Computer modeling of a prototype X-ray imaging system for better detection efficiency

Bu tezin ana amacı bir parçacık simülasyon paketi olan Geant4'u kullanarak x ışını görüntüleme sistemi tasarımı yapmaktır. Araştırılacak olan x ışını görüntüleme sisteminde kullanılacak yöntem, geçirgenlik yöntemi olup sadece bu konu üzerine konsantre olunmuştur. Önerilen sistemdeki ana elemanlar; sabit anotlu x ışını tüpü, Si-PIN fotodiyot temelli detektör elemanı, saçılma önleyici ızgara (anti-scatter grid), çeşitli filtreler ve görüntüsü oluşturulacak hedef objelerden oluşmaktadır. Çalışma, iki farklı Geant4 projesinden meydana gelmiş olup bu iki projenin ayrı ayrı testleri yapılmıştır. Geant4 paketi C++ diliyle yazılmış olduğundan simülasyon ana parçaları için farklı sınıflar yaratılmış ve takibi kolay bir kod ortamı sunulmuştur. Önemli fiziksel büyüklükler, parametrelerle ifade edilerek değişik görüntüleme opsiyonları kod içerisinde yapılan az sayıda değişiklikle yönetilmiştir. Projenin ilk kısmı x ışını üretimi, ikinci kısmı ise görüntü üretme simülasyonları için yazılmıştır. Tezin ilk bölümünde literatürde var olan X ışını görüntüleme sistemi modelleri üzerine yapılan çalışmaların özeti verilmiştir. Bu kısımda x ışını üretiminin önceleri yarı deneysel metotlar kullanarak hesaplanmasıyla başlayan yolculuğunun, daha sonra sayısal, teorik ve son olarak da Monte Carlo simülasyonlarına nasıl evrildiğine yer verilmiştir. Aynı bölümde tezin amacı ve kullanılan metodoloji de kısaca anlatılmıştır. Tezin ikinci bölümünde x ışınlarının madde ile etkileşmesinden kaynaklanan fotoelektrik etki, Compton saçılması, çift oluşumu ve Rayleigh saçılmasının fiziğine kısaca yer verilmiştir. Simülasyonların ve endüstride kullanılan x ışını görüntüleme sistemlerinin temelini oluşturan elemanların çeşitleri anlatılmış ve x ışını görüntüleme sistemlerinin endüstri ve medikal fizikteki kullanım alanları incelenmiştir. Bu bölümde son olarak görüntünün kalitesini etkileyen niteliksel ve niceliksel faktörlere yer verilmiştir. Simülasyonlar bölümüne giriş yaparken, yazılan Geant4 kodlarının ana sınıflarının kısaca açıklamaları yapılmıştır. Bunlar; görüntüleme sisteminde bütün malzemelerin ve geometrik şekillerin tanımlandığı detektör sınıfı, bütün parçacıkların ve etkileşimlerininim tanımlandığı fizik listesi sınıfı, kaynağın ve özelliklerinin tanımlandığı kaynak sınıfı ve son olarak da sinyalin toplandığı detektör ve çıktıların yönetildiği duyarlı detektör sınıfıdır. Geant4 kodu içindeki her sınıf için tasarlanacak görüntüleme sisteminin geometrisi, özel yazılmış algoritmalar ile otomatizasyonu yapılmıştır. Geant4'un belli bir şekildeki materyali kopya ederek lojistik bir hacme yerleştirme özelliği kullanılarak grid ve yan yana dizilmiş Si-PIN fotodiyotlardan oluşan detektörler tasarlanmıştır. Bu çalışmada kullanılan x ışını tüpü sabit anotlu olup, başlıca önemli olan karakteristik özellikleri arasında anot materyali ve kalınlığı, anotun elektron demetiyle yaptığı açı, filamanın geometrik özellikleri, iç filtreleme ve tüp yüksek voltajı yer almaktadır. Bunlar ve diğer bütün özellikler simülasyonda modifiye edilebilir parametreler olarak ayarlanmıştır. Hazırlanan kodda ilave filtreleme opsiyonu da olup, bu filtrelemenin spektruma olan etkisi incelenmiştir. Detektör olarak Si-PIN fotodiyot bazlı detektörler modellenmiş ve deneysel karşılaştırmalarda bu detektörlerle doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Seçenek olarak farklı malzemelerden farklı detektörler dizayn edilebilmesi için hiçbir parametreye sınır koyulmamıştır. Oluşturulan x ışınının açısal dağılımının kolayca incelenebilmesi için ise küresel detektörler kullanılmıştır. Her fotonun detektöre giriş pozisyonu ve enerjisi ile birlikte detektörde bıraktığı enerji kayıt altına alınmıştır. Bu çalışmada 113F104 numaralı TUBITAK 1001 projesi kapsamında hazırlanan bir x ışını görüntüleme sisteminin simülasyonlarına da yer verilmiştir. Yapılan deneylerde kullanılan x ışını tüpü ve Amptek XR-100CR detektörü başarılı bir şekilde modellenmiş ve sonuçlar farklı enerjiler için karşılaştırılmıştır. Simülasyonlar aynı anda birçok parçacığın madde ile etkileşimini her adımda tekrar hesaplayan araçlar olduğundan, istenilen bilgi ve yeterli istatistiğe ulaşabilmek genelde uzun zaman alır. Simülasyonlarda parçacıkların üretimi ve takibi gerçek dünyadakinden çok daha yavaş olmaktadır. Dolayısıyla simülasyonlar mümkün olduğunca optimize edilmelidir. Başlangıç olarak, bu çalışmada Geant4'un kendi özelliği olan çoklu çekirdek kullanma sınıfları Geant4 koduna entegre edilmiştir. Öte yandan Geant4 kodunda gerekli görülen yerlerde enerji kesimleri yapılarak, ilgilenilmeyen enerji aralığının gereksiz yere CPU'yu meşgul etmesi engellenmiştir. Tüp simülasyon karşılaştırmaları yapılırken simülasyon süresini azaltmak için uygulanan metotlardan bir diğeri ise demet yolu üzerindeki malzemelerin kaldırılarak sonrasında Beer-Lambert formülü doğrultusunda düzeltme uygulanmasıdır. Tabi ki bu metot sadece basit geometrili filtreler için uygulanmıştır. Daha karmaşık filtreleme yada filtreleme sonrasında oluşan saçılmaların önemli olduğu durumlarda filtrelerin direkt simülasyona eklenmesi doğrudur. X ışını üretimi ve görüntü oluşturma kodları için QT programıyla C++ kullanarak iki ayrı kullanıcı ara yüzü tasarlanmıştır. Bu arayüzlerde en önemli sistem parametrelerinin Geant4 kodları ile iletişimi sağlanmış ve böylece bir parametreyi değiştirmek için relatif olarak karmaşık bir kodun içinde değişikliğin yapılması engellenerek muhtelif hatalar önlenmiştir. Öte yandan bu arayüzler aracılığıyla Geant4 kullanmayı bilmeyenler için temel bir x ışını görüntüleme sistemi tasarlayabilmelerinin yolu açılmıştır. Tasarlanan Geant4 kodları ve kullanıcı arayüzleri, araştırma ve eğitim amacıyla kullanılmak isteyenlerle ücretsiz paylaşılacaktır. X ışını tüpleri için Monte Carlo simülasyonları deneysel sonuçlarla ve literatürde daha önce yapılmış çalışmalarla doğrulanmış sonrasında bu simülasyonlar tüplerden karakteristik spektrumların elde edilmesi için kullanılmıştır. Deneysel sonuçlar için farklı özelliklerdeki iki farklı x ışını tüpünün enerji spektrumları alınmış ve bu sonuçlar daha sonra Geant4 simülasyonları ile doğrulanmıştır. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda genel olarak spektral uyumun sağlandığı fakat karakteristik piklerin yüksekliğinin diğer çalışmalarda olduğu gibi uyumlu olmadığı gözlenmiştir. Karakteristik piklerin yüksekliği konusundaki uyumsuzluk yarı deneysel-yarı teorik çalışmalar ile elde edilen spektrumda da rastlanmıştır. Literatürde x ışını tüplerinin spektrumları için yapılan farklı simülasyonların da karakteristik pikler yönünden uyuşmadığı görülmektedir. Karakteristik piklerdeki uyumsuzluğun başlıca nedenleri arasında detektör çözünürlüğü veya anot materyalinin saf olmaması yer almaktadır. Öte yandan EGSnrc simülasyon paketi ile yapılmış bir çalışma ile bu tezde yapılan çalışma sonuçlarının karşılaştırması ile karakteristik piklerin yükseklikleri arasındaki farkın azaldığı gözlenmiştir. İki boyutta hareket eden küçük segmentli bir detektörün adım aralıklarının (step size) görüntü kalitesine etkisi incelenmiştir. Bunun için Si-PIN fotodiyot bazlı bir detektörün boyutları büyütülmüş ve deneydeki hareketi temsilen adım aralıkları doğrultusunda görüntüler toplanan verilerin analizi ile oluşturulmuştur. Compton saçılması, kaliteli bir görüntü için istenen bir olay değildir. Saçılma önleyici ızgaralar (grid), Compton saçılması ile kontrastın azalmasına neden olan fotonların yutulmasını sağlamak için kullanılmaktadır. Bu çalışmada paralel ve içi delik silindirlerden oluşan, demet ekseni yönünde yerleştirilmiş farklı geometrik boyutları olan gridler kullanılmıştır. Saçılma önleyici ızgara kullanmanın kontrastı nasıl değiştirdiği incelenmiş ve hangi durumlarda kullanışlı olduğu tespit edilmiştir. Compton saçılmasının 100 keV üzerindeki foton enerjilerinde ve nispeten kalın ve yüksek atom numaralı malzemelerde arttığı bilinmektedir. Beklendiği gibi sadece bu durumlarda gridlerin kontrastta iyileşmeye sebep olduğu gözlemlenmiştir. Simülasyon sonucu elde edilen görüntülerin seçilen ilgili bölgeleri üzerinden ImageJ programı kullanılarak kontrast hesabı yapılmıştır. Düşük enerjilerde ve ince malzemelerde gridin etkisi gözlenememiş fakat düşük enerjili fotonlar daha kolay durdurulduğu için gridin görüntü üzerinde gölge yarattığı görülmüştür. Yüksek enerjilere çıkıldığında ise ana x ışını demetinden gelen fotonların değil de Compton saçılması sonucu yörüngesinden sapan fotonların durdurulması sayesinde gridin gölgesinin görüntüyü bozmadığı sonucuna varılmıştır. Düşük enerjilerde bu gölgelemeyi azaltmak için gridi ileri geri oynatma metodu simülasyona uygulanmıştır. Düşük enerjilerde malzeme kalınlığı arttırılsa dahi Compton saçılması baskın olmamaktadır. Gridin görüntü kontrastına etkisinin incelenmesi için, 100 keV üzerindeki enerjilerde yoğun ve kalın bir malzeme kullanılarak hedeften saçılmalar arttırılmıştır. Tasarlanan x ışını görüntüleme sisteminde dedeksiyon yönteminin sahip olduğu uzamsal frekansının tespiti için, simülasyon kodu içerisinde çizgi testi olarak bilinen test objeleri yaratılmış ve farklı ölçüm metotları için ImageJ programı kullanılarak uzamsal frekans tespiti edilmiştir. Bu çalışmanın sonucunda yapılan bir seri simülasyon ile piksel boyutunun uzamsal frekans ile ilişkisi incelenmiştir. Görüntüleme sisteminde yaratılan farklı geometrilerdeki hayalet malzemelerin çeşitli enerjilerdeki x ışını demetleriyle alınan görüntüleri de karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak; hazırlanan x ışını görüntüleme sistemi simülasyon uygulamaları farklı metotlarla farklı senaryolar için doğrulanmış ve tasarlanacak bir görüntüleme sistemin karakterizasyonu için kullanılabileceği ispatlanmıştır. Hazırlanan bu uygulama ile yapılan simülasyon sonuçlarından elde edilen veriyi, fizik analizi proseslerinden geçirerek farklı amaçlara hizmet edecek görüntüleme sistemlerinin tasarımının yapılabileceği sonucuna ulaşılmıştır.