Optimal collimator design using monte carlo simulation and rsm for breast scintigraphy

Abstract

Sintimamografi; özellikle kalın göğüs dokusu, göğüste form bozukluğu, takma göğüs veşüpheli mamografi vakalarında, fiziksel muayene ve mamografiye ek olarak göğüstümörlerinin tespit edilmesinde ve tanımlanmasında yararlı olabilir. Sintimamografinin enönemli dezavantajı ise küçük lezyonlardaki (<1.5cm) düşük hassasiyeti ve görüntü kalitesidir.Bu çalışmanın amacı, Monte Carlo Simülasyonu ve Tepki Yüzey Metodunu kullanarak birSintimamografi sisteminin kolimatör parametrelerini optimize edip daha iyi görüntü kalitesielde etmektir.Bu amaçla iki yazılım kullanılmıştır: SIMIND, Dr. Michael Ljungberg tarafındangeliştirilen bir Monte Carlo simülasyon programıdır. NCSS ise Tepki Yüzey Metodu (TYM)için kullanılan bir istatistiksel analiz yazılım paketidir. Monte Carlo nükleer tipgörüntülemede yaygın olarak kullanılmaktadır, fakat TYM bu alanda pek fazlakullanılmamıştır. TYM, değişkenler ve sistem çıkışı (ya da tepki) arasındaki bilinmeyenbağıntıları çözmek için deneyler yapılan bilim dallarından çıkmıştır. Düzlemsel gammakamera sistemini simüle etmek ve deneyleri yapmak için SIMIND çalıştırdık. Optimizasyonişlemi için ise NCSS kullanıldı. SNR (Sinyal-gürültü oranı), algılama indeksi olarak seçildi.SIMIND çıkışlarını SNR değeri olarak hesaplayacak bir MATLAB programı yazıldı. Göğüssu dolu bir silindir ve 0.3 cm çaplı küresel bir lezyon olarak modellendi Sonuçlarımıza göre0.02 cm septa ölçüsü için 0.132 cm çap ve 1.449 kolimatör uzunluğu ile optimum tespitedilebilirliğe ulaşılır.Anahtar kelimeler: Sintimamografi, Monte Carlo Simülasyonu, Tepki Yüzey Metodları,Kolimatör Optimizasyonu

Scintimammography can be a useful adjunct to physical examination andmammography for the detection and characterization of breast tumors, especially for patientswith dense breast tissue, architectural distortion of the breast, breast implant or with equivocalmammography. However, one major limitation of Scintimammography is its poor sensitivityand image quality for small lesions (<1.5cm). The aim of this work is to optimize thecollimator parameters of a Scintimammography system to achieve better image quality byusing Monte Carlo Simulation and the Response Surface Method.Two software packages have been used for this purpose: SIMIND is a Monte CarloSimulation program developed by Dr. Michael Ljungberg. NCSS is a statistical analysissoftware package used for the Response Surface Method (RSM). Monte Carlo has a wideusage in nuclear medicine imaging, however RSM has not been used much in this area. RSMstems from science disciplines in which experiments are performed to study the unknownrelation between a set of variables and the system output, or response. We ran SIMIND tosimulate a planar gamma camera system and carry out the experiments. NCSS was used forthe optimization process. The SNR (signal-to-noise ratio) is selected as the detectabilityindex. A MATLAB program was written to compute SNR values from the outputs ofSIMIND. The breast was modeled as a cylinder full of water and a spherical lesion with adiameter of 0.3 cm. Our results show that for a constant septa size of 0.02 cm, we can obtainoptimum detectability when the diameter is 0.132 cm and collimator length is 1.449.Keywords: Scintimammography, Monte Carlo simulations, Response Surface Methods,Collimator Optimization