بهره‌گیری از روش MTSVD برای تعیین کیفیت اشعه ایکس در محدوده رادیولوژی تشخیصی از طیف‌نگاری کامپتون با استفاده از کد مونت‌کارلو MCNPX

نویسندگان

بخش مهندسی هسته‌ای، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، فارس

چکیده

تعیین طیف اشعه ایکس در مراکز مختلف رادیولوژی به‌لحاظ کنترل کیفی دستگاه امری مهم است. به‌دلیل اثر هم‌پوشی و زمان مرگ، این عمل با روش‌های ساده و با قرار دادن آشکارساز در مقابل پرتوهای ایکس تیوب میسر نیست. بنابراین برای به‌دست آوردن طیف اشعه‌ی ایکس، می‌توان از روش‌های غیرمستقیم چون طیف‌نگاری پرتوهای کامپتون تحت زاویه 90 درجه استفاده کرد. طیف اصلی پرتو ایکس توسط ماتریس پاسخ، به ماتریس طیف کامپتون، به‌صورت یک دستگاه معادله مرتبط می‌شود. در این تحقیق به‌علت بدحالت بودن ماتریس ضرایب، از روش ریاضیاتی منظم‌سازی تجزیه مقادیر منفرد برش‌یافته‌ی اصلاح‌شده استفاده شد و طیف‌های اشعه ایکس بازیابی گردید و درنهایت دقت شکل طیف‌های به‌دست آمده را با طیف تئوری IPEM78 مقایسه شد. برای مقایسه‌ی میزان نزدیکی طیف بازیابی‌شده به طیف تئوری، از پارامتر خطای جذر میانگین مربعات برای طیف‌های بازیابی‌شده و از پارامتر درصد خطای نسبی برای لایه‌ی نیمه‌کننده‌ی اول طیف‌ها استفاده شد. طبق نتایج به‌دست آمده در این تحقیق روش غیرمستقیم کامپتون با دقت بسیار خوبی (کم‌تر از %5) قادر به بازیابی طیف اشعه ایکس می‌باشد و خطای این روش در به‌دست آوردن لایه‌ی نیمه‌کننده نیز کم‌تر از %2 به‌دست آمد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Implementation of MTSVD method for X-ray spectrum unfolding from compton spectrometry in diagnostic radiology range using MCNPX Monte Carlo code

نویسندگان [English]

  • Amir Hossein Mahjoob
  • Sedigheh Sina
  • Reza Faghihi
چکیده [English]

Determination of X-ray spectrum at various nuclear radiology centers is important in terms of device quality control. Due to the pile-up effect and dead time, this won't be possible by simple methods, and by placing the detector in front of the X-ray beams. Therefore, to obtain the X-ray spectrum, one can use indirect methods like spectroscopy Compton photons scattered at 90° angle. The primary spectrum is related to the Compton spectrum matrix by the response matrix in an equation system. As the coefficients matrix of this equation is ill-conditioned, MTSVD regularization mathematical method was used in this study for spectrum unfolding the X-ray spectra. Finally, the accuracy of the spectrometry was obtained by comparing the unfolded spectra with the IPEM78 theory spectrum. To compare the closeness of the unfolded spectra with the theory, the root-mean-square deviation was obtained, and the percentage error was used for comparison of the half value layer. According to the results obtained in this study, the indirect Compton method can unfold the X-ray spectrum by a good accuracy, i.e., less than 5%, and the relative error for obtaining the HVL, was found to be 2%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Spectrum unfolding
  • pile-up Effect
  • Compton Spectroscopy
  • Monte Carlo method
  • ill-condition Equations
  • MTSVD Regularization Method
[1] S. Gallardo, J. Rodenas, A. Querol, and G. Verdu. Application of the MTSVD unfolding method for reconstruction of primary X-ray spectra using semiconductor detectors, Progress in Nuclear Energy, 53(2011) 1136–1139. [2] S. Gallardo, B. Juste, A. Querol, F. Pozuelo, G. Verdu, J. Rodenas, J.M. Campayo and S. Diez. Determination of the primary X-ray spectrum using a PMMA wedge, a flat panel and the Monte Carlo method, Progress in Nuclear Science and Technology, 4(2014) 445–448. [3] S. Gallardo, J. Rodenas and G. Verdu. Monte Carlo simulation of the Compton scattering technique applied to characterize diagnostic x-ray spectra, Medical physics, 31(2004) 2082–2090. [4] S. Gallardo, J. Ródenas, G. Verdú and J.I. Villaescusa. Analysis of shielding materials in a Compton spectrometer applied to x-ray tube quality control using Monte Carlo simulation, Radiation protection dosimetry, 115(1-4) (2005) 375–379. [5] M.C. Burgos, S. Gallardo, V. Puchades, G. Verdú, J. Ródenas and J.I. Villaescusa. Assessment of mammography spectra using compton spectrometry techniques, Radiation protection dosimetry, 116(1-4) (2005) 627–630. [6] Z. Shafahi, S. Sina and R. Faghihi. Comparison of TSVD, MTSVD, and Tikhonov unfolding methods for reconstruction of X-ray spectra, Radiation Physics and Chemistry, 166(2020) 108437. [7] Los Alamos Scientific Laboratory. Group X-6. (1979). MCNP: a general Monte Carlo code for neutron and photon transport. Los Alamos, N.M.: [Springfield, Va.]:Dept. of Energy, Los Alamos Scientific Laboratory; [for sale by the National Technical Informan. [9] MathWorks, Inc. (1996). MATLAB: the language of technical computing: computation, visualization, programming: installation guide for UNIX version 5. Natwick:Math Works Inc. [10] G.D. Morrison, (1998). Catalogue of Diagnostic X-ray Spectra and Other Data (IPEM Report 78), K. Cranley, B.J. Gilmore, G.W.A. Fogarty, L. Desponds (Eds.). The Institution of Physics and Engineering in Medicine and Biology (1997), ISBN: 090418188X. [11] F.A. Scannavino and P.E. Cruvinel. A graphical tool for an analytical approach of scattering photons by the Compton effect, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 674(11) (2012) 28–38.