Monte Carlo simulacije scintilacijskih detektora gama kamere u određivanju energijskih spektara fotona nuklearno medicinskih radionuklida

master's thesis

• Title (english): Monte Carlo simulations of gamma camera scintillation detectors in determining the photon energy spectrum of nuclear medical radionuclides
• Author: Paula Antonija Bačani
• Mentor: Tomislav Bokulić (mentor)
• Committee member: Tomislav Bokulić (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Mihael Makek (član povjerenstva)
• Committee member: Maja Planinić (član povjerenstva)
• Committee member: Tamara Nikšić (član povjerenstva)
• Committee member: Katarina Jeličić (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Science; (Department of Physics); Zagreb
• Defense date and country: 2023-04-17, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: NATURAL SCIENCES; Physics

Abstract

Nuklearna medicina (NM) je medicinska disciplina koja primarno uključuje kliničke postupke u kojima se male količine spojeva obilježenih radionuklidima unose u tijelo pacijenta kako bi se potom slikovnim postupcima dobila dijagnostički vrijedna informacija o različitim poremećajima i bolestima. U nuklearno medicinskim slikovnim tehnikama glavni slikovni uređaj je gama kamera. Monte Carlo (MC) simulacije imaju važnu ulogu u slikovnoj nuklearnoj medicini jer za razliku od mjerenja njima možemo ispitati utjecaj nekih parametara na kvalitetu slike i kvantitativnu točnost, koje je eksperimentalno nemoguće ili je veoma teško provesti. Primjeri primjene MC simulacija su optimizacija postupaka korekcije raspršenog zračenja u jednofotonskoj računalnoj emisijskoj tomografiji i upotreba u oblikovanju studija kvantitativnog oslikavanja za potrebe dozimetrije radionuklidne radioterapije. U ovom radu je MC programski paket SIMIND upotrijebljen za proučavanje značajki energijskih spektara izvora triju radionuklida tehnecija i joda, 99m^Tc, 131^I i 123^I koji se intenzivno rabe u brojnim slikovnim postupcima i radionuklidnoj terapiji. Simulirani energijski spektri izvora su uspoređeni s mjerenima, zabilježenim gama kamerom Symbia T (Siemens, Njemačka) s dvije glave, sa i bez kolimatora. Mjerenja su provedena u Klinici za onkologiju i nuklearnu medicinu, KBC Sestre milosrdnice u Zagrebu. Osim usporedbe općenitih značajki spektara dobivenih simulacijama, određene su pune širine na pola maksimuma (engl. full width at half maximum) najznačajnijih vrhova u spektrima uz različite pretpostavke o obliku funkcije koja opisuje ovisnost širine vrha o energiji fotona. U radu je pokazano dobro slaganje vrijednosti punih širina na pola maksimuma vrhova u mjerenim i simuliranim intrinsičnim energijskim spektrima do približno 160 keV za teorijski i prilagođeni model energijskog razlučivanja. Teorijski model pretpostavlja najveći doprinos vrijednosti FWHM vrha u statističkoj varijaciji amplitude izlaznog signala detektorskog sustava zbog broja fotoelektrona oslobođenih s fotokatode fotomultiplikatora dok predloženi prilagođeni model rabi izmijenjenu nelinearnu funkciju ovisnosti FWHM o energiji ulaznog fotona. Na višim energijama fotovrhova, prilagođeni se model pokazao točnijim od teorijskog. Točno poznavanje FWHM fotovrhova u energijskim spektrima značajno utječe na poznavanje točnog sadržaja energijskog prozora iz kojeg se stvaraju NM slike, te na provedbu algoritama korekcije raspršenog zračenja kojima se postiže veća točnost slikovnih metoda posebice važna za individualiziranu dozimetriju ciljane radionuklidne radioterapije. Ključne riječi: nuklearna medicina, Monte Carlo simulacije, gama kamera, radionuklid, energijsko razlučivanje 3

Abstract (english)

Nuclear medicine (NM) is a medical discipline that primarily involves clinical procedures in which a small amount of a compound, labelled with a radionuclide is administered to the patient’s body to obtain diagnostic information about various disorders and diseases. The main imaging device in nuclear medicine imaging techniques is a gamma camera. Monte Carlo (MC) simulations play an important role in nuclear medicine because, unlike measurements, simulations can test the influence of certain parameters on the image quality and quantitative accuracy which is experimentally impossible or significantly limited. Examples of the use of MC simulations are the optimization of correction schemes for scattered radiation in single photon computed emission tomography and its use in the design of quantitative imaging studies for radionuclide radiotherapy dosimetry. In this thesis, the MC program package SIMIND was used to study the characteristics of the energy spectra of three sources of radionuclides 99m^Tc, 131^I and 123^I, which are intensively used in imaging procedures and radionuclide therapy. The simulated energy spectra of the sources were compared to the measured ones, obtained with the dual-headed Symbia T gamma camera (Siemens, Germany), with and without a collimator. The measurements were carried out at the Department of Oncology and Nuclear Medicine, KBC Sestre milosrdnice in Zagreb. In addition to comparing the general features of the spectra obtained by simulations, the full widths at half maximum of the most significant photopeaks in the spectra were determined with different assumptions about the shape of the function that describes the dependence of the peak width on photon energy. The investigation shows a good agreement between the values of the full widths at half maximum of the peaks in the measured and simulated intrinsic energy spectra, up to approximately 160 keV, for the theoretical and the fitted energy resolution model. The theoretical model assumes the largest contribution to the FWHM from the statistical variation of the output pulse amplitude of the detector system, originating from the number of photoelectrons released from the photomultiplier photocathode, while the proposed fitted model uses a modified nonlinear function of the FWHM dependence on the energy of the incident photon. At higher photopeak energies, the fitted model proved to be more accurate than the theoretical one. Accurate knowledge of the full width at half maximum of the photopeaks in energy spectra significantly affects the knowledge of the exact content of the energy window from which NM images are formed, and the implementation of algorithms for scattered radiation correction that provides superior accuracy in imaging methods, especially important for individualized dosimetry of targeted radionuclide radiotherapy.

• Keywords: nuklearna medicina; Monte Carlo simulacije; gama kamera; radionuklid; energijsko razlučivanje
• Keywords (english): nuclear medicine; Monte Carlo simulations; gamma camera; radionuclide; energy resolution
• Language: croatian
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:965035
• Study programme: Title: Physics; specializations in: Education; Course: Education; Study programme type: university; Study level: integrated undergraduate and graduate; Academic / professional title: magistar/magistra edukacije fizike (magistar/magistra edukacije fizike)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access
• Created on: 2023-07-04 14:04:22