Mamografi sistemleri için doku eşdeğeri fantom geliştirilmesi, Monte Carlo simülasyon tekniği ve X-ışını spektroskopisi yöntemi ile karakterizasyonu

Abstract

Meme kanseri, günümüzde kadınlar arasında dünya çapında en yaygın olarak görülen kanser türüdür. Mamografi ise meme kanserinin teşhisinde uzun zamandır altın standart olarak kabul edilmiş bir yöntemdir. Bu nedenle, mamografi sistemlerinin kalite güvencesi (QA) ve kalite kontrolü (QC) oldukça önemlidir. X-ışınları ile görüntü sağlayan mamografi sistemlerinin kalite kontrollerinde fantom adı verilen, radyasyon soğurma ve saçılma özellikleri insan meme dokusuna hemen hemen aynı olan doku eşdeğeri malzemelerden üretilen araçlar kullanılmaktadır. Meme dokusu temelde glandüler ve yağ doku olmak üzere iki farklı dokunun farklı oranlarda bileşimlerinden oluşur. Bu oranlar yaş, kilo ve ırk vb. farklı parametrelere bağlı olarak kişiden kişiye değişir. Bu çalışmanın motivasyonu mamografi sistemlerinin QA ve QC işlemleri için kullanılabilecek, uygun mamografik fantom geliştirmektir. Bu tezin amacı, parafin ve epoksi ana matris olacak şekilde içerisine farklı kimyasallar eklenerek meme dokusu eşdeğeri fantomlar geliştirmek ve bu fantomların karakterizasyonlarını x-ışın spektroskopisi yöntemi ve Monte Carlo simülasyon tekniği ile gerçekleştirmektir. Daha önce hiç birlikte katkılanmamış H3BO3, CaSO4·2H2O ve MgO gibi belirli kimyasalları uygun oranlarda ve özel tekniklerle çok ucuz maliyetli olan malzemelerle (parafin ve epoksi) meme dokusu eşdeğeri fantomu üretmek ve ilk defa deneysel olarak CdTe ve SDD dedektörlü x-ışın spektroskopi tekniği uygulanarak ve Monte Carlo simülasyon yöntemi ile yarı değer kalınlığı (HVL) değerleri esas alınarak karakterize edilmiştir. Tez kapsamında öngörülen %30/70, %47/53, %50/50 ve %70/30 %glandüler/yağ doku oranlarına sahip parafin ve epoksi ana matrisli fantomlar geliştirilmiş ve ticari olarak mevcut CIRS BR serisi fantomlarla yarı değer kalınlığı (HVL) parametresi cinsinden karşılaştırılmıştır. Sonuçta simülasyon tekniği ile yapılan hesaplamalarda, geliştirilen malzemelerin ICRU dokusuna eşdeğerliği %94 ve daha iyi elde edilmiştir. Karakterizasyon işlemlerinde ise ticari fantomlara yakınlık simülasyon hesaplamalarında %95, CdTe ve SDD detektörlerle yapılan ölçümlerde %85 ve daha iyi olacak şekilde başarılmıştır. Tezde elde edilen sonuçlar ve çıkarımlar ayrıntılı olarak tartışılmıştır.Bu tez, kısmi olarak 115S108 kodlu TÜBİTAK 1003 projesi ile desteklenmiştir.

Breast cancer is the most common cancer type among women all around the World. Mammography systems, which provides images using x-rays, are accepted as gold standard method to diagnose breast cancer for many years. Therefore, the quality assurance (QA) and quality control (QC) of these systems are very important. Phantoms made from human tissue equivalent materials are used for the quality control tests of mammography systems. It is essential that these materials have almost the same absorption and scattering characteristics that of human tissue. Breast tissue consists of mainly glandular tissue and adipose tissue. The ratio of these tissues varies from person to person with some parameters such as age, weight and race.The motivation of this study is to make a suitable mammographic phantom which can be used for QA and QC of mammography systems. The purpose of this thesis is to develop tissue equivalent phantoms with the use of paraffin and epoxy as base materials and their mixtures with different chemicals first, and then to characterize these phantoms by use of x-ray spectroscopy and Monte Carlo simulation techniques. It is aimed to develop a new breast phantom with specific chemicals (H3BO3, CaSO4·2H2O and MgO) and low cost base materials (paraffin and epoxy) with special laboratory techniques and then to characterize them with use of the x-ray spectroscopy technique having CdTe and SDD detectors and Monte Carlo simulation technique. To the best of our knowledge, half value layer (HVL) determination method has not been used for this aim as we did in this study. In the study, the breast phantoms were developed according to the predicted glandular and adipose tissue ratios of 30/70%, 47/53%, 50/50% and 70/30% and they were compared with those ratios of commercially available CIRS BR series phantoms as reference materials. The comparison was based on HVL values. The results indicate that the tissue equivalency of the proposed materials agree well with that of ICRU 44 glandular and ICRU 44 adipose tissues better than 94%. The characterization results also show that the agreement with the commercial CIRS BR series phantoms are better than 95% for simulations, and better than 85% for experimental results with use of CdTe and SDD x-ray spectroscopy systems. The obtained results related to the developed new breast phantoms are discussed in detail. This thesis is partly funded by the TUBİTAK 1003 Project coded as 115S108.