巨電圧X線イメージングのための空間的な導光テーパーを用いた量子ノイズ制限型チェレンコフ検出器のモンテカルロシミュレーションを行った

Monte Carlo simulation of a quantum noise limited Čerenkov detector based on air-spaced light guiding taper for megavoltage x-ray imaging.

• A Teymurazyan
• J A Rowlands
• G Pang

抄録

目的:

電子ポータルイメージング装置(EPID)は放射線治療に広く使用されてきたが、キロボルトコーンビームCT(kV-CBT)やMRIシステムを搭載したリニアック加速器(リニアック)では未だに必要とされている。我々の目的は、リニアックの1パルスに対応する線量レベルで量子ノイズを制限した新しい高量子効率(QE)チェレンコフポータルイメージングデバイス(CPID)を開発することである。

PURPOSE: Electronic Portal Imaging Devices (EPIDs) have been widely used in radiation therapy and are still needed on linear accelerators (Linacs) equipped with kilovoltage cone beam CT (kV-CBCT) or MRI systems. Our aim is to develop a new high quantum efficiency (QE) Čerenkov Portal Imaging Device (CPID) that is quantum noise limited at dose levels corresponding to a single Linac pulse.

方法:

最近、放射線治療におけるMV X線イメージングのためのCPIDの新しい概念が導入された。これは、X線検出にチェレンコフ効果を利用したものである。提案された設計は、入射X線に整列した光ファイバのマトリックスで構成され、画像読み出しのためにアクティブマトリックスフラットパネルイメージャー(AMFPI)に結合されている。このような設計の弱点は、入射X線ごとにAMFPIに到達するチェレンコフ光の数が少なすぎることであり、ポータルイメージングアプリケーションのための読み出しノイズを克服するためには、アバランシェゲインを持つAMFPIが必要である。本研究では、CPIDの光ファイバを空気中に浮遊するクラッド層のないライトガイドに置き換えることを提案した。ライトガイドの間の空気は、通常の光ファイバに見られるクラッド層の役割を担う。空気の屈折率は通常のクラッド層の1.38に対して約1と非常に低いため、優れた集光効率が得られます。

METHODS: Recently a new concept of CPID for MV x-ray imaging in radiation therapy was introduced. It relies on Čerenkov effect for x-ray detection. The proposed design consisted of a matrix of optical fibers aligned with the incident x-rays and coupled to an active matrix flat panel imager (AMFPI) for image readout. A weakness of such design is that too few Čerenkov light photons reach the AMFPI for each incident x-ray and an AMFPI with an avalanche gain is required in order to overcome the readout noise for portal imaging application. In this work the authors propose to replace the optical fibers in the CPID with light guides without a cladding layer that are suspended in air. The air between the light guides takes on the role of the cladding layer found in a regular optical fiber. Since air has a significantly lower refractive index (∼ 1 versus 1.38 in a typical cladding layer), a much superior light collection efficiency is achieved.

結果:

新設計の実現性を調べるために、モンテカルロシミュレーションを実施した。量子効率,空間分解能,周波数依存性検出量子効率を評価した。また、検出器信号と量子ノイズを読み出しノイズと比較した。

RESULTS: A Monte Carlo simulation of the new design has been conducted to investigate its feasibility. Detector quantities such as quantum efficiency (QE), spatial resolution (MTF), and frequency dependent detective quantum efficiency (DQE) have been evaluated. The detector signal and the quantum noise have been compared to the readout noise.

結論:

我々の研究では、改良された新しいCPIDは、現在の臨床システムよりも一桁以上のQEとDQEを持ち、現在の低QEフラットパネルベースのEPIDと同等の空間分解能を持つことが示された。さらに、新しいCPIDはAMFPIでのアバランシェゲインを必要とせず、リニアックパルス1回分の線量レベルで量子ノイズが制限されていることが実証された。

CONCLUSIONS: Our studies show that the modified new CPID has a QE and DQE more than an order of magnitude greater than that of current clinical systems and yet a spatial resolution similar to that of current low-QE flat-panel based EPIDs. Furthermore it was demonstrated that the new CPID does not require an avalanche gain in the AMFPI and is quantum noise limited at dose levels corresponding to a single Linac pulse.

© 2014 American Association of Physicists in Medicine.