP بوده است. فانتوم Catphan528، تحت تابش باریکه پروتونی MeV 200 قرار گرفت و مقادیر انرژی، موقعیت و جهت حرکت ذرات قبل و بعد از فانتوم توسط آشکارسازها ثبت شد. همچنین ماتریس تصویر RSP با استفاده از ضرایب وزنی به‌دست‌آمده از اعمال تخمینگرهای مسیر حرکت SLP، CSP و MLP اصلاح شده و تصاویر به روش FBP بازسازی شد. نتایج حدتفکیک فضایی و خطای جذر میانگین مربعات (RMSE) تصاویر حاصل نسبت به داده‌های تصویر فانتوم مورد مقایسه قرار گرفت و نشان داد که روش MLP نسبت به سایر روش‌‏ها دارای خطای کمتر و حدتفکیک فضایی بهتر است. برای 100هزار ذره‌پروتون با تغییر ابعاد پیکسل از 1 تا 1/0 میلی‌متر، حد تفکیک ‌فضایی از 3 تا 9 جفت‌خط در هر سانتی‌متر افزایش یافت، درحالی‌که مقدار RMSE از 11/8% به 97/14% تغییر پیدا کرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation of proton path estimators for spatial resolution modification in images obtained by Proton computed tomography

نویسندگان [English]

  • zafar riazi 1
  • Ehsan Alibeigi 2
  • Mojtaba Askari 1
  • amir movafeghi 1

1 دکتر

2 PhD, Physics and Accelerator Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, Tehran-Iran

چکیده [English]

Proton computed tomography (pCT) can reduce the uncertainty in proton therapy by measuring the Relative Stopping Power (RSP) directly. The spatial resolution of the pCT images decreases due to the multi colomb scattering (MCS) of protons inside the phantom. This reduction of image quality can be compensated by using the most probable path of protons in the reconstruction algorithm. In this study, a pCT system was simulated by particle-to-particle tracking of protons using the Geant4 toolkit. The purpose of this simulation is to improve the spatial resolution of images obtained from applying different estimators of the proton path, including straight line path (SLP), cubic spline path (CSP), and most likely path (MLP). The Catphan528 phantom was irradiated with 200MeV protons, and the energy, position, and direction of the particle were recorded before and after the phantom. The RSP image matrix was modified by weigthing factors obtaind using SLP, CSP, and MLP path esitimators and image was reconstructed using FBP. The results of spatial resolution and their root mean square errors (RMSE) were compared to phantom image data. The obtained results showed that the MLP method has less error and better accuracy in resolving the spatial resolution than other methods. For 100,000 protons, with the image resolution from 1 to 0.1 mm, the spatial resolution increased from 3 to 9 line pairs/cm, while the RMSE increased from 8.11% to 14/97%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Proton computed tomography
  • Image reconstruction
  • Monte Carlo simulation
  • Proton path estimator