Amorphous silicon detector panel damage: correlating physical parameters to clinical usability

• Author(s): Moura, Filipe Martins Garcia de
• Date: 2008
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/1277
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Biofísica; Teses de mestrado
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Almeida, Pedro Miguel Dinis de, 1968-; Rietveld, Paul J. M.
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado em Biofísica (Física Médica e Engenharia Biomédica), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2008

Electronic Portal Imaging Devices (EPIDs) currently used in radiation therapy always suffer from high energy particles, which induce a significant reduction in image quality by increasing the system noise, and decreasing the sensitivity of the active pixel matrix. The performance of these devices needs periodical tests to check the reliability of the imaging system, and the acquired clinical data. The method should be able to quantify the variation of specific EPID physical parameters in-Time, and its correlation between the damage and the clinical usability. The standard gold Quality Assurance (QA) procedures for testing EPID response, consists on the evaluation of commercial phantoms, e.g. QC-3V phantom (QC3) which can provide image physical parameters for noise, contrast and spatial resolution based on small EPID areas, typically 1cm2. For this study we tested four Elekta iViewGT amorphous silicon EPIDs(a-Si EPIDs) with operational ages between 1 and 33 months. New approaches were introduced as alternatives for the gold standard on megavoltage image quality control, by looking for lifeline tendencies and investigate the QC3 under non-standard conditions. The subjective quality evaluation of clinical portal images was performed by a questionnaire to the expertise of five clinical users. The images were taken for thorax and pelvic locations on the same lifetime moment to achieve better correlations in time. The relative modulation transfer function that measures the spatial resolution was found to be more dependent on the blurring effects due to the linear accelerator (Linac) finite focal spot size, beam quality and image magnification. The contrast-to-noise ratio (CNR) was found to decrease in time probably due to the damage effects in the amorphous silicon structure that may decrease the dynamic range and thus the sensitivity of the pixels. Moreover, the CNR is highly dependent on the dose per frame and frames per image, which can vary significantly between Linacs. The new approaches had demonstrated high correlations in time, for the subpanel image noise by the signal-to-noise ratio calculation (SINSNR) and the non average pixels (NAPs) response. For both methods were applied different thicknesses of copper attenuation, and different number of frames per image. The homebuilt MATLAB algorithms provided fast and accurate image correction tools and quantify physical parameters that could be found with higher correlation in time (R2 > 0.8). As the subjective evaluation for image artefacts in pelvic location was found to be higher correlated in respect to time tendency (R2 > 0.8), the positive appreciation have been decrease about 80%, where the SINSNR parameter was found to be below 40 and NAPs percentage of ~2.5% on a 500 x 500 pixel matrix. By setting up these new parameters in a straight relation with the clinical usability for large matrix areas (>500 x 500 pixels), we should be able to chase the lifeline and predict the end-of-life for each a-Si EPID of the same type.

Os painéis electrónicos de imagem portal (electronic portal imaging devices-EPIDs) actualmente utilizados em radioterapia sofrem danos constantes por partículas de alta energia, que induzem uma redução significativa da qualidade da imagem ao aumentarem o ruído do sistema o que diminui a sensibilidade da matriz de pixels activos. O desempenho dos painéis necessita de testes periódicos para verificação da fiabilidade do sistema de imagem e dos dados clínicos adquiridos. O método deve permitir quantificar a variação dos parâmetros físicos do EPID no tempo e a sua correlação entre o desgaste e a sua utilidade clínica. O procedimento padrão de controlo de qualidade (CQ) para testar a resposta dos EPIDs consiste na avaliação de fantomas comerciais, p.e. o fantoma QC-3V (QC3), que proporciona parâmetros físicos para o ruído, contraste e resolução espacial das imagens, com base em pequenas áreas do EPID, normalmente de 1 cm2. Neste estudo testaram-se quatro EPIDs de silício amorfo (a- Si EPIDs) Elekta iViewGT com tempos de utilização entre 1 e 33 meses. Novas abordagens foram introduzidas como alternativa ao procedimento padrão de CQ de imagens de megavoltagem, pela observação do tempo de vida e investigação do QC3 em condições não-padrão. A avaliação subjectiva da qualidade de imagens portais clínicas foi estudada através de um questionário aplicado a cinco utilizadores. As imagens de tórax e pélvis foram obtidas no mesmo tempo de vida de forma a adquirir uma melhor correlação no tempo. A função de transferência de modulação relativa que mede a resolução espacial, demonstrou ser mais dependente dos efeitos de esbatimento devido à dimensão finita do ponto focal do acelerador linear (Linac) da qualidade do feixe e magnificação da imagem. A razão contraste ruído (RCR) demonstrou uma diminuição ao longo do tempo provavelmente devido aos danos produzidos pela radiação na estrutura de silício amorfo que pode diminuir o alcance dinâmico e por conseguinte a sensibilidade dos pixels. Além disso, o RCR é altamente dependente da dose por frame e frames da imagem que pode variar significativamente entre Linacs. As novas abordagens têm demonstrado levadas correlações ao longo do tempo, para a resposta do Subpanel Image Noise através do cálculo da razão sinal ruido (SINSNR) e do Non-Average Pixels (NAPs) response. Para ambos os métodos foi aplicado atenuação de cobre (Cu) de várias espessuras e número de frames por imagem variado. Os algoritmos do MATLAB desenvolvidos proporcionaram uma ferramenta de correcção rápida e precisa das imagens, permitindo quantificar os novos parâmetros físicos com elevada correlação no tempo (R2 > 0.8). Tendo em conta que a avaliação subjectiva dos artefactos de imagem na pélvis demonstrou um elevada correlação no tempo (R2 > 0.8), a avaliação positiva das imagens diminui em cerca de 80%, onde o parâmetro SINSNR se encontrou abaixo de 40 e percentagem de NAPs ~2.5 % numa matriz de 500 x 500 pixels. Através da aplicação de novos parâmetros, em estreita relação com a utilidade clínica em maiores áreas de matriz (> 500 x 500), deveremos estar aptos para acompanhar a linha da vida e prever o final de vida de cada a-Si EPID do mesmo tipo.