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Dissertação de Mestrado
DOI
10.11606/D.43.2018.tde-16062018-092940
Documento
Autor
Nome completo
Lorena Paola Robayo Puerto
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2018
Orientador
Banca examinadora
Costa, Paulo Roberto (Presidente)
Furuie, Sérgio Shiguemi
Silva, Ana Maria Marques da
Título em português
Simulação Monte Carlo do processo de aquisição de imagens de um tomógrafo de dupla energia
Palavras-chave em português
Decomposição em materiais base (BMD em inglês); decomposição baseada nas projeções; imagens de concentração de material; imagens monoenergéticas
Tomografia Computadorizada de Dupla Energia
Resumo em português
A Tomografia Computadorizada de Energia Dupla (DECT em inglês) é um dos campos das imagens tomográficas que mais evoluiu nos últimos anos. O DECT usa dois espectros para irradiar pacientes e é capaz de diferenciar tecidos com base na sua composição elementar. Apesar de serem semelhantes aos dispositivos padrão de tomografia, para essa modalidade é necessário o desenvolvimento de ferramentas específicas que permitam o estudo de suas propriedades de imagem. O objetivo deste trabalho era construir um sistema simulado de Tomografia Computadorizada (TC) com a capacidade de produzir imagens semelhantes às obtidas em dispositivos DECT reais. O TC simulado também permitiria explorar as propriedades das imagens de materiais de teste antes de sua construção física. Este trabalho presenta a simulação do processo de aquisição de imagens de um dispositivo DECT que funciona a partir da troca rápida de kV, o GE Discovery CT 750 HD. A geometria simulada foi baseada num dispositivo atualmente disponível no InRad (Instituto de Radiologia da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo). As simulações foram realizadas usando o código Monte Carlo PENELOPE/penEasy para simular o transporte de radiação através dos materiais e detectores. Também é apresentada uma comparação entre as imagens obtidas no dispositivo real e nas simulações. Para isso, foi preparado um objeto simulador cilíndrico contendo concentrações de materiais equivalentes a iodo e cálcio. As imagens de tal objeto simulador foram adquiridas no equipamento GE Discovery CT 750 HD. Um objeto simulador equivalente foi modelado e as suas imagens foram simuladas com o código PENELOPE/penEasy. As imagens foram adquiridas e reconstruídas de acordo com as possibilidades do equipamento clínico de tomografia. Imagens de concentração de material e imagens monoenergéticas foram obtidas a partir do dispositivo CT clínico e das simulações. O algoritmo BMD (Basis Material Decomposition em Inglês) baseado nas projeções foi implementado usando os coeficientes de atenuação mássicos da água e do iodo. Consequentemente, imagens de concentração dos materiais água e iodo foram obtidas. A concentração medida nos cilindros de iodo foi equivalente às esperadas tanto no dispositivo real quanto nas imagens simuladas. Foram observados artefatos de endurecimento de feixe nas imagens de concentração de material. Imagens monoenergéticas foram obtidas para diferentes energias. Tais imagens foram obtidas a partir da superposição das imagens de concentração de água e iodo, que foram ponderadas pelos seus respectivos coeficientes de atenuação mássicos. Verificou-se que para as imagens monoenergéticas simuladas e reais em altas energias a imagem de concentração da água é a componente dominante, produzindo imagens que apresentaram as cavidades de iodo como menos atenuantes do que a água. Por outro lado, para energias baixas, a componente dominante nas imagens monoenergéticas foi a imagem de concentração do iodo. O CNR foi analisado nas imagens monoenergéticas como função da energia. As curvas do CNR dos dispositivos simulado e real exibiram semelhanças em sua forma, mas com escala diferente devido à diferença no ruído. Foi possível concluir que o modelo DECT simulado apresenta resultados qualitativos semelhantes aos obtidos no dispositivo real. O sistema de TC simulado permite explorar as características das imagens com diferentes materiais e composições. Ele também pode ser usado como uma ferramenta didática para melhorar a compreensão da diferenciação de materiais em tomografia espectral e DECT.
Título em inglês
Monte Carlo Simulation of the Image Acquisition process of a Dual Energy Computed Tomography Device
Palavras-chave em inglês
Basis Material Decomposition (BMD); Projection-Based decomposition; material concentration images; monoenergetic images
Dual Energy Computed Tomography
Resumo em inglês
Dual Energy (DE) Computed Tomography (CT) is one of the fields of tomographic images that has evolved rapidly during the last years. DECT uses two X-ray spectra to irradiate patients It is capable to differentiate materials based on its elementary composition. Despite being similar to standard CT devices, DECT devices require the development of specific tools that allow the study of their image properties. The objective of this work was to build a modelled CT system capable of producing images similar to those obtained in real DECT devices. The modelled CT would also allow exploring the image properties of test materials before their physical construction. This work presents the simulation of the acquisition process of a DECT device that works with rapid kV switching, the GE Discovery CT 750 HD. The simulated geometry was based on a device currently available at the InRad (Institute of Radiology of the Faculty of Medicine of the University of São Paulo). The simulations were carried out using the PENELOPE/penEasy Monte Carlo code, which simulates radiation transport through the materials and detectors. A comparison between the images obtained in the real device and from simulations is also presented. To do so, a real phantom was prepared to be imaged and an equivalent system was simulated. The phantom contained inserts with concentrations of iodine and calcium. The images were acquired and reconstructed according to the possibilities of the real CT device. Standard, material concentration and virtual monoenergetic images were acquired[L1] from both, the real CT device and simulations. The Projection-Based BMD method was implemented using the mass attenuation coefficients of water and iodine. Then, material concentration images of water and iodine were obtained. The iodine concentrations estimated from the images agreed with the expected values in both real device and simulated images. Beam hardening artefacts were observed in the simulated material concentration images. Monoenergetic images were obtained for different energies. Such images were obtained as a superposition of the concentration images of water and iodine, weighed by their respective mass attenuation coefficient. It was verified that in the simulated and real device images, at high energies, the water concentration image predominated in the monoenergetic images, producing images that presented the iodine cavities as less attenuating than water. In contrast, at low energies, the predominant component of the monoenergetic images was the iodine concentration image. Contrast Noise Ratio (CNR) was analysed in the monochromatic images as a function of energy. Simulated and real device CNR curves exhibited similarities in their shape but with a different scale due to their difference in noise. It was possible to conclude that the simulated DECT model presented qualitative results similar to the obtained in the real device. The modelled CT system permits exploring the image features with different materials and compositions. It could also be used as a didactic tool to improve the understanding of material differentiation in spectral or DECT.
 
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LorenaPuerto.pdf (5.89 Mbytes)
Data de Publicação
2018-06-18
 
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