Commissioning of the MARS spectral photon-counting computed tomography scanner

Abstract

During computed tomography (CT) commissioning, image quality and radiation output of CT systems are investigated to assure compliance and set baseline reference values. In the proceeding quality assurance tests, the reference values are based on to assess performance deterioration of a CT system. Through the execution of commissioning on various systems in different clinics, global tolerance values are set, and these become the standards references. Nevertheless, there currently exists limited literature on the commissioning procedures per- taining to spectral photon-counting CT (SPCCT), which implies absence of standards or even adapted tolerance levels for these systems currently. Therefore, this study firstly aims to ensure reproducibility of the commissioning results reported in Gallego-Manzano et al. [1] by executing the same protocol and experiments therein and comparing the results after. The comparison was feasible because both the MARS scanner models (MARS Bioimaging Ltd., Christchurch, New Zealand) had similar technical specifications. The second goal of this study was to set baseline values that were to be referenced on in the future quality assurance tests. Finally, this study intended to examine SPCCT tolerances, that investigate the variation of the system performance from the typical standards that are currently set for clinical CTs. Owing to the smaller bore size compared to standard clinical CTs, all the phantoms im- plemented here for tests were fabricated while adapting them from existing clinical models. Technical performance metrics for image quality and radiation output were executed. Im- age quality performance metrics were HU uniformity, HU accuracy, slice sensitivity profile (SSP), and noise magnitude. Also, radiation output assessment metrics were exposure lin- earity, CTDIvol, and radiation protection. Operational performance was out of scope of this study because the scanner herein was to be implemented for preclinical research. The scanner’s material quantification potential was additionally investigated by demonstrating the dependence of high-Z material (iodine, gold, gadolinium, and calcium) Hounsfield Units on concentration and energy. The MARS scanner performance test results for all the tested metrics were comparable to those reported in Gallego-Manzano et al. [1]. For example, the in-plane and cross-plane spatial resolutions for 10 % of the MTF were 1.401 and 5.837 lp/mm, respectively. For 50 % of the MTF, it was 0.769 and 2.878 lp/mm respectively for the in-plane and cross-plane. The calculated effective slice thickness also ranged between 0.15 and 0.18 mm when the reconstructed voxel size was 0.1 mm × 0.1 mm × 0.1 mm. The only notable difference in the results was observed during radioprotection, where the dose rates herein were much lower than those in Gallego-Manzano et al., i.e., 0.300 versus 100 μSv/h [1]. The latter difference in the dose rates was attributed to the presence of the access port door during the scans herein, which absorbed most of the radiation. Throughout all the performance metric evaluations, baseline values were set. Although standard tolerances were defined for conventional non-spectral scanners, most of the scanner results herein conformed to the reported standard tolerances. Lors de la mise en service de la tomodensitométrie (CT), la qualité de l’image et les émissions de rayonnement des systèmes CT sont examinées afin d’établir des valeurs de référence de base. Lors des tests ultérieurs d’assurance qualité, ces valeurs de référence servent à évaluer la détérioration des performances d’un système CT. À travers la réalisation de mises en service sur divers systèmes dans différentes cliniques, des valeurs de tolérance globales sont définies et deviennent les références standard. Néanmoins, il existe actuellement une littérature limitée sur les procédures de mise en service relatives à la tomodensitométrie spectrale à comptage de photons (SPCCT), ce qui implique l’absence de normes ou même de niveaux de tolérance adaptés pour ces systèmes. Par conséquent, cette étude vise tout d’abord à assurer la reproductibilité des résultats de mise en service rapportés par Gallego-Manzano et al. [1], en exécutant le même protocole et les mêmes expériences décrits dans leur travail, puis en comparant les résultats obtenus. Cette comparaison fut réalisable car les deux modèles de scanners MARS (MARS Bioimaging Ltd., Christchurch, Nouvelle-Zélande) présentaient des spécifications techniques similaires. Le deuxième objectif de cette étude était d’établir des valeurs de référence de base à utiliser lors des futurs tests d’assurance qualité. Enfin, cette étude avait pour intention d’examiner les tolérances de la SPCCT, en explorant les variations des performances du système par rapport aux standards typiques actuellement établis pour les CT cliniques. En raison de la taille réduite de l’ouverture par rapport aux CT cliniques standard, tous les fantômes utilisés ici pour les tests ont été fabriqués en les adaptant aux modèles cliniques existants. Les métriques de performance technique pour la qualité d’image et les émissions de rayonnement ont été évaluées. Les métriques de performance liées à la qualité d’image comprenaient l’uniformité des nombres CT, la précision des nombres CT, le profil de sensibilité des coupes (SSP) et l’amplitude du bruit. De plus, les métriques de performance liées aux émissions de rayonnement incluaient la linéarité de l’exposition, le CTDIvol et la protection contre les rayonnements. La performance opérationnelle était hors du champ de cette étude, car le scanner étudié était destiné à la recherche préclinique. Enfin, le potentiel de quantification des matériaux du scanner a été examiné en démontrant la dépendance des unités Hounsfield des matériaux à haut Z (iode, or, gadolinium et calcium) en fonction de leur concentration et de leur énergie. Les résultats des tests de performance du scanner MARS pour toutes les métriques évaluées étaient comparables à ceux rapportés par Gallego-Manzano et al. [1]. Par exemple, les résolutions spatiales dans le plan et hors du plan pour 10 % de la MTF étaient respectivement de 1,401 et 5,837 lp/mm. Pour 50 % de la MTF, elles étaient de 0,769 et 2,878 lp/mm, respectivement dans le plan et hors du plan. L’épaisseur de coupe effective calculée variait également entre 0,15 et 0,18 mm lorsque la taille des voxels reconstruits était de 0,1 mm × 0,1 mm × 0,1 mm. La seule différence significative observée concernait la radioprotection, où les débits de dose mesurés étaient beaucoup plus faibles que ceux rapportés par Gallego-Manzano et al., à savoir 0,300 contre 100 μSv/h [1]. Cette différence dans les débits de dose a été attribuée à la présence de la porte d’accès pendant les scans, qui a absorbé la majeure partie du rayonnement. Lors de toutes les évaluations des métriques de performance, des valeurs de référence ont été établies. Bien que des tolérances standard soient fixées pour les scanners conventionnels non spectraux, la plupart des résultats obtenus ici étaient conformes aux tolérances standard rapportées.