Dual-Energy Computed Tomography in Radiation Treatment Planning
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2019-01-28
Department
Major/Subject
Biomedical Engineering
Mcode
SCI3059
Degree programme
Master’s Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
61 + 2
Series
Abstract
Radiation therapy is one of the cornerstones of the cancer treatment in the developed world. The computed tomography~(CT) images have for decades been used for planning the treatment. Recently, dual-energy computed tomography~(DECT) has emerged in the clinical setting as an alternative for the treatment planning, promising to significantly reduce the plan uncertainties, which would lead to a diminished risk of treatment-related complications. In this thesis, the theory behind photon and light-ion radiotherapy, single- and dual-energy computed tomography, and the current approaches to the treatment planning are discussed. The existing single- and dual-energy methods are reviewed and revised, where needed, and novel DECT-based methods are devised. The novel methods include the incorporation of two-dimensional piecewise linear interpolation and neural networks, and they are shown to perform comparably or better than the existing approaches. The comparison is done by applying the different methods to phantom CT images scanned using modern clinical CT instrumentation. The results indicate that there is potential for significant improvements in the treatment planning, if the single-energy CT is switched to DECT. Additionally, the results provide an insight into the material-wise accuracy improvements achievable with DECT.Sädehoitoterapia on yksi syöpähoidon kulmakivistä, ja hoidonsuunnittelua on tehty vuosikymmenten ajan tietokonetomografian~(TT) avulla. Kaksoisenergiatietokonetomografia on viime vuosina yleistynyt kliinisessä käytössä lupaavana vaihtoehtona perinteiselle TT:lle, ja sen luvataan mahdollistavan merkittävästi tarkempi hoidonsuunnittelu, johtaen pienentyneeseen hoidonjälkeisten komplikaatioiden riskiin. Tässä diplomityössä käsitellään sädehoidon ja tietokonetomografian teoriaa, ja esitellään tämänhetkiset hoidonsuunnittelun standarimenetelmät. Olemassa olevat yksöis- ja kaksoisenergiamenetelmät käydään läpi, ja niitä uudistetaan tarpeen mukaan. Lisäksi työssä kehitetään uusia kaksoisenergia-TT:hen pohjaavia menetelmiä, jotka soveltavat muun muassa neuroverkkoja ja kaksiuloitteista interpolointia. Uusia menetelmiä verrataan jo olemassa oleviin soveltamalla niitä kliinisessä ympäristössä kuvattuihin fantomeihin. Tulokset osoittavat kaksoisenergiamenetelmien tuottavan olosuhteista riippuen vähintään yhtä tarkkoja tuloksia kuin perinteiset menetelmät, ja parhaimmillaan kudosnäytekohtainen keskimääräinen virhe on jopa kolme kertaa pienempi. Koottujen tulosten pohjalta kaksienergiatietokonetomografian voidaan todeta merkittävästi parantavan hoidonsuunnittelun tarkkuutta. Lisäksi tulosten pohjalta voidaan päätellä erinäisten tarkkuuteen vaikuttavien tekijöiden, kuten säteen kohtaamien kudostyyppien, hoidonsuunnittelullista merkitystä.Description
Supervisor
Parkkonen, LauriThesis advisor
Koponen, TimoKeywords
radiotherapy, dual-energy computed tomography, treatment planning, computed tomography