2021 International Conference on Medical Imaging Physics and Engineering and the 10th National Annual Meeting of Medical Imaging Physics (ICMIPE 2021)

94 / 2021-10-25 22:30:08

用于锥束CT散射校正的快速蒙特卡罗工具

蒙特卡罗;锥束CT;散射校正;放射治疗

目的：锥束CT（Cone-beam, CBCT）在放射治疗中发挥着越来越重要的作用^{[1, 2]}，但其图像质量会因散射光子的影响而降低。基于蒙特卡罗模拟的校正方法能够有效地提高图像质量^{[3, 4]}。本研究基于Archer快速蒙卡剂量计算引擎^{[5, 6]}，开发了一种用于CBCT散射校正的工具，能够模拟成像过程并校正散射光子。

方法：首先，在Archer中根据厂商提供的资料建立了Varian Trilogy机器的机载CBCT系统的模型，包括源、初级滤波器、bowtie滤波器和探测器等，其中使用的源能量为120kVp，靶光束角为14°，源轴距为100 cm，源到探测器距离为150 cm。然后，在Archer中使用GPU加速的蒙特卡罗算法，模拟CBCT照射水箱的成像过程，得到由初级光子和散射光子组成的原始模拟投影。在相同的模型中，可以通过去除康普顿散射和瑞利散射中的散射光子，得到校正后的投影。最后，将原始模拟投影与武汉协和医院的Trilogy机载CBCT实际投影结果进行对比。水箱尺寸20 cm×10 cm×20 cm，体素大小为0.652 mm×0.652 mm×1.50 mm，投影方向为90°。

结果：原始模拟投影和测量投影的主要区域之间的平均相对误差、结构相似度(Structural Similarity, SSIM)和峰值信噪比(Peak Signal to Noise Ratio, PSNR)分别为4.66%、0.83和24.33。

结论：基于Archer快速蒙卡剂量计算引擎的CBCT散射校正工具可以快速准确地完成成像过程的模拟，和实际投影之间的差距较小。然而，还需要进一步的工作，如散射校正后的投影进行图像重建等。



关键词：蒙特卡罗;锥束CT;散射校正;放射治疗



参考文献

1.            Letourneau, D., et al., Cone-beam-CT guided radiation therapy: technical implementation. Radiotherapy and Oncology, 2005. 75(3): p. 279-286.

2.            Wei, W., N.I.E. Shengdong, and W.U. Guohua, Application of cone-beam CT technology in radiation therapy. Chinese Journal of Medical Imaging Technology, 2011. 27(5): p. 1074-1077.

3.            Jarry, G., et al., Characterization of scattered radiation in kV CBCT images using Monte Carlo simulations. Medical Physics, 2006. 33(11): p. 4320-4329.

4.            Boone, J.M. and J.A. Seibert, Monte Carlo simulation of the scattered radiation distribution in diagnostic radiology. Medical Physics, 1988. 15(5): p. 713-720.

5.            Su, L., et al., ARCHER(RT) - A GPU-based and photon-electron coupled Monte Carlo dose computing engine for radiation therapy: Software development and application to helical tomotherapy. Medical Physics, 2014. 41(7).

6.            Xu, X.G., et al., ARCHER, a new Monte Carlo software tool for emerging heterogeneous computing environments. Annals of Nuclear Energy, 2015. 82: p. 2-9.