Image segmentation and voxelization techniques for dose assessment in X-ray diagnostic procedures

Abstract

Ao longo dos últimos 50 anos, devido aos riscos de exposição à radiação e, consequentemente, à impraticabilidade da expor pacientes a radiação para medidas dosimétricas, foram introduzidos fantomas computacionais para avaliar a dose de radiação. Os fantomas computacionais de voxel modelam a anatomia humana e são utilizados no campo da proteção contra a radiação, da imagem médica e radioterapia uma vez que permitem a avaliação da doses nos órgãos com elevado grau de precisão. Embora se tenha vindo a constatar um recente aumento no número de fantomas computacionais disponíveis, o objectivo máximo da dosimetria da radiação, passa por obter um modelo computacional para cada paciente envolvido em processos de radiação. Partindo deste princípio, o objetivo deste estudo é tentar melhor a implementação um fantoma de voxel computacional a partir de imagens médicas de um fantoma físico para avaliar, de forma precisa, a dose depositada nos órgãos devido à utilização de raios-X para diagnóstico médico. \parFoi utilizado um scanner de tomografia computadorizada (TC) Siemens SOMATOM Definition 64, em operação no Hospital Pediátrico do Centro Hospitalar da Universidade de Coimbra, para adquirir imagens de TC ao tórax de um fantoma antropomórfico, o Kyoto PBU-60. Diferentes técnicas de segmentação, como métodos de \textit{thersholding} e algoritmos de \textit{region growing}, foram aplicadas às imagens médicas adquiridas, com o objectivo de extrair os diferentes órgãos radiossensíveis. Para definir o fantoma de voxel, os números de TC de cada órgão foram convertidos em valores de densidade através do uso de uma curva de calibração. Os valores de densidade dos órgãos do fantoma foram comparados com valores de referência estabelecidos pela ICRP, revelando uma comparação bem sucedida em 9 dos 11 órgãos ou tecidos segmentados.A segunda parte deste trabalho consistiu no uso de métodos de Monte Carlo (MC) (código PENELOPE), para desenvolver e validar o modelo de aquisição (equipamento TC e fantoma) de modo a avaliar doses nos órgãos e estudar a otimização da qualidade de imagem para diferentes espessuras de calcificações. Foi obtida diferença relativa de 13.813% entre resultados experimentais e simulados para CTDI100 o que, considerando todas as incertezas envolvidas, permite a aprovação do uso do fantoma voxel para avaliação de dose nos órgãos. Finalmente, de modo a mostrar outra aplicação dos fantomas computacionais, foi realizada uma análise da relação sinal-ruído para diferentes tamanhos de calcificações. Esta análise, demonstrou que 60 keV é o valor de energia de raios-X adequada para espessuras de 0.7 cm.

Over the last 50 years, due to the risks of radiation exposure and, consequently, to the impracticality to expose humans to radiation for dosimetric measurements, computational phantoms have been introduced for radiation dose assessment. Computational voxel phantoms are models of the human anatomy used in the field of radiation protection, medical imaging and radiotherapy that enables evaluation of organ doses with a high degree of precision. Although there was a recent huge increase in the number of computational phantoms available, the gold standard of radiation dosimetry would be to obtain a computational model for each patient involved in radiation processes. Starting from this principle, the aim of this study was to try to improve the implementation of a computational voxel phantom starting by a physical one for precise organs dose assessment in the field of X-ray diagnostic.A Siemens SOMATOM Definition 64 slice CT scanner at operation in the Paediatric Department of Coimbra Hospital and University Centre was used to perform chest CT examinations with an anthropomorphic phantom named Kyoto PBU-60. Segmentation techniques, as thresholding methods and region growing algorithms were applied to the medical images acquired in order to extract radiosensitive organs. To define the voxel phantom, the CT numbers of each organ were converted to density values using a calibration curve. A successful comparison of the densities of the phantom organs against reference values established by ICRP was achieved for 9 out of the 11 organs and tissues segmented. The second part of the work consisted in using Monte Carlo (MC) methods (PENELOPE code), in order to develop and validate an acquisition setup model (phantom and CT equipment) to study organ doses and image quality optimization for different calcifications thickness. A relative difference of 13.813% between experimental and simulated results for CTDI100 was accomplished, which, considering all the uncertainties involved, can be considered satisfactory for using the voxel phantom in organs dose assessment tasks.Finally, in order to show another application of computational phantoms, an analysis of signal-to-difference noise ratio for different calcifications sizes was performed. This analysis revealed an optimal X-ray energy of 60 keV for a 0.7 cm thickness.