German Title: Entwicklung und Validierung eines Verfahrens zur Streukorrektur von kV Cone Beam Computer Tomographie

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Abstract

Die bisherige Verifikationskette in der Strahlentherapie wird in modernen Einrichtungen seit ein paar Jahren erweitert mit einem kV- (kilo voltage) Kegelstrahl-CT. Mit diesem bildgebenden System kann die Lage der Organe an dem jeweiligen Behandlungstag direkt vor der Bestrahlung oder mittels Fluoroskopie während der Bestrahlung dargestellt bzw. verfolgt werden. Problematisch bei diesem volumetrischen Kegelstrahlsystem ist der enorme Streuanteil der registrierten Strahlung. Die Streuung führt zu Cup- und Streak-Artefakten, zu quantitativen Ungenauigkeiten in den CT-Zahlen (ungenaue CT-Zahlen können zu einer fehlerhaften Dosisberechnung führen) und einer deutlich schlechteren Bildqualität (Kontrast). Im Rahmen dieser Arbeit wurden Monte Carlo Berechnungen mit GEANT4 durchgeführt. Diese Simulationen untersuchen systematisch ein klinisches Kegelstrahlsystem und tragen zur Systemoptimierung bei. Weiterhin wurde ein schnelles iteratives Streukorrekturverfahren erfolgreich implementiert, mit einer einfachen und schnellen Strahlaufhärtungskorrektur ergänzt und durch Phantomstudien validiert. Das Verfahren basiert auf einer Superposition von mittels Monte Carlo Methoden vorausberechneten pencil beam Streukernen. Das hierzu benötigte Antwortsignal des Flächendetektors auf einfallende Streustrahlung wurde mit monochromatischer Röntgenstrahlung am Hamburger Synchrotronlabor gemessen. Erkenntnisse dieser Messungen können zu einer Systemoptimierung genutzt werden. Das hochkonvergente Streukorrekturverfahren reduziert Cup-Artefakte von 20 % auf 3 % und stellt dem Anwender nach nur 1.3 Sekunden ein kontrastreiches Bild ohne Dosiserhöhung zur Verfügung.

Translation of abstract (English)

For image guided radiation therapy, modern linear accelerators include a kilo voltage X-ray tube and a flat panel imager to acquire cone beam CT data. One potential problem of this volumetric imaging system is the enormous amount of scatter which causes undesirable streak- and cup-artifacts and results in a quantitative inaccuracy of reconstructed CT numbers, so that an accurate dose calculation might be impossible. Image contrast is also significantly reduced. In the present thesis Monte Carlo calculations with GEANT4 were performed. These simulations investigate systematically the scatter contribution of a clinical cone beam system. Furthermore, a fast iterative scatter correction algorithm was successfully implemented, supplemented with a first order approach of a fast beam hardening correction and validated with phantom studies. This scatter correction method is based on a superposition of pre-calculated Monte Carlo generated pencil beam scatter kernels. The response of the flat panel detector was measured with monochromatic X-rays at the synchrotron facility in Hamburg. Findings of these measurements are beneficial for system optimization. The highly convergent scatter correction model reduces cup-artifacts from 20 % to 3 % and provides contrast enhanced images within 1.3 seconds without further increase of dose.