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Validierung äquivalenter CT-Quellenmodelle für die personalisierte Dosimetrie mittels Monte Carlo Simulationen

18.12.2018

Die Computertomographie ist ein wichtiges Instrument der modernen Diagnostik und ist aus dem Klinikalltag kaum mehr wegzudenken. Die CT-Dosimetrie basiert auf Dosismessgrößen, die in standardisierten Phantomen gemessen werden. Die effektive Dosis wird aus den Messgrößen mit berechneten Konversionsfaktoren für einen Standardpatienten und einen Referenzscanner abgeschätzt. Diese Art der Abschätzung berücksichtigt keine patientenspezifischen Besonderheiten wie Größe und Gewicht und trägt auch nicht neuesten technischen Möglichkeiten wie Röhrenstrommodulation oder Fächerstrahl (sog. cone-beam) CT Rechnung. Dieses führt folglich zu großen Unsicherheiten in der Dosisbestimmung. Im Rahmen des EMPIR Projektes „Metrology for multi-modality imaging of impaired tissue perfusion“ (15HLT05) wird an einer Methode zur personalisierten Dosimetrie für die Computertomographie gearbeitet, welche auf Monte Carlo Simulationen der 3D-Dosisverteilung im Patienten beruht.

Um die Dosis im Gewebe des Patienten akkurat berechnen zu können, werden sowohl die vom Patienten aufgenommenen Schnittbilder benötigt wie auch Scanner-spezifische Kenngrößen. Zu den Kenngrößen zählen das charakteristische Photonenfluenzspektrum der verwendeten Röntgenröhre, die Schwächungseigenschaften der eingebauten Strahlungsformfilter sowie die Eigenschaften der Kollimatoren, die Schwächung durch den Patiententisch sowie die Dosisleistung bezogen auf den Strom der Röntgenröhre unter definierten Bedingungen frei in Luft. Die gerätespezifischen Kenngrößen werden mittels eines dynamischen Messverfahrens bestimmt. Dazu wird ein mobiler Aufbau verwendet, wie er in Abbildung 1 dargestellt ist. Er wurde im Rahmen des Projekts entworfen und sowohl am PTB eigenen CT als auch an klinisch genutzten Geräten am Klinikum Braunschweig sowie beim Projektpartner am HUS Medical Imaging Center, Helsinki, erfolgreich getestet.

Mobiler Messaufbau zur Bestimmung äquivalenter CT Röntgenquellenmodelle

Abb. 1: Mobiler Messaufbau zur Bestimmung äquivalenter CT Röntgenquellenmodelle.

Die äquivalenten CT Quellenmodelle werden überprüft indem 3D Dosissimulationen mit Messungen der Luftkerma in verschiedenen Phantomen, wie in Abbildung 2 dargestellt, verglichen werden. Als Detektoren werden Ionisationskammern von 10 cm Länge (Stabkammern) sowie Halbleiterdetektoren verwendet. Letztere zeichnen sich durch ein gutes räumliches Auflösungsvermögen aus, wobei die Energieabhängigkeit der Sensoren bzgl. Luftkerma nicht vernachlässigbar ist und korrigiert werden muss.

Anthropomorphes Phantom bestückt mit 5 Halbleiterdetektoren (links) zur Verifikation der 3D Dosissimulation (rechts)

Abb. 2: Anthropomorphes Phantom bestückt mit 5 Halbleiterdetektoren (links) zur Verifikation der 3D Dosissimulation (rechts).

In verschiedenen Messungen am PTB eigenen CT konnten Differenzen zwischen Simulation und Messung der Luftkerma im Phantom von weniger als 10% nachgewiesen werden, welches mit der Unsicherheitsabschätzung verträglich ist. Dies ist ebenfalls durch Messungen am Klinikum Braunschweig sowie am HUS bestätigt worden. Damit konnte nachgewiesen werden, dass äquivalente Quellenmodelle aus dynamischen Messmethoden als Eingangsparameter für 3D Dosissimulationen anstelle der realen Geometrie geeignet sind und somit auch für personalisierte Dosimetrie in der CT angewendet werden können.