Radiation dose determination using MOSFET and RPL dosimeters in x-ray imaging

Abstract

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Abstract</p><p>Medical x-ray imaging is used to visualise patients’ anatomical structures and in some cases their physiology. X-rays are ionizing radiation, thus their use needs to be optimised, as stochastic effects are assumed to increase linearly with the exposure dose. Imaging protocols need to be optimised to a radiation dose level that follows the as low as reasonably achievable principle without compromising the diagnostic value of the image. Different methods can be used to help in the optimisation process, such as simulations, radiation dose and image quality assessments with dosimeters and phantoms and utilising the latest technology in the most efficient way.</p><p>The purpose of this doctoral thesis was to investigate the applicability of metal-oxide-semiconductor-field-effect-transistor (MOSFET) dosimeters for dose determinations in conventional x-ray and computed tomography (CT) examinations. Additionally, dose optimising methods were investigated in dental panoramic imaging using radiophotoluminescence (RPL) dosimeters. Anthropomorphic phantoms were used in every study to simulate patients, as their structures enable dosimeters to be positioned at locations that correspond to different organs.</p><p>The MOSFET’s properties for dose determinations were evaluated against the reference dosimeter in a conventional x-ray set-up. Comparisons of absorbed and effective doses in thorax x-ray imaging were made between RPLs, MOSEFTs and Monte Carlo simulations. The effect of the organ-based tube current modulation and bismuth shields were compared against the reference imaging method in a chest CT with one scanner model. Absorbed doses and quantitative image quality were evaluated using each method. Possible dose reduction from segmented dental panoramic tomography (sDPT) imaging was compared against full DPT. Dose measurements were done using RPL dosimeters in pediatric and adult set-up using phantoms.</p><p>MOSFETs are accurate enough to be used in conventional x-ray and CT, but they require a careful calibration before use as their reproducibility is limited with low doses. Bismuth shields provided the best dose reduction, but with a negative impact on quantitative image quality, especially when metal artefact removal software was used. The final study showed that the use of sDPT programmes and pediatric protocols enable a notably dose reduction compared to the full DPT adult protocol.</p></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Tiivistelmä</p><p>Lääketieteellisessä kuvantamisessa käytetään röntgensäteilyä potilaan anatomian ja joissain tapauksissa fysiologian visualisointiin. Röntgensäteily on ionisoivaa ja stokastisten vaikutusten kasvaessa oletettavasti lineaarisesti säteilyn funktiona, tulee säteilyn olla kokonaisvaltaisesti optimoitua. Kuvauksissa käytetyn röntgensäteilyn käytön tulee noudattaa ALARA-periaatetta, minkä vuoksi kuvauksessa tulee käyttää niin vähän säteilyä kuin vain mahdollista, diagnostiikan vaarantumatta. Optimoinnin apuna voidaan käyttää esim. simulointeja, annos- ja kuvanlaatumäärityksiä dosimetreilla ja fantomeilla, tai laitevalmistajien tuomia uusia teknologioita.</p><p>Tämän väitöskirjan tarkoituksena oli tutkia metallioksidi-puolijohdekanavatransistorien (MOSFET) soveltuvuutta natiiviröntgentutkimuksissa ja tietokonetomografiassa (TT). Lisäksi työssä tutkittiin hammaskuvauksissa käytettyjä annossäästömenetelmiä radiofotoluminesenssidosimetreilla (RPL). Potilasvasteena työssä käytettiin antropomorfisia fantomeita, minkä ansiosta säteilyannoksia voidaan mitata eri elimiä vastaavilta kohdilta.</p><p>MOSFET annosmittarin ominaisuuksia arvioitiin natiiviröntgenasetelmassa referenssimittariin nähden. Absorboituneiden ja efektiivisten annosten eroa MOSFET:tien, RPL:ien ja simulointien kesken tutkittiin keuhkoröntgentutkimuksessa. Pintakudoksia säästävän putkivirranmodulointimenetelmän ja vismuttisuojien vaikuttavuutta verrattiin TT:ssä referenssimetelmää vasten. Vaikuttavuutta arvioitiin absorboituneiden annosten ja kvantitatiivisen kuvanlaadun avulla. Segmentoidun hammaspanoraamakuvauksen (sDPT) annossäästömahdollisuuksia verrattiin tavalliseen panoraamakuvaukseen. Annosmääritykset tehtiin käyttäen RPL dosimetreja lapsi- ja aikuisfantomeissa.</p><p>MOSFET dosimetreja voidaan käyttää annosmäärityksiin natiiviröntgenkuvauksissa ja TT:ssä, mutta niiden kalibrointi ja toistettavuus matalilla annoksilla aiheuttaa kuitenkin rajoituksia niiden käytölle. Vismuttisuojat tuottivat parhaan annossäästön, huonontaen kuitenkin kuvanlaatua. Kuvanlaadun huonontuminen oli erityisen huomattavaa, kun metallista aiheutuvien kuvavirheiden poistamiseen suunniteltua ohjelmaa käytettiin. Viimeinen tutkimus osoitti, että sDPT ohjelmat ja lapsille suunnatut protokollat mahdollistavat huomattavan annossäästön verrattuna aikuisten kokopanoraamaan.</p></div>

<div lang="en" class="abs"><p class="abs_header">Original papers</p><p>Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.</p><ol type="I"><li><p>Manninen, A.-L., Kotiaho, A., Nikkinen, J., & Nieminen, M. T. (2014). Validation of a MOSFET dosemeter system for determining the absorbed and effective radiation doses in diagnostic radiology. Radiation Protection Dosimetry, 164(3), 361–367. <a href="https://doi.org/10.1093/rpd/ncu283">https://doi.org/10.1093/rpd/ncu283</a></p></li><li><p>Kotiaho, A., Manninen, A. L., Nikkinen, J., & Nieminen, M. T. (2018). Comparison of organ-based tube current modulation and bismuth shielding in chest CT: Effect on the image quality and the patient dose. Radiation Protection Dosimetry. <a href="https://doi.org/10.1093/rpd/ncy242">https://doi.org/10.1093/rpd/ncy242</a></p></li><li><p>Kotiaho, A., Sipola, A., Happo, E., Haapea, M., Nikkinen, J., Kallio-Pulkkinen, S., & Nieminen M. T. (2019). Use of segmented dental panoramic tomography (sDPT) for dose reduction in comparison to full DPT. Manuscript in preparation.</p></li></ol></div>

<div lang="fi" class="abs"><p class="abs_header">Osajulkaisut</p><p>Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.</p><ol type="I"><li><p>Manninen, A.-L., Kotiaho, A., Nikkinen, J., & Nieminen, M. T. (2014). Validation of a MOSFET dosemeter system for determining the absorbed and effective radiation doses in diagnostic radiology. Radiation Protection Dosimetry, 164(3), 361–367. <a href="https://doi.org/10.1093/rpd/ncu283">https://doi.org/10.1093/rpd/ncu283</a></p></li><li><p>Kotiaho, A., Manninen, A. L., Nikkinen, J., & Nieminen, M. T. (2018). Comparison of organ-based tube current modulation and bismuth shielding in chest CT: Effect on the image quality and the patient dose. Radiation Protection Dosimetry. <a href="https://doi.org/10.1093/rpd/ncy242">https://doi.org/10.1093/rpd/ncy242</a></p></li><li><p>Kotiaho, A., Sipola, A., Happo, E., Haapea, M., Nikkinen, J., Kallio-Pulkkinen, S., & Nieminen M. T. (2019). Use of segmented dental panoramic tomography (sDPT) for dose reduction in comparison to full DPT. Manuscript in preparation.</p></li></ol></div>