AN IMPROVED METHODOLOGY TO MEASURE THE SPATIAL RESOLUTION AND CONTRAST SENSITIVITY OF THE CT-SCAN SYSTEM USING MULTI MATERIALS PHANTOM

mousa, almahdi, Dr. Gede Bayu Suparta

2018 | Disertasi | DOKTOR FISIKA

Koefisien atenuasi sinar-X untuk bahan penting di hampir semua bidang di mana interaksi sinar-X dengan materi dipelajari. Sebagai contoh, koefisien atenuasi μ dari bahan yang tidak diketahui saat memaparkannya ke sinar-X energi yang diketahui juga dapat membantu mengidentifikasi bahan dan menunjukkan potensi memilih bahan untuk membuat hantu yang dapat digunakan untuk mengukur gambar. kualitas sistem pencitraan sinar-X. Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk meningkatkan metode untuk mengukur dan mengevaluasi resolusi spasial dari computed tomography CT berdasarkan pada phantom yang baru dirancang. Metode ini sudah mapan dalam CT. Namun, beberapa metode untuk pengukuran resolusi spasial pada gambar CT tersedia. Metode yang ditingkatkan membutuhkan teknik dan desain khusus dari bahan hantu. Bahan yang digunakan dalam merancang hantu dievaluasi dengan mengukur koefisien atenuasi linear sinar-X. Secara umum, proyek ini dapat dibagi menjadi tiga fase. Pada fase pertama, koefisien atenuasi linear sinar-X μ diukur untuk bahan yang dipilih yang akan digunakan untuk membangun phantom resolusi spasial. Bahan-bahan ini disiapkan dalam segitiga step-wedge dengan ketebalan 3 mm berbeda. Semua sampel bahan terpapar sinar-X dengan parameter 30 keV dan 20 mA menggunakan Radiografi Digital-Mikro. Bahan-bahannya adalah plastik, pleksiglas, karet silikon, sabun, dan lilin parafin. Beberapa gambar diambil untuk setiap sampel. Kemudian rata-rata dan dihitung dengan nilai skala abu-abu dengan menggunakan program proses gambar. Nilai koefisien atenuasi linier dicapai dengan memplot log intensitas X-ray terhadap ketebalan yang bervariasi. Hasilnya sebagai berikut, Plastik ABS adalah 0,0284 cm-1, Plexiglas adalah 0,0436 cm-1, Karet Silikon 0,0873 cm-1 dan lilin Parafin adalah 0,0237 cm-1. Dibandingkan dengan hasil literatur, nilai-nilai (μ) yang diperoleh menunjukkan bahwa ada kesepakatan yang baik, dan metode ini sesuai untuk digunakan sebagai metode alternatif untuk mengukur koefisien atenuasi linier bahan. Tahap kedua dari penelitian ini bertujuan untuk mengukur resolusi spasial dari sistem pencitraan CT, resolusi spasial adalah kemampuan suatu gambar untuk menyampaikan detail dan membedakan antara benda-benda kecil yang berdekatan. Metode yang ditingkatkan untuk mengukur resolusi spasial gambar CT diimplementasikan menggunakan gambar hantu, yang didasarkan pada perhitungan lebar penuh pada setengah maksimum FWHM dari fungsi sebaran garis LSF yang diperoleh dari fungsi yang disebut sebaran tepi fungsi ESF. Data ESF dibuat dari gambar CT yang diperoleh dengan memindai phantom yang terbuat dari karet silikon berbentuk silinder yang mengandung bahan yang berbeda. Kurva ESF diperoleh dengan kecocokan langsung ekspresi matematis dari profil ESF menggunakan MATLAB R2015b dengan data ESF yang diperoleh pada antarmuka antara bahan-bahan yang berbeda dalam hantu percobaan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa metode yang ditingkatkan mampu mendeteksi resolusi spasial antara material dengan koefisien atenuasi yang berbeda dan / atau serupa, karena material dengan perbedaan dalam sifat atenuasi mereka detail yang sangat halus dapat dicitrakan, tetapi jika mereka serupa, hanya detail skala yang lebih besar dan / atau partikel dapat dibedakan secara andal. Semakin besar (λ), semakin kecil FWHM yang diperoleh, dan 2 mempersempit LSF. Sistem pencitraan resolusi tinggi ditandai oleh nilai-nilai besar dari parameter resolusi ini. Nilai besar parameter resolusi λ diperoleh antara lilin parafin dan bahan plastik ABS= 29,96 ± 0,27 mm, dan FWHM dari bahan-bahan tersebut = 0,066 ± 0,009 mm. Nilai terkecil λ diperoleh antara Plexiglas dan bahan sabun = 8,86 ± 0,23, dan FWHM = 0,225 ± 0,025 mm, hasil FWHM dari bahan lain adalah Plexiglas dengan karet silikon = 9,06 ± 0,07 mm, sabun dengan silikon karet = 18,53 ± 0,04 mm, lilin parafin dengan karet silikon = 21,31 ± 0,06 mm, dan sabun dengan lilin parafin = 9,00 ± 0,08 mm. Metodologi yang diusulkan dapat diimplementasikan menggunakan data sinyal dari citra CT yang direkonstruksi dan tidak sensitif terhadap kebisingan yang diperkenalkan dengan membedakan ESF untuk menghasilkan LSF seperti yang dicatat dalam pengukuran sebelumnya. Selain itu, metodologi yang diusulkan memberikan pengukuran praktis resolusi spasial mesin CT.

The X-ray attenuation coefficients for materials are important in almost all fields in which the interaction of X-rays with matter is studied. For example, the attenuation coefficients μ of unknown materials when exposing it to an X-ray of known energy can also help to identify the substance and shows the potential of choosing the materials to create a phantom which can be used to measure the image quality of the X-ray imaging system. The main aim of this study was to improve a method to measure and evaluate the spatial resolution of the computed tomography CT based on the newly designed phantom. This method is well established in CT. However, several methods for measurement of spatial resolution on CT images are available. The improved method requires a specific technique and design of the phantom materials. The materials used in designing the phantom were evaluated by measuring the X-ray linear attenuation coefficient. In general, this project can be divided into three phases. In the first phase, the X-ray linear attenuation coefficient μ was measured for the selected materials which will be used to construct the spatial resolution phantom. These materials were prepared in a step-wedge triangle with 3 mm thickness different. All materials samples were exposed to X-ray with 30 keV and 20 mA parameters using Micro-Digital Radiography. The materials were plastic, Plexiglas, silicone rubber, soap, and paraffin wax. Multiple images were captured for each sample. Then it was averaged and calculated with grayscale values by using an image process program. The linear attenuation coefficient value was achieved by plotting the log of the X-ray intensity against the varying in thickness. The result as following, Plastic ABS is 0.0284 cm-1, Plexiglas is 0.0436 cm-1, Silicone Rubber is 0.0873 cm-1 and Paraffin wax is 0.0237 cm-1. Compared with the results of the literature, the values of μ obtained indicates that there is a good agreement, and the method is appropriate to be used as an alternative method for measuring the linear attenuation coefficient of materials. The second phase of the study aimed to measure the spatial resolution of (CT) imaging system, spatial resolution is the ability of an image to convey details and distinguish between small objects that are close together. The improved method for measuring the spatial resolution of CT images was implemented using phantom images, which is based on the calculation of the full width at half maximum (FWHM) of the line spread function LSF that acquired from a function called the edge spread function ESF. The ESFs data were constructed from the CT image obtained by scanning phantom made of silicone rubber shaped as cylindrical containing different materials. The ESF curves were obtained by a direct fit of a mathematical expression of the ESF profile using MATLAB R2015b to the ESF data acquired at the interface between the different materials within the experiment phantom. The results show that the improved method is able to detect spatial resolution between materials with different and/or similar attenuation coefficients, since materials with differences in their attenuation properties very fine details can be imaged, but if they are similar, only larger-scale details and/or particles can be reliably distinguished. The larger the λ, the smaller the FWHM obtained, and the 2 narrower the LSF. The high-resolution imaging system was characterized by large values of this resolution parameter. The large value of the resolution parameter λ was obtained between paraffin wax and plastic ABS materials = 29.96±0.27 mm, and the FWHM of those materials = 0.066±0.009 mm. The smallest value of the λ was obtained between Plexiglas and soap materials = 8.86±0.23, and the FWHM = 0.225±0.025 mm, the FWHM results of the other materials were Plexiglas with silicone rubber = 9.06±0.07 mm, soap with silicone rubber = 18.53±0.04 mm, paraffin wax with silicone rubber = 21.31±0.06 mm, and soap with paraffin wax = 9.00±0.08 mm. The proposed methodology can be implemented using signal data from the reconstructed CT image and is not sensitive to the noise introduced by differentiating the ESF to produce the LSF as noted in the previous measurement. In addition, the proposed methodology provides a practical measurement of CT machine spatial resolution.

Kata Kunci : Micro-digital radiography System, Micro- computed tomography system, linear attenuation coefficient, spatial resolution and contrast sensitivity.