Iterative 2D deconvolution of portal imaging radiographs

Portal imaging has become an integral part of modern radiotherapy techniques such as IMRT and IGRT. It serves to verify the accuracy of day-to-day patient positioning, a prerequisite for treatment success. However, image blurring attributable to different physical and geometrical effects, analysed in this work, impairs the image quality of the portal images, and anatomical structures cannot always be clearly outlined. A 2D iterative deconvolution method was developed to reduce this image blurring. The affiliated data basis was generated by the separate measurement of the components contributing to image blurring. Secondary electron transport and pixel size within the EPID, as well as geometrical penumbra due to the finite photon source size were found to be the major contributors, whereas photon scattering in the patient is less important. The underlying line-spread kernels of these components were shown to be Lorentz functions. This implies that each of these convolution kernels and also their combination can be characterized by a single characteristic, the width parameter λ of the Lorentz function. The overall resulting λ values were 0.5 mm for 6 MV and 0.65 mm for 15 MV. Portal images were deconvolved using the point-spread function derived from the Lorentz function together with the experimentally determined λ values. The improvement of the portal images was quantified in terms of the modulation transfer function of a bar pattern. The resulting clinical images show a clear enhancement of sharpness and contrast.

ZusammenfassungFeldkontrollaufnahmen dienen als integrale Bestandteile moderner strahlentherapeutischer Techniken wie der IMRT und der IGRT. Durch regelmäßige Kontrolle der Patientenlagerung sind sie Voraussetzung für den Erfolg der Behandlung. Verschiedene physikalische und geometrische Effekte, die in dieser Arbeit untersucht werden, führen jedoch zur Bildunschärfe und Verringerung der Bildqualität. Hierdurch können anatomische Strukturen nicht immer deutlich abgegrenzt werden, und die präzise Beurteilung der Patientenlagerung wird erschwert. In dieser Arbeit wird ein iteratives Entfaltungsverfahren entwickelt, um die Bildunschärfe zu vermindern. Die zugehörige Datenbasis wird durch getrennte Messung einzelner Unschärfekomponenten geschaffen. Es wird gezeigt, dass der Sekundärelektronentransport und die Pixelgröße des EPID sowie der geometrische Halbschatten, bedingt durch die Quellgröße, am meisten zur Bildunschärfe beitragen, während die Photonenstreuung im Patienten geringere Bedeutung hat. Unsere Untersuchungen zeigen, dass die Linienspreizfunktionen aller dieser Komponenten die Form von Lorentzfunktionen haben. Jede einzelne Linienspreizfunktion und auch deren Kombination kann durch eine einzige Größe, den Parameter λ für die Verteilungsbreite der Lorentzfunktion, parametrisiert werden. Die insgesamt resultierenden λ-Werte liegen bei 0,5 mm für 6 MV und 0,65 mm für 15 MV. Verifikationsaufnahmen werden mit der daraus abgeleiteten Punktspreizfunktion und den experimentell ermittelten λ-Werten entfaltet. Die Verbesserung der Bildqualität wird anhand der Modulationsübertragungsfunktion eines Gittermusters quantifiziert. Klinische Beispiele zeigen eine deutliche Erhöhung der Bildschärfe und eine Verstärkung des Bildkontrasts nach der Entfaltung.