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Entwicklung und Benchmark eines anpassungsfähigen Monte-Carlo-Modells für CT- Scanner

28.07.2022

Untersuchungen mittels Computertomografie sind für etwa 65 % der künstlichen Strahlenbelastung in Deutschland verantwortlich. Die personalisierte CT‑Dosimetrie hat zum Ziel, die durch das Strahlungsfeld des CT‑Scanners auf den Patienten übertragene Strahlendosis für jeden Patienten individuell zu erfassen. Hochpräzise Monte‑Carlo (MC)‑Computer‑Simulationen sind für neue Entwicklungen in der personalisierten CT‑Dosimetrie von größter Bedeutung.

Auf Basis einer zuvor entwickelten Methode zur experimentellen Charakterisierung von Strahlungsfeldern beliebiger CT‑Scanner (CT‑Quelle), wurde nun eine anpassbare‑CT‑Quelle in die MC‑Software EGSnrc integriert und experimentell validiert.

Aus Erhebungen des Bundesamtes für Strahlenschutz (2014) ergibt sich, dass etwa 65 % der künstlichen Strahlenbelastung der Bevölkerung durch die medizinische Bildgebung mittels Computertomographie (CT) bewirkt wird. CT verursacht somit den größten Teil der künstlichen Strahlenexposition innerhalb Deutschlands insgesamt. Eine genaue Erfassung der durch die CT‑Strahlung auf den Menschen übertragenen Strahlendosis (CT‑Dosimetrie) ist daher unerlässlich. Die personalisierte CT‑Dosimetrie hat zum Ziel, die durch das Strahlungsfeld des CT‑Scanners auf den Patienten übertragene Strahlendosis für jeden Patienten individuell zu erfassen.

Hochpräzise Monte‑Carlo (MC)‑Computer‑Simulationen sind für neue Entwicklungen in der personalisierten CT‑Dosimetrie von größter Bedeutung. Sie werden zum Beispiel verwendet, um synthetische Trainingsdaten für neuronale Netze zur schnellen Dosisberechnung zu erzeugen. Eine detaillierte Modellierung beliebiger CT‑Scanner ist für die hierfür benötigten MC‑Computer‑Simulationen unerlässlich. Allerdings ergeben sich hierbei besondere Herausforderung, da detaillierte Beschreibungen der in den CT‑Scannern verwendeten Komponenten (zum Beispiel des Formfilters), oft unbekannt und damit schwer im Computer zu modellieren sind.

Auf Basis einer zuvor entwickelten Methode zur experimentellen Charakterisierung von Strahlungsfeldern beliebiger CT‑Scanner (CT‑Quelle), wurde nun eine anpassbare MCCT‑Quelle in die MC‑Software EGSnrc integriert. Diese ermöglicht scanner‑spezifische Berechnungen der effektiven Dosis auf der Grundlage von Patienten- oder Phantomdaten. Zur Validierung des Verfahrens, wurde eine solche MCCT‑Quelle auf einen CT‑Scanner des Typs Optima CT 660 (GE Healthcare, US) angepasst. Anschließend wurde eine Reihe von Messungen am CT‑Scanner durchgeführt. Mit der angepassten MCCT‑Quelle wurden diese Messungen nachgebildet und anschließend die Messergebnisse mit den berechneten Daten verglichen.

In Abbildung 1 ist die gemessene und simulierte Schwächung des Strahlungsfeldes durch den Formfilter, in Abhängigkeit des Winkels zur Strahlachse, dargestellt. Zur Evaluierung des Photonenspektrums des Strahlungsfeldes wurde zudem eine Aluminium‑Schwächungskurve bestimmt (siehe Abbildung 2). Beide Abbildungen zeigen, dass die angepasste MCCT‑Quelle die Messungen am realen CT mit Abweichungen von wenigen Prozent wiedergibt. Zusätzlich wurden dosimetrische Messungen und Simulationen innerhalb eines CTDI‑Phantoms durchgeführt und verglichen.

Diagramm Schwächung Strahlungsfeld
Abbildung 1: Gemessene und simulierte
Schwächung des Strahlungsfeldes durch den Formfilters, in Abhängigkeit des Winkels zur Strahlachse.
Diagramm Aluminium-Schwächungskurve
Abbildung 2: Vergleich der simulierten und gemessenen Aluminium-Schwächungskurve.

Die Abweichungen zwischen den gemessenen und den durch das MC‑Verfahren berechneten Werten liegen für alle Untersuchungen unter 8 %.

Somit ermöglicht das entwickelte Verfahren CT‑Dosisberechnungen auf der Grundlage eines maßgeschneiderten MC‑Modells, das an jeden CT‑Scanner sowie an patientenspezifische Informationen angepasst werden kann.

Diese Methode eignet sich damit für die automatische Generierung synthetischer Daten. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung des Trainings neuronaler Netze für schnelle Dosisberechnungen.

Ansprechpartnerin

Opens local program for sending emailMarie-Luise Kuhlmann, Fachbereich 6.2, Arbeitsgruppe 6.25

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