MRI evaluation and image processing in gel dosimetry. A study of selected MRI properties and image processing in 3D gel dosimetry.

Abstract

Gel dosimetry is a new dosimetry method applied in radiation therapy. Gel dosimeters consist of a radiation sensitive gel, which can integrate absorbed doses from several radiation sources or beams. The dose to the gel can be evaluated by magnetic resonance imaging (MRI), a procedure that is the focus of the present thesis.



A robust tool for the evaluation of the nonuniformity in MRI has been developed, the Deviation Image method. Unlike previously presented methods, the Deviation Image method includes all nonuniformity variations across a phantom surface and is insensitive to stochastic noise. Methods for the estimation of stochastic noise were analyzed in terms of sensitivity to nonuniformities. A method that averages the stochastic noise level over five regions over the phantom surface, and a method that assesses the stochastic noise level from the background, were found to be the methods of choice.



Pronounced MR image nonuniformity variation with repetition and T1 relaxation time was observed in the spin-echo T1 measurement protocol. These variations were caused by nonuniform RF transmission in combination with the inherent differences in the allowance of T1 relaxation for different repetition times. Neither the T1 calculation itself, the uniformity optimized repetition times, nor the correction methods could sufficiently correct for these nonuniformities. The nonuniformities were found to vary considerably less with inversion time for the inversion-recovery pulse sequence, resulting in a T1 image with considerably lower nonuniformity.



A multi-spin-echo pulse sequence using the 3D volume acquisition technique was developed that was capable of evaluating polyacrylamide gel dosimeters with an equal resolution of 1 mm in all three spatial dimensions. Expected advantages for the 3D technique in favor of the 2D techniques, could not be achieved in the actual measurements. Further development and studies of the 3D technique are therefore required, prior to its application to polyacrylamide gel dosimetry.



An image processing computer software was developed, intended to integrate the image processing for the three-dimensional gel dosimetry treatment plan verification. The resulting PMRelax image processing software was found to be capable of performing the necessary image processing tasks. The image processing tasks were further associated with a graphical user interface in order to support routine gel dosimetry use.



Two image-processing methods for spatial registering and relocation of absorbed dose distributions in two and three dimensions were studied. One method used inherent absorbed dose information as references and the other external references. Using the absorbed dose reference method, uncertainties associated with the spatial registering and relocation method were found difficult to predict, which warranted a need for external reference. Using fiducial markers, an accurate spatial registering and relocation in three dimensions was performed. Influence from spatial registering and relocation uncertainties could thereby be reduced as a source of error for the absorbed dose distributions obtained with gel dosimeters and treatment planning systems.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Inom sjukvården används strålning för att behandla cancer. Vid strålbehandling är det viktigt att man i förväg vet precis hur strålningen ska ges till patienten för att resultatet av behandlingen skall bli bra. Ett hjälpmedel som används för detta är ett datorprogram (dosplaneringssystem) som, med utgångspunkt från patientens anatomi, beräknar hur varje enskild patient bör behandlas. Det man vill uppnå är att så stor andel som möjligt av stråldosen skall ges till tumören och så liten andel som möjligt till frisk vävnad. Det är viktigt att man kan kontrollera att dosplaneringssystemen räknar rätt. För det ändamålet kan man använda speciella kontrollsystem. Sådana kontrollsystem (strålningsdetektorer/dosimetrar) har det gemensamt att de mäter stråldosen (dosfördelningen). En ny metod som har goda förutsättningar att kunna kontrollera även mycket komplexa dosfördelningar är geldosimetern. En geldosimeter består av en behållare som innehåller en strålningskänslig gel. En fördel är att denna teknik mäter den totala dosfördelningen i en hel volym samtidigt. När strålning absorberas i gelen ändras dess magnetiska egenskaper vilket kan registreras genom att man tar en bild av gelen med magnetisk resonanstomografi (MRI). I denna avhandling har MRI-utläsningstekniken för geldosimetrar studerats. I studierna framgår att en rad egenskaper i MRI-utvärderingen kan påverka mätresultaten negativt. De två mest kritiska egenskaperna är att MRI-systemet kan ge bilder med kraftiga intensitetsvariationer över bildplanet (bildplansinhomogenitet), samt ge bilder behäftade med brus.



I avhandlingen har också en robust bildanalysmetod för att erhålla mått på bildplansinhomogenitet tagits fram. Metoden inkluderar alla intensitetsvariationer över bildplanet och är okänslig för bruset i bilden.



Två typer av geldosimetrar studerades i avhandlingen. För den ena typen av geldosimeter sker förändringen av gelens magnetiska egenskaper till följd av oxidation av järnjoner. Kraftiga bildplansinhomogeniteter kunde observeras för denna typ av geldosimeter när den lästes ut med ett frekvent använt MRI-insamlingsprotokoll. Dessa inhomogeniteter kunde inte tillräckligt reduceras med enklare bildbehandlingsmetoder. De kraftiga bildplansinhomogeniteterna kunde undvikas om ett annat insamlingsprotokoll användes för denna typ av geldosimeter.



För den andra typen av geldosimeter sker förändringen av gelens magnetiska egenskaper till följd av polymerisation. För denna typ av geldosimeter utvecklades ett MRI-insamlingsprotokoll (3D-insamling) som kunde läsa ut geldosimeterns dosfördelning med den höga upplösningen 1 mm i rummets alla tre dimensioner. Denna insamlingsteknik har normalt sett även andra fördelar, som t.ex. reducering av brus, men de kunde inte förverkligas i dessa försök. Det krävs därför vidare utveckling och analys av detta insamlingsprotokoll.



Jämförelser mellan bilder med dosfördelningar, beräknade med dosplaneringssystem och mätta med geldosimeter, kräver bildbehandling. Ett bildbehandlingsprogram, avsett att inkludera de bildbehandlingsfunktioner som krävs för sådana jämförelser i tre dimensioner utvecklades (PMRelax), och visade sig kunna utföra den erforderliga bildbehandlingen. Programmet utrustades också med ett grafiskt användargränssnitt för att understödja rutinmässig användning inom geldosimetri.



Utvecklingen av ett 3D MRI-insamlingsprotokoll och PMRelax möjliggjorde ett första försök till kontroll av ett dosplaneringssystem, med en upplösning av 1 mm i rummets alla tre dimensioner både för geldosimeterdata och dosplaneringsdata. En metod som använder externa markörer för att få geldosimeterbilder och dosplaneringsbilder att stämma överens (matchning), gav en god överensstämmelse i tre dimensioner mellan motsvarande positioner i respektive bildvolym. Genom att använda denna metod kan osäkerheter, orsakade av matchningen själv, reduceras i jämförelser mellan dosfördelningar beräknade med dosplaneringssystem och mätta med geldosimetrar.



Sammanfattningsvis så har dessa studier tillsammans medfört att geldosimetri har förbättrats och förts ytterligare ett steg närmre klinisk användning.

• author: Magnusson, Peter
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Associate professor Anders Ericsson, Anders Ericsson, Uppsala
• organization: Medical Radiation Physics, Malmö (research group)
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: Klinisk fysiologi, medical instrumentation, tomography, radiology, Clinical physics, image registering, multi-slice, slice profile, ferrous sulphate, polyacrylamide, 3D volume acquisition, RF field, B1 field, relaxation time, T1, T2, spin-echo, multi-spin-echo, stochastic noise, nonuniformity, SNR, radiologi, tomografi, medicinsk instrumentering, Radiopharmaceutical technology, Radiofarmaceutisk teknik, Physics, Fysik
• pages: 56 pages
• defense location: Lilla Aulan, medicinskt forskningscentrum, Ingång 59, Universitetssjukhuset MAS, Malmö
• defense date: 2001-03-02 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUNDFD6/NFRF - - 01/1015 - - SE; other:ISRN: LUMEDW/MEMR - - 01/1015 - - SE
• ISBN: 91-7874-116-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a9ce119f-908a-4b91-86ad-b25f6f067cc2 (old id 41297)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:12:14
• date last changed: 2018-11-21 20:57:24