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Ein 3D-gedrucktes modulares Phantom zur Qualitätssicherung von bildgeführten Bestrahlungsgeräten für Kleintiere: Design, Bildgebungsexperimente und Monte-Carlo-Simulationen.

1. Mai 2019

ZIEL:
Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Erprobung eines zylindrischen gewebeäquivalenten Qualitätssicherungsphantoms (QS) für bildgesteuerte Kleintierbestrahlungsgeräte für die Mikrocomputertomographie (microCT), das aufgrund seiner mausähnlichen Abmessungen und Zusammensetzung die Mängel bestehender Phantome überwindet.

METHODEN:
Das 8.6 cm lange Phantom mit einem Durchmesser von 2.4 cm wurde dreidimensional (3D) aus Somos NeXt-Kunststoff auf einem Stereolithographiedrucker (SLA) gedruckt. Das modulare Phantom bestand aus vier Abschnitten: (a) Abschnitt zur CT-Zahlenauswertung, (b) Ortsauflösung mit schräger Kante (zur Beurteilung der Längsauflösung) und Zielabschnitt, (c) Ortsauflösung mit Lochmuster (zur Beurteilung der Radialauflösung). Abschnitt „Richtung“ und (d) Abschnitt „Gleichmäßigkeit und Geometrie“. Für die automatisierte Analyse von Mikro-CT-Bildern wurde eine Python-basierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) entwickelt, die die Konsistenz der CT-Zahl, die longitudinale und radiale Modulationsübertragungsfunktion (MTF), die Bildgleichmäßigkeit, das Rauschen und die geometrische Genauigkeit bewertete. Das Phantom wurde im Bildisozentrum platziert und mit der Small Animal Radiation Research Platform (SARRP) in der Pfannkuchengeometrie (Längsachse des Phantoms senkrecht zur Rotationsachse) mit verschiedenen Bildgebungsprotokollen gescannt. Die Röhrenspannung wurde auf 60 und 70 kV eingestellt, der Röhrenstrom wurde auf 0.5 und 1.2 mA eingestellt, die Voxelgröße wurde auf 200 und 275 μm eingestellt, es wurden Bildgebungszeiten von 1, 2 und 4 Minuten und Bildraten von 6 und 12 verwendet Es wurden Bilder pro Sekunde (fps) verwendet. Das Phantom wurde auch in der Standardausrichtung (Längsachse des Phantoms parallel zur Rotationsachse) gescannt. Die Qualität der Mikro-CT-Bilder wurde analysiert und mit den Empfehlungen unserer früheren Arbeit verglichen, die aus einer multiinstitutionellen Studie abgeleitet wurde. Zusätzlich wurde ein Zielgenauigkeitstest mit einem im Phantom platzierten Film durchgeführt. Die MicroCT-Bildgebung des Phantoms wurde auch in einer modifizierten Version des EGSnrc/DOSXYZnrc-Codes simuliert. Bilder des Auflösungsabschnitts mit dem Lochmuster wurden experimentell aufgenommen und sowohl in der Pancake- als auch in der Standard-Bildgebungsgeometrie simuliert. Die radiale räumliche Auflösung der experimentellen und simulierten Bilder wurde ausgewertet und mit experimentellen Daten verglichen.

ERGEBNISSE:
Für die zentrierten Phantombilder, die in der Pancake-Geometrie aufgenommen wurden, erfüllten alle Bildgebungsprotokolle das räumliche Auflösungskriterium in radialer Richtung (>1.5 lp/mm bei 0.2 MTF), das geometrische Genauigkeitskriterium (<200 μm) und das Rauschkriterium (< 55 HU). Nur das Bildgebungsprotokoll mit einer Voxelgröße von 200 μm erfüllte das Kriterium für die räumliche Auflösung in Längsrichtung (>1.5 lp/mm bei 0.2 MTF). Der 70-kV-Röhrenspannungsdatensatz hat den Knochen-CT-Zahlenkonsistenztest nicht bestanden (<55 HU). Aufgrund von Schröpfartefakten bestand keines der Bildgebungsprotokolle den Einheitlichkeitstest von <55 HU. Als das Phantom in der Standard-Bildgebungsgeometrie gescannt wurde, waren die Bildgleichmäßigkeit und die longitudinale MTF zufriedenstellend; Die Konsistenz der CT-Zahlen lag jedoch unter dem empfohlenen Grenzwert. Es wurde eine Zielgenauigkeit von 282 und 251 μm entlang der x- und z-Richtung beobachtet. Monte-Carlo-Simulationen bestätigten, dass die radiale räumliche Auflösung für Bilder, die in der Pancake-Geometrie erfasst wurden, höher war als die in der Standardgeometrie erfasste. SCHLUSSFOLGERUNGEN: Das neue 3D-gedruckte Phantom stellt ein nützliches Werkzeug für die MikroCT-Bildanalyse dar, da es einer Maus sehr nahe kommt. Um mausgroße Tiere mit akzeptabler Bildqualität abzubilden, sollte das Standardprotokoll mit einer Voxelgröße von 200 μm gewählt werden und Schröpfartefakte müssen behoben werden. Breitkreutz DY, Bialek S, Vojnovic B, Kavanagh A, Johnstone CD, Rovner Z, Tsouchlos P, Kanesalingam T, Bazalova-Carter M. Papier herunterladen

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