Characterization and modeling of a CT scanner by experimental measurements and software simulations

In the present thesis, a method which generates X-ray source models is used for performing simulations of the multidetector row Canon Aquilion One Prism Edition scanner. The equivalent source model, as it is called, consists of an X-ray energy spectrum and filtration profile that are based entir...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Αλεξανδροπούλου, Ολυμπία
Άλλοι συγγραφείς: Καγκάδης, Γεώργιος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/14410
id nemertes-10889-14410
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Equivalent source model
Computed tomography (CT)
Μοντέλο ισοδύναμης πηγής
Αξονικός τομογράφος
spellingShingle Equivalent source model
Computed tomography (CT)
Μοντέλο ισοδύναμης πηγής
Αξονικός τομογράφος
Αλεξανδροπούλου, Ολυμπία
Characterization and modeling of a CT scanner by experimental measurements and software simulations
description In the present thesis, a method which generates X-ray source models is used for performing simulations of the multidetector row Canon Aquilion One Prism Edition scanner. The equivalent source model, as it is called, consists of an X-ray energy spectrum and filtration profile that are based entirely on measured values and can replace proprietary manufacturer’s data in simulations. Required measurements include the first half value layer (HVL1) and the bowtie description (dose values across the fan beam) for the Canon Aquilion One Prism Edition CT scanner. Using these measured values, we generate a spectrum with the HVLs approximately equal to those measured and this is the equivalent spectrum and then we determine a filtration shape and this is the equivalent filter that attenuates the equivalent spectrum the same way the actual filtration attenuates the actual X-ray beam. So, an equivalent source model is generated, using the spectrum based on HVL1 measurements and its respective filtration scheme. Then, simulations using the DukeSim CT simulation platform were evaluated using thissource model and through the comparison of CT dose index (CTDI) simulations to measured CTDI values for the specific Canon scanner using each kVp available and the large and medium filter. CTDI experiments were performed for both 16 cm in diameter (head) and 32 cm in diameter (body) CTDI phantoms. Then we calculated the percent error between each simulation and measurement result in order to evaluate the accuracy of the simulations that performed using the equivalent source model. The average error between the simulated and measured values is 2.1 % across both filters, all kVps and both phantom sizes. From the results we can say that the equivalent source model we created based on measured values can be used in place of manufacturer’s data for dosimetry simulations of a CT scanner. Additionally, real experiments were performed and evaluated. Real projection images of the Catphan phantom were acquired on the Canon Aquilion One Prism Edition CT scanner, under 40 and 150 mAs at 120 kV. CT number linearity, spatial linearity in x and y axes, low contrast detectability, uniformity and spatial resolution were assessed as image quality metrics to be evaluated in this thesis.
author2 Καγκάδης, Γεώργιος
author_facet Καγκάδης, Γεώργιος
Αλεξανδροπούλου, Ολυμπία
format Thesis
author Αλεξανδροπούλου, Ολυμπία
author_sort Αλεξανδροπούλου, Ολυμπία
title Characterization and modeling of a CT scanner by experimental measurements and software simulations
title_short Characterization and modeling of a CT scanner by experimental measurements and software simulations
title_full Characterization and modeling of a CT scanner by experimental measurements and software simulations
title_fullStr Characterization and modeling of a CT scanner by experimental measurements and software simulations
title_full_unstemmed Characterization and modeling of a CT scanner by experimental measurements and software simulations
title_sort characterization and modeling of a ct scanner by experimental measurements and software simulations
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/14410
work_keys_str_mv AT alexandropoulouolympia characterizationandmodelingofactscannerbyexperimentalmeasurementsandsoftwaresimulations
AT alexandropoulouolympia charaktērismoskaimontelopoiēsēypologistikoutomographoumepeiramatikesmetrēseiskaiprosomoiōseislogismikou
_version_ 1771297144124211200
spelling nemertes-10889-144102022-09-05T05:38:37Z Characterization and modeling of a CT scanner by experimental measurements and software simulations Χαρακτηρισμός και μοντελοποίηση υπολογιστικού τομογράφου με πειραματικές μετρήσεις και προσομοιώσεις λογισμικού Αλεξανδροπούλου, Ολυμπία Καγκάδης, Γεώργιος Καρναμπατίδης, Δημήτριος Σεχόπουλος, Ιωάννης Alexandropoulou, Olympia Equivalent source model Computed tomography (CT) Μοντέλο ισοδύναμης πηγής Αξονικός τομογράφος In the present thesis, a method which generates X-ray source models is used for performing simulations of the multidetector row Canon Aquilion One Prism Edition scanner. The equivalent source model, as it is called, consists of an X-ray energy spectrum and filtration profile that are based entirely on measured values and can replace proprietary manufacturer’s data in simulations. Required measurements include the first half value layer (HVL1) and the bowtie description (dose values across the fan beam) for the Canon Aquilion One Prism Edition CT scanner. Using these measured values, we generate a spectrum with the HVLs approximately equal to those measured and this is the equivalent spectrum and then we determine a filtration shape and this is the equivalent filter that attenuates the equivalent spectrum the same way the actual filtration attenuates the actual X-ray beam. So, an equivalent source model is generated, using the spectrum based on HVL1 measurements and its respective filtration scheme. Then, simulations using the DukeSim CT simulation platform were evaluated using thissource model and through the comparison of CT dose index (CTDI) simulations to measured CTDI values for the specific Canon scanner using each kVp available and the large and medium filter. CTDI experiments were performed for both 16 cm in diameter (head) and 32 cm in diameter (body) CTDI phantoms. Then we calculated the percent error between each simulation and measurement result in order to evaluate the accuracy of the simulations that performed using the equivalent source model. The average error between the simulated and measured values is 2.1 % across both filters, all kVps and both phantom sizes. From the results we can say that the equivalent source model we created based on measured values can be used in place of manufacturer’s data for dosimetry simulations of a CT scanner. Additionally, real experiments were performed and evaluated. Real projection images of the Catphan phantom were acquired on the Canon Aquilion One Prism Edition CT scanner, under 40 and 150 mAs at 120 kV. CT number linearity, spatial linearity in x and y axes, low contrast detectability, uniformity and spatial resolution were assessed as image quality metrics to be evaluated in this thesis. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, χρησιμοποιείται μια μέθοδος δημιουργίας ενός μοντέλου πηγής ακτινών Χ, με σκοπό την πραγματοποίηση προσομοιώσεων του αξονικού τομογράφου (CT) Canon Aquilion One Prism Edition. Το λεγόμενο μοντέλο “ισοδύναμης’” πηγής αποτελείται από ένα ενεργειακό φάσμα και μια περιγραφή του φίλτρου, και δημιουργείται αποκλειστικά με βάση πειραματικά μετρηθείσες τιμές και μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη θέση των ιδιωτικών δεδομένων του κατασκευαστή, για την πραγματοποίηση προσομοιώσεων του συγκεκριμένου αξονικού τομογράφου. Οι απαιτούμενες μετρήσεις περιλαμβάνουν μετρήσεις HVL1 και το προφίλ του φίλτρου (τιμές δόσης στην ακτίνα της δέσμης) για τον αξονικό τομογράφο Canon Aquilion One Prism Edition. Χρησιμοποιώντας τις τιμές αυτών των μετρήσεων, κατασκευάζουμε αριθμητικά ένα φάσμα με τα υπολογιζόμενα HVLs να είναι περίπου ίσα με αυτά που μετρήθηκαν (ισοδύναμο φάσμα) και στη συνέχεια καθορίζουμε το σχήμα του φίλτρου (ισοδύναμο φίλτρο) που εξασθενεί το φάσμα με παρόμοιο τρόπο όπως το πραγματικό φίλτρο εξασθενεί την πραγματική δέσμη ακτινών Χ, όπως μετράται με τις μετρήσεις του προφίλ του φίλτρου. Επομένως, χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο, παράγεται ένα μοντέλο ισοδύναμης πηγής, χρησιμοποιώντας το φάσμα που βασίζεται στις μετρήσεις του HVL1 και το φίλτρο που βασίζεται στις μετρήσεις της δόσης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις με τη χρήση της πλατφόρμας προσομοιώσεων DukeSim χρησιμοποιώντας το μοντέλο ισοδύναμης πηγής, και συγκρίναμε την ακρίβεια των προσομοιώσεων του δείκτη δόσης για τον αξονικό τομογράφο (CTDI) με τις τιμές CTDI που προέκυψαν από πειραματικές μετρήσεις για τον συγκεκριμένο αξονικό της Canon. Οι εκτιμήσεις για τον αξονικό τομογράφο διεξήχθησαν χρησιμοποιώντας κάθε διαθέσιμο συνδυασμό kVp και φίλτρου. Τα CTDI πειράματα πραγματοποιήθηκαν τόσο για CTDI ομοίωμα κεφαλής (διαμέτρου 16 cm) όσο και για CTDI ομοίωμα σώματος (διαμέτρου 32 cm) χρησιμοποιώντας για τις μετρήσεις τόσο τις κεντρικές όσο και περιφερειακές θέσεις των ομοιωμάτων. Το επί τοις εκατό σφάλμα μεταξύ κάθε πειραματικού και προσομοιωμένου αποτελέσματος υπολογίστηκε για να εκτιμηθεί η ακρίβεια των προσομοιώσεων που πραγματοποιήθηκαν με το μοντέλο ισοδύναμης πηγής. Χρησιμοποιώντας λοιπόν το μοντέλο ισοδύναμης πηγής έχουμε ως αποτέλεσμα μέσο 14 σφάλμα μεταξύ των πειραματικών και προσομοιωμένων τιμών 2,1 % σε όλα τα kVp, στα δύο φίλτρα και στα δύο μεγέθη ομοιωμάτων. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι το μοντέλο ισοδύναμης πηγής που δημιουργήσαμε και βασίζεται μόνο σε πειραματικές μετρήσεις μπορεί να αντικαταστήσει τα ιδιωτικά δεδομένα των κατασκευαστών σε προσομοιώσεις δοσιμετρίας για έναν αξονικό τομογράφο. Επιπροσθέτως, πραγματοποιήθηκαν πειράματα και εκτιμήθηκαν εικόνες του CT μετρώντας ποσοτικές παραμέτρους που σχετίζονται με την ποιότητα εικόνας. Πραγματικές εικόνες του Catphan ομοιώματος αποκτήθηκαν στον Canon Aquilion One Prism Edition αξονικό τομογράφο, στα 40 mAs και 150 mAs, στα 120 kV και χρησιμοποιώντας το μεγάλο φίλτρο. Η γραμμικότητα του CT αριθμού, η χωρική γραμμικότητα σε άξονες x και y, η χαμηλής αντίθεσης διακριτική ικανότητα, η ομοιομορφία και η χωρική διακριτική ικανότητα, αξιολογήθηκαν ως μετρήσεις για την ποιότητα εικόνας στην συγκεκριμένη εργασία. 2021-01-05T06:49:51Z 2021-01-05T06:49:51Z 2020-02 Thesis http://hdl.handle.net/10889/14410 en 12 application/pdf