Simulation and Validation of Dose Profiles and their use to estimate dosimetric quantities for Computed Tomography

A tomografia computadorizada (TC) tornou-se uma técnica de imagem médica de referência, com um número de procedimentos crescendo ao longo dos anos devido principalmente à rápida evolução da tecnologia CT. Como um procedimento de TC implica a dose entregue ao paciente, é uma preocupação rastrear a emissão de radiação por um dispositivo de TC. Esforços visando preencher a lacuna sobre a capacidade da metodologia tradicional do Índice de Dose por Tomografia Computadorizada (CTDI) para estimar as características de emissão de radiação de um dispositivo de TC atual foram realizados. Uma abordagem analítica sobre a descrição da distribuição da dose em simuladores cilíndricos submetidos a procedimentos de CT clínicos foi desenvolvida. Essa abordagem analítica ajuda a entender melhor os processos físicos que governam a deposição de doses em um simulador cilíndrico. A abordagem analítica prediz com precisão suficiente o perfil de dose e o perfil de dose acumulado a partir de uma única e múltipla tomografia computadorizada, respectivamente, ao longo dos eixos central e periférico de um simulador cilíndrico. Além disso, a partir dos perfis de dose única ou múltipla, é possível derivar descritores de dose mais precisos para os exames de TC atuais do que a métrica tradicional CTDI100. Neste trabalho, uma modelagem de Monte Carlo (MC) do modo de CT helicoidal foi realizada com o objetivo de calcular perfis de dose acumulados. As características de emissão de radiação dos scanners CT com detector múltiplo (MDCT), GE Discovery CT750HD e GE Lightspeed Ultra foram modeladas e usadas para avaliar a deposição de dose em phantoms cilíndricos de PMMA de 16 e 32 cm de diâmetro. Para modelar o procedimento helicoidal e o transporte de radiação de fótons e elétrons no material do simulador, foi utilizado o pacote PENELOPE/penEasy. A auto-atenuação do alvo, o ângulo do ponto focal e a geometria do feixe são incorporados. Foram escolhidos um protocolo helicoidal de corpo com valores de pitch de 0,516, 0,984 e 1,375, largura nominal do feixe, nT=40 mm, e um protocolo helicoidal da cabeça com valores de pitch de 0,531, 0,969 e 1,375 e largura nominal do feixe nT=20 mm para serem modelados utilizando espectros de raios X correspondentes a 80, 100, 120 e 140 kV. Os perfis de dose experimentais foram medidos usando dosímetros de Luminescência Opticamente Estimulada (OSL) na forma de fitas. Além disso, os valores experimentais do CTDI100 foram usados para calibrar os perfis acumulativos simulados. A correspondência dos perfis de dose simulados com os dados de referência mostra a modelagem correta da auto atenuação do alvo e do transporte de radiação no material do phantom refletidos nas caudas dos perfis de dose. A partir dos perfis de dose cumulativa calibrada, foram derivadas métricas que descrevem as características da dose de TC, como Integral linear da dose (DLI), Dose de equilíbrio (Deq), produto de Dose de equilíbrio e pitch (pxDeq), função de equilíbrio (H(L)) e Varredura de equilíbrio (Leq). São obtidos dados abrangentes para as métricas mencionadas acima. Leq concorda com os dados da literatura ao longo do eixo central. A eficiência do CTDI100 para avaliar o produto pxDeq foi de 80,8% e 87,8% para o phantom de cabeça e 56,5% e 86,2% para o phantom de corpo ao longo dos eixos central e periférico para 120 kV.Computed Tomography (CT) has become a reference medical imaging technique with number of procedures growing over the years. This fact is mainly due to the rapid evolution of CT technology that means the utilization of the devices in a number of applications. Since a CT procedure implies dose delivered to the patient, it is a concern to track the radiation emission by a CT device. Efforts aiming to fill the gap about the capability of the traditional Computed Tomography Dose Index (CTDI) methodology to estimate the radiation emission characteristics of a current CT device have been performed. An analytical approach about the description of the dose distribution in cylindrical phantoms subdued to clinical CT scanning has been developed. This analytical approach helps to have a better understanding of the physical processes governing the dose deposition in a cylindrical phantom. The analytic approach predicts with sufficient accuracy the dose profile and the cumulated dose profile from single and multiple CT scans, respectively, along the central and peripheral axes of a cylindrical phantom. Moreover, from the single or multiple dose profiles, it is possible to derive more accurate dose descriptors for the current CT examinations than the traditional CTDI100 metric. In this work, a Monte Carlo (MC) modelling of the helical CT scan mode was performed aiming to compute single and cumulated dose profiles. The radiation emission characteristics of the multiple-detector CT (MDCT) scanners, GE Discovery CT750HD, and GE Lightspeed Ultra were modelled and used to assess dose deposition in PMMA cylindrical phantoms of 16 and 32 cm diameters. To model the helical procedure and the radiation transport of photons and electrons in the phantom material, the PENELOPE/penEasy package was used. The target self-attenuation, focal spot angle, and fan-beam geometry are incorporated. Body helical protocol with pitch values of 0.516, 0.984, and 1.375, nominal beam width, nT=40 mm, and the head helical protocol with pitch values of 0.531, 0.969, and 1.375, and nominal beam width nT=20 mm were chosen to be modelled for X-ray spectra corresponding to 80, 100, 120, and 140 kV. The analytical formulation for the single dose profiles and experimental measurements of single and cumulated dose profiles were used to validate the MC modelling. The experimental dose profiles were measured using Optically Stimulated Luminescence (OSL) dosimeters in the form of ribbons. Also, the experimental values of the CTDI100 were used to calibrate the simulated single and cumulative profiles. The match of the simulated dose profiles with the reference data reflects the correct modelling of the target self-attenuation and the radiation transport in the phantom material reflected in the tails of the dose profiles. From the calibrated cumulative dose profiles, metrics describing the CT dose characteristics were derived, such as Dose Line Integral (DLI), Equilibrium Dose (Deq), pitchxEquilibrium Dose product (pxDeq), Approach to Equilibrium function (H(L)), and Equilibrium Scanning Length (Leq). A comprehensive data for the aforementioned metrics are obtained. Leq agrees with data from the literature along the central axis. The efficiency of the CTDI100 to assess the product pxDeq were 80.8%, and 87.8% for head phantom, and 56.5%, and 86.2% for the body phantom along the central and peripheral axes for 120 kV