Improved dose calculation accuracy for low energy brachytherapy by optimizing dual energy CT imaging protocols for noise reduction using sinogram affirmed iterative reconstruction

The goal of this study was to evaluate the noise reduction achievable from dual energy computed tomography (CT) imaging (DECT) using filtered backprojection (FBP) and iterative image reconstruction algorithms combined with increased imaging exposure. We evaluated the data in the context of imaging for brachytherapy dose calculation, where accurate quantification of electron density ρe and effective atomic number Zeff is beneficial.A dual source CT scanner was used to scan a phantom containing tissue mimicking inserts. DECT scans were acquired at 80 kVp/140Sn kVp (where Sn stands for tin filtration) and 100 kVp/140Sn kVp, using the same values of the CT dose index CTDIvol for both settings as a measure for the radiation imaging exposure. Four CTDIvol levels were investigated. Images were reconstructed using FBP and sinogram affirmed iterative reconstruction (SAFIRE) with strength 1,3 and 5. From DECT scans two material quantities were derived, Zeff and ρe. DECT images were used to assign material types and the amount of improperly assigned voxels was quantified for each protocol. The dosimetric impact of improperly assigned voxels was evaluated with Geant4 Monte Carlo (MC) dose calculations for an 125I source in numerical phantoms.Standard deviations for Zeff and ρe were reduced up to a factor ∼2 when using SAFIRE with strength 5 compared to FBP. Standard deviations on Zeff and ρe as low as 0.15 and 0.006 were achieved for the muscle insert representing typical soft tissue using a CTDIvol of 40 mGy and 3 mm slice thickness. Dose calculation accuracy was generally improved when using SAFIRE. Mean (maximum absolute) dose errors of up to 1.3% (21%) with FBP were reduced to less than 1% (6%) with SAFIRE at a CTDIvol of 10 mGy. Using a CTDIvol of 40mGy and SAFIRE yielded mean dose calculation errors of the order of 0.6% which was the MC dose calculation precision in this study and no error was larger than ±2.5% as opposed to errors of up to -4% with FPB.This phantom study showed that the SAFIRE image reconstruction algorithm provided reduced standard deviations of Zeff and ρe in uniform regions of interest while preserving mean Zeff and ρe values. This resulted in improved material type assignment. The use of SAFIRE improved brachytherapy dose calculations for the materials from the phantom investigated in this study using 125I.

ZusammenfassungZiel dieser Studie war es, die mögliche Reduktion des Rauschens in der Dual-Energy-Computer-Tomographie(DECT)-Bildgebung unter Verwendung der gefilterten Rückprojektion (FBP) sowie iterativer Rekonstruktionsalgorithmen zu evaluieren. Die Daten wurden im Hinblick auf die Dosisberechnung in der Brachytherapie analysiert, bei welcher eine genaue Quantifizierung der Elektronendichte ρe und der effektiven Ordnungszahl Zeff durch die Bildgebung vorteilhaft ist. Ein CT-Gerät mit zwei Röntgen-Quellen wurde verwendet, um ein mit Gewebe-äquivalenten Proben besetztes Phantom zu untersuchen.Die DECT-Aufnahmen wurden bei 80 kVp/140Sn kVp (wobei Sn für den verwendeten Filter steht) und 100 kVp/140Sn kVp bei gleichem CT-Dosis-Index CTDIvol durchgeführt. Vier verschiedene CTDIvol-Niveaus wurden untersucht. Die Bilder wurden per FBP und „Sinogram affirmed iterative reconstruction“ (SAFIRE) mit einer Stärke von 1,3 und 5 rekonstruiert. Aus den DECT-Aufnahmen wurden die Parameter Zeff und ρe bestimmt. Die Bilder wurden verwendet, um Materialtypen zuzuordnen und die Anzahl an falsch zugeordneten Voxeln zu bestimmen. Der dosimetrische Einfluss von falsch zugeordneten Voxeln wurde mit Geant4-Monte-Carlo(MC)-Dosisberechnungen für eine 125I-Quelle in numerischen Phantomen berechnet.Standardabweichungen für Zeff und ρe reduzierten sich bei SAFIRE (mit Stärke 5) um bis zu einem Faktor 2 gegenüber der FBP. Standardabweichungen in Zeff und ρe von 0,15 und 0,006 konnten für die Muskeleinsätze, als typische Weichgewebe, bei einem CTDIvol-Wert von 40 mGy und 3 mm Schichtdicke erreicht werden. Die Dosisberechnungsgenauigkeit mit SAFIRE war im Allgemeinen höher als bei der FBP. Der mittlere (maximale) Dosisfehler reduzierte sich von 1,3% (21%) für die FBP auf 1%(6%) von SAFIRE, bei einem CTDIvol von 10 mGy. CTDIvol-Werte von 40 mGy führten mit SAFIRE zu Abweichungen in der Dosisberechnung in der Größenordnung von 0,6%, was der MC-Dosisberechnungsgenauigkeit in dieser Studie entspricht. Im Gegensatz zur maximalen Abweichung von bis zu 4% bei Verwendung der FBP war kein Fehler größer als ±2,5%.Diese Phantomstudie zeigt, dass der SAFIRE-Bildrekonstruktionsalgorithmus niedrigere Standardabweichungen von Zeff und ρe in homogenen Bereichen liefert und so zu einer verbesserten Materialzuordnung führt. Der Einsatz von SAFIRE verbessert die Dosisberechnung in der Brachytherapie für die in dieser Studie untersuchten Materialien.