ردیابی مسیر پروتون در سیستم مقطع نگاری رایانه ای پروتون با استفاده از یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده انرژی دانشگاه صنعتی شریف

2 هیات علمی

3 استاد

4 دکترا تخصصی، پژوهشکده کاربرد پرتوها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران- ایران

چکیده
یکی از مشکلات اصلی در مقطع ‌نگاری‌ رایانه‌ای پروتون، کاهش حد تفکیک فضایی تصویر به دلیل پراکندگی چندگانه کولومبی پروتون‌ها در حین عبور از ماده است. برای مقابله با این مشکل، مدل ‌سازی محتمل‌ترین مسیر پروتون‌ها(MLP) ضروری می‌باشد. در این راستا، شبکه‌های عصبی مصنوعی به عنوان یکی از راهکارهای نوآورانه درحوزه یادگیری ماشین، به بهبود دقت تخمین محتمل‌ترین مسیر پروتون‌ها کمک کرده-اند. در این مطالعه، یک شبکه ‌عصبی مصنوعی با الگوریتم بهینه‌ساز تخمین لحظه تطبیقی برای تخمین محتمل ترین مسیر پروتون(MLP) طراحی شد. آموزش شبکه با استفاده از داده‌های بدست‌آمده از شبیه‌ سازی سیستم مقطع ‌نگاری رایانه‌ای پروتون در Geant4 انجام شد، به طوری که 60% از این داده‌ها برای آموزش، 20% داده‌ها برای اعتبارسنجی و 20% برای آزمون مدل تخصیص داده شدند. این داده‌ها حاوی اطلاعاتی نظیر موقعیت ورودی و خروجی پروتون‌ها، نهشت انرژی، زاویه خروج پروتون‌ها و 10 نقطه تشکیل دهنده مسیر به ازای هر پروتون بودند. ماتریس سینوگرام به کمک مسیر محتمل تخمینی توسط شبکه عصبی(MLP) و مسیر اسپلاین مکعبی(CSP)، اصلاح شد و تصویر با استفاده از الگوریتم Filtered Back Progection بازسازی شد. نتایج این مطالعه نشان داد که روش MLP توانست به حد تفکیک فضایی 5 جفت خط بر سانتی متر دست یابد، درحالی که این مقدار برای روش CSP برابر با 3 جفت خط بر سانتی متر بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Proton path tracking in proton computed tomography using machine learning.

نویسندگان English

zohreh ramezani 1
zafar riazi 2
Naser vosoughi 3
Ehsan Alibeigi 4
1 faculty of energy,sharif university of technology
2 دکتر
3 Department of Energy Engineering,. Sharif university of technology
4 PhD, Radiation Application Research School Nuclear Science and Technology Research Institute, Tehran– Iran
چکیده English

One of the main problems in proton computed tomography is the reduction of the spatial resolution of the image due to the multiple coulomb scattering of protons while passing through the material. To deal with this problem, it is necessary to model the most likely path of protons (MLP). In this regard, artificial neural networks, as one of the innovative solutions in the field of machine learning, have helped to improve the accuracy of estimating the most likely path of protons. In this study, an artificial neural network with adaptive moment estimation optimization algorithm was designed to estimate the most likely proton path (MLP). The training of the network was done using the data obtained from the simulation of the proton computed tomography system in Geant4, so that 60% of this data was allocated for training, 20% of the data for validation, and 20% for the model test. These data contained information such as the position of entry and exit of protons, energy deposit, exit angle of protons and 10 points forming the path for each proton. The image matrix was modified with the help of the most likely path estimated by the neural network (MLP) and the cubic spline path (CSP), and the image was reconstructed using the Filtered Back Projection algorithm. The results of this study showed that the MLP method was able to achieve a spatial resolution of 5 line pairs/cm, while this value was equal to 3 line pairs/cm for the CSP method.

کلیدواژه‌ها English

Proton computed tomography
Geant4
Most likely path
Neural network

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 23 دی 1403