Optimizing computer tomography examinations by using anthropomorphic phantoms and MOSFET dosimeters

The number of computed tomography (CT) examinations has increased in recent years due to developments in scanner technology and the increased diagnostic capabilities of CT. Nowadays, CT has become a major contributor to accumulated radiation doses from radiological examinations, accounting for approximately 60% of the overall medical radiation dose in Western countries. Ionizing radiation is generally considered harmful to health, and current knowledge suggests that the risk for stochastic effects increases linearly with radiation dose. Minimizing patient doses in CT requires effective optimization practices, including both technical and clinical approaches. CT optimization aims to reduce patients exposure to radiation without compromising image quality for diagnosis. The aim of this dissertation was to explore the feasibility of using anthropomorphic phantoms and metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) in CT optimization and patient dose measurements, and to study CT optimization in versatile clinical situations. Specifically, this thesis focused on studying the effects of patient centering on the CT scanner isocenter by determining changes in patient dose and image quality. Additionally, as a part of this thesis, we constructed and optimized ultralow-dose CT protocols for craniosynostosis imaging, and explored different optimization methods for reducing radiation exposure to eye lenses. Moreover, fetal radiation doses were assessed in the most typical CT examinations of a pregnant woman which also place the fetus at the highest risk for ionizing radiation-induced health detriments. Anthropomorphic phantoms and MOSFET dosimeters proved feasible in CT optimization even with the use of ultralow-dose levels. Patient vertical off-centering posed a common and serious problem in chest CT, as a majority of the scanned patients were positioned below the isocenter of the CT scanner, which significantly affected both radiation dose and image quality. This exposes the radiosensitive anterior surface tissues, including the breasts and thyroid gland, to greater risk. Special attention should focus on pediatric patients in particular, as they were typically miscentered lower than adults were. The use of constructed ultralow-dose CT protocols with model-based iterative reconstruction can enable craniosynostosis CT imaging with sufficient image quality for diagnosis with an effective dose of less than 20 μSv for the patient. This dose level was approximately 85% lower than the level used in routine CT protocols in the hospital for craniosynostosis, and was comparable to the radiation exposure of a plain-skull radiography examination. The most efficient method for reducing the dose to the eye lens proved to be gantry tilting, which leaves the eye lenses outside the primary radiation beam, thereby reducing the absorbed dose up to 75%. However, measurements with two different anthropomorphic head phantoms showed that patient geometry significantly affects dose-reduction capabilities. If lenses can only partially be cropped outside the primary beam, organ-based tube current modulation or bismuth shields may also be used for reducing the dose to the lenses. Based on the measured absorbed doses in this thesis, the radiation dose to the fetus poses no obstacle to an optimized CT examination with a medically necessary indication. The volumetric CT dose index (CTDIvol) provides a rough estimate of the fetal dose when the uterus is in the primary radiation beam, although the extent of the scan range has a substantial effect on the fetal dose. The results support the conception that when the fetus or uterus is not in the scan range, the fetal dose is affected mainly by the distance from the scan range.Tietokonetomografiatutkimusten (TT) määrä on kasvanut laitekehityksen sekä TT:n lisääntyneiden diagnostisten sovelluskohteiden ansiosta viime vuosien aikana huomattavasti. Siitä on nykyisellään tullut länsimaissa radiologisista menetelmistä eniten kollektiivista sädeannosta kerryttävä menetelmä noin 60 %:n osuudella kaikkien lääketieteellisten röntgentutkimusten aiheuttamasta yhteisestä kokonaisannoksesta. Ionisoivaa säteilyä pidetään yleisesti ottaen terveydelle haitallisena, ja nykytietämyksen mukaan säteilyn tilastollisten haittavaikutusten riski kasvaa lineaarisesti säteilyannoksen kasvaessa. Jotta potilaiden saamaa säteilyaltistusta voitaisiin TT:ssä vähentää, on tehokkaiden optimointimenetelmien, niin teknisten kuin myös kliinisten, käyttö tarpeen. TT-optimoinnin tarkoituksena on vähentää potilaiden saamia säteilyannoksia ilman että diagnostinen kuvanlaatu oleellisesti kärsii. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia ihmisenkaltaisten potilasvasteiden (l. antropomorfisten fantomien) ja puolijohdetekniikkaan perustuvien MOSFET-dosimetrien soveltuvuutta TT-optimointiin sekä tutkia TT-optimointia useissa kliinisissä sovelluksissa. Työssä tutkittiin erityisesti potilaan vertikaalisuunnan keskittämisen vaikutuksia potilasannosten sekä kuvanlaadun osalta. Lisäksi tämän väitöskirjan osana luotiin kraniosynostoosipotilaiden kuvantamista varten erittäin matalaa annostasoa hyödyntävät TT-protokollat sekä tutkittiin erilaisten optimointimenetelmien käyttöä silmän linssien säteilyaltistuksen pienentämiseksi. Työssä määritettiin myös sikiön saamia säteilyannoksia yleisimmissä TT-tutkimuksissa, joita raskaana olevalle naiselle mahdollisesti joudutaan tekemään, ja jotka aiheuttavat sikiölle merkittävimmän ionisoivasta säteilystä peräisin olevan terveysriskin. Antropomorfiset fantomit ja MOSFET-dosimetrit osoittautuivat TT-tutkimusten optimointiin soveltuviksi jopa erittäin matalilla annostasoilla. Potilaan vertikaalinen keskitysvirhe havaittiin olevan vakava ja yleinen ongelma keuhkojen TT-tutkimuksissa, sillä suurin osa kliinisistä potilaista keskitettiin TT-laitteen isosentriin nähden liian alas, vaikuttaen huomattavasti sekä säteilyannoksiin että kuvanlaatuun. Tämä altistaa erityisesti säteilyherkät anterioriset pintakudokset, kuten rinnat ja kilpirauhasen, suuremmalle riskille. Erityisesti lasten kohdalla huolelliseen keskittämiseen tulisi kiinnittää huomiota, sillä keskitysvirhe oli lapsipotilailla aikuisia suurempi. Kraniosynostoosipotilaiden TT-tutkimus voitiin tehdä työssä kehitetyllä mallipohjaista iteratiivista rekonstruktiota hyödyntävällä erittäin matalan annostason omaavalla TT-protokollalla jopa alle 20 μSv efektiivisellä annoksella potilaalle ilman että diagnostiikkaan tarvittava kuvanlaatu oleellisesti kärsi. Tämä oli noin 85 % vähemmän kuin sairaalassa rutiinisti käytettävä TT-protokolla kraniosynostoosipotilaiden kuvaukseen tuottaa, vastaten samalla myös tavallisen kalloröntgenkuvan tuottamaa annostasoa. TT-gantryn kippaus siten, että silmän linssit jäävät primäärisäteilykeilan ulkopuolelle, osoittautui tehokkaimmaksi menetelmäksi pienennettäessä silmän linssien annostasoa tavallisissa pään TT-tutkimuksissa. Näin saavutettiin jopa 75 %:n annossäästö verrattuna protokollaan, jossa ei käytetty erillisiä optimointimenetelmiä. Mittaukset kahdella pääfantomilla kuitenkin osoittivat pään geometrian vaikuttavan huomattavasti annosoptimointiin. Kuvauksissa, joissa silmän linssit voidaan jättää vain osittain primäärikeilan ulkopuolelle, voidaan käyttää silmän linssien suojaamiseen myös joko elinkohtaista putkivirran modulaatiota tai vismuttisuojia. Sikiön saamat säteilyannokset eivät ole tässä työssä määritettyjen absorboituneiden annosten perusteella este optimoidulle TT-tutkimukselle lääketieteellisen indikaation niin vaatiessa. TT-annosten tilavuuskeskiarvoa (CTDIvol) voidaan pitää sikiöannokselle karkeana arviona kohdun ollessa primäärisäteilykeilassa, joskin kuvausalueen laajuudella on huomattava vaikutus sikiön saamaan säteilyannokseen. Saadut tulokset tukevat myös käsitystä, että sikiön tai kohdun ollessa kuvausalueen ulkopuolella, sikiöannos riippuu pääosin sikiön etäisyydestä kuvausalueelta