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Abstract

One of the major uncertainties in ion beam therapy planning is the calculation of ion ranges in the patient’s tissue from CT images. The presence of non-tissue-equivalent mate- rials and materials with high photon attenuation like metals may aggravate this problem. Dual Energy Computed Tomography (DECT) allows to compute the electron density and effective atomic number. It could already be shown that this additional material information enables a more precise calculation of ion ranges. This thesis investigates the feasibility of the DECT approach for a range of metals from aluminum (Z = 13) up to tungsten (Z = 74). DECT scans of the samples reconstructed with a 16 bit CT scale and raw data based beam hardening correction were analyzed. The electron density and effective atomic number of aluminum and titanium (Z = 22) could be determined within the range of a few percent. These quantities could not be determined for samples with Z ≥ 22, but the samples were distinguishable from each other by their different CT numbers up to molybdenum (Z = 42). The precision of the determined ion ranges could be improved for aluminum from -11.46% to 4.88% and for titanium from -36.4% to 2.75% compared to ion range estimations from 120 kV CT. The size of nearly all metal samples could be assessed from the images with precision in the range of the voxel size of 0.6 mm. Streaking artifacts around the samples were minor for aluminum and titanium. For materials with Z ≥ 26, severe artifacts could be observed. The samples were investigated with Mega Voltage Computed Tomography to compare DECT with this rivaling method. It was found that MVCT yielded superior results in case of materials with Z ≥ 26. However, DECT offers in clinical routine the advantage of faster scanning times and greater technical maturity of the scanner. Discriminant analysis was tested as an alternative way to obtain ion ranges from Dual Energy CT images without physical model. Only small mean absolute deviations from reference ion ranges were observed for an animal sample.

Translation of abstract (German)

Eine der größten Unsicherheiten in der Behandlungsplanung der Ionenstrahltherapie ist die Reichweitenvorhersage anhand von CT-Bildern. Nichtgewebeäquivalente Materialien und Materialien mit hoher Photonenabschwächung wie etwa Metalle können dieses Problem noch verstärken. Die Zwei-Spektren-Computertomographie (DECT) erlaubt die Berechnung der Elek- tronendichte und effektiven Ladungszahl. Es konnte bereits in Untersuchungen gezeigt werden, dass diese zusätzliche Gewebeinformation eine genauere Reichweitenbestimmung ermöglicht. Diese Arbeit untersucht die Anwendbarkeit des DECT Ansatzes für eine Reihe von Metallen von Aluminium (Z = 13) bis Wolfram (Z = 74). Auf einer 16 bit CT-Skala rekonstruierte DECT-Scans der Proben mit zusätzlicher rohdatenbasierter Strahlaufhär- tungskorrektur wurden hierzu analysiert. Die Elektronendichte und effektive Ladungszahl konnte für Aluminium und Titan (Z = 22) mit Abweichungen im Prozentbereich bestimmt werden. Für Messproben mit Z ≥ 22 konnten diese Größen nicht präzise bestimmt werden. Bis zu Molybdän (Z = 42) waren allerdings alle Proben anhand ihrer unterschiedlichen CT-Zahlen unterscheidbar. Die Genauigkeit der Ionenreichweitebestimmung konnte mit DECT gegenüber 120 kV CT für Aluminium von -11.46% auf 4.88% und für Titan von -36.4% auf 2.75% verbessert werden. Der Durchmesser fast aller Messproben konnte aus den DECT Bildern bis auf die Voxelgröße von 0.6 mm genau bestimmt werden. Streifenar- tefakte waren um die Aluminium- und Titanprobe schwach ausgeprägt. Starke Artefakte wurden um Materialien mit Z ≥ 26 beobachtet. Die Proben wurden außerdem mit Megavolt-Computertomographie (MVCT) untersucht, um DECT mit dieser konkurrierenden Methode zu vergleichen. Bei Materialien mit Z ≥ 26 wurden mit MVCT bessere Resultate als mit DECT erzielt. Für klinische Routineanwen- dungen hat DECT allerdings den Vorteil schnellerer Scangeschwindigkeit und größerer technischer Ausgereiftheit des Scanners. Als alternative Möglichkeit zur Reichweitenbestimmung ohne physikalisches Modell wur- de Diskriminanzanalyse betrachtet. Bei einer tierischen Gewebeprobe wurden im Mittel nur geringe absolute Abweichungen von Referenz-Ionenreichweiten festgestellt.