EEssttiimmaattiinnggPPaattiieennttRRaaddiiaattiioonnDDoossee ffrroommCCoommppuutteeddTToommooggrraapphhyy

CC..CCaaggnnoonn,, JJ..DDeeMMaarrccoo,,EE..AAnnggeell,,MM..MMccNNiitttt --GGrraayy

UCLADavidGeffenSchoolofMedicine

1 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 AAddvvaanncceessiinnTTeecchhnnoollooggyy......

 HHeelliiccaallCCTT::HHiigghhoouuttppuuttXX --rraayyttuubbeess,,ccoonnttiinnuuoouuss ggaannttrryyrroottaattiioonn//ttaabblleemmoottiioonn  MMDDCCTT::OOvveerrppaasstt1155yyeeaarrssttoottaallddeetteeccttoorrrroowwss aannddbbeeaammwwiiddtthhhhaavveeiinnccrreeaasseedd − 2,4,8,10,16,20,32,40,64,128,256,andnow320 slicescanners  BBeeaammwwiiddtthhuuppttoo1166ccmm  SSppeeeedd –– ggaannttrryyrroottaattiioonnttiimmeeddoowwnnttoo11//33sseecc →→ ......

2 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 IInnccrreeaassiinnggssccaannssppeeeedd&&aannaattoommiiccaall ccoovveerraaggee  IImmpprroovveeddtteemmppoorraallrreessoolluuttiioonn ““ffrreeeezzeess ”” pphhyyssiioollooggiiccmmoottiioonn − Scanentirechestinabreathhold(10sec) − Scanentireinaheartbeat(1rotation)  GGrroowwiinnggnnuummbbeerrooffcclliinniiccaallaapppplliiccaattiioonnss − Emergencyroomtraumascanning − Cardiacapplications − Perfusionstudies(repeatedscansinonelocation) − Oncologytreatmentplanning  ((…… aannddbbiilllliinnggooppppoorrttuunniittiieess)) →→ ...... 3 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 MMoorreeppeeddiiaattrriiccaapppplliiccaattiioonnss

 FastscannersallowforpediatricCTimagingthat previouslymayhaverequiredanesthesia,etc.  200%increaseinpediatricCToverlastfewyears D.Frush  Concerns − ↑ radio -sensitivity − ↑ organandeffectivedoses,particularlywhentechnicalfactors arenotadjusted  600,000annualCTscansonchildrenunder15might resultin500additionaldeathsfromIR D.Brenner - AJR

4 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCTTddoossee::AAccoonncceerrnn??

 AAssooff22000066,,6622mmiilllliioonnCCTTpprroocceedduurreess ppeerrffoorrmmeeddaannnnuuaallllyy AAPM96/IMVReportinCT

 IInnUU..SS..,,CCTTccoommpprriisseessoonnllyy1155%%ooffaalllleexxaammss bbuuttggeenneerraatteess7700%%ooffddeelliivveerreeddddoosseeddoossee Mettler 2003

5 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008  DDiiaaggnnoossttiiccXX --rraayyccoonnttiinnuueessttooiinnccrreeaasseeiinn pprrooppoorrttiioonnoofftthheeppooppuullaattiioonn ’’ssttoottaall eexxppoossuurreettooII..RR.. − 11%oftotalburdenin1980to17%in2000 − Upto60%ofmanmadeexposure  PPrrooppoorrttiioonnoofftthhaattbbuurrddeenndduueettoo CCTT hhaass ddrraammaattiiccaallllyyiinnccrreeaasseeddiinnllaassttttwwooddeeccaaddeess − Growingatrateof10 -15%annually

NEXT – CT Shrimpton & Edyvean Mettler

6 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCTTaassaaSSccrreeeenniinnggTTooooll??

 RRiisskkvvss..bbeenneeffiitt −− wwhheennssccaannnniinnggaassyymmppttoommaattiiccppaattiieennttttoo rreennddeerraaddiiaaggnnoossiiss

vvss..

−− WWhheennuusseeddaassaassccrreeeenniinnggttoooolloonnaann aassyymmppttoommaattiiccppooppuullaattiioonn

7 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 FFeeddeerraallSSttaannccee ((2005)

 XX--rraayyssooffffiicciiaallllyyiinndduucctteeddttooFFDDAAlliissttooff ccaarrcciinnooggeennss  SSaannccttiioonnoofftthheennoo --tthhrreesshhoollddmmooddeell  NNoossaaffeeddoosseeooffrraaddiiaattiioonn  AAnnyyiinnccrreeaasseeiinnddoosseeiinnccrreeaasseessrriisskk

8 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCTTDDoosseeddiissttrriibbuuttiioonnddiiffffeerrssffrroomm pprroojjeeccttiioonnaall

Unlike conventional projectional where beam exit energy is a fraction of entrance, in CT rotating source encircles the body so that PA and AP entrance dose are nearly identical leading to a more uniform dose distribution and ge nera lly high Absorbedenergyintissue(60keV) er o rgan 1 d ose

0.9

0.8 gn i n 0.7 rme i a

n 0.6 o i rt c a

f 0.5

0.4

0.3 0 10 20 30 40 depth(cm) 10 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCTTddoosseeppaarraaddiiggmm

TThhee llooccaall ttiissssuuee ddoossee ffrroomm aa ssiin sslliiccee iiss nno nggllee ott tthhee ssaammee aass tthhee ddoossee iinn tthhee vveerryy ssaammee ttiissssuuee wwhheenn aaddddiittiioonnaall aaddjjaacceenntt sslliicceess aarree mmaaddee...... bbeeccaauussee eeaacchh aaddddiittiioonnaall sslliiccee ssccaatttteerrss rraaddiiaattiioonn iinnttoo aaddjjaacceenntt sslliicceess..

11 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008  DD((zz))==ddoosseepprrooffiilleeaalloonnggzz --aaxxiissffrroomm::

Single slice acquisition Multiple slice acquisition

D(z) D(z)

z z 12 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 DDoosseeffrroommmmuullttiipplleesslliicceess

 Evenifnon -overlappingslices(andignoringbeam penumbra)scattertailsofmultiplecontiguousscans overlapandcontributetoanincreasedintegraldose profile 1.5  Functionof: −SingleScanProfileWidth(T)

−Numberofscans(N) 1 −Spacing(I) I

0.5 e s o d e v i t a l e r T Cas → e fo r I = 0. 0 5 T 0.0 50.0 10z0a.x0 islocation 150.0

13 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCoommppuutteeddTToommooggrraapphhyyDDoosseeIInnddeexx ((CCTTDDII)) –– ddeeffiinneedd Total areaof D(z ) underwidthT • ofcentralscanofmultiplescan CTDI = (1/T ) ∫ D(z)dz profile=totalareaofsinglescan - • doseprofile(includingscatter tails)

D(z) D(z)

z z T 14 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 MMeeaassuurriinnggCCTTDDII

 Singleaxialscan(inphantomto emulatepatientscatter)ofnominal beam thicknessNTwhere:

− NisnumberofslicesofthicknessT

 Wemeasurethetotalintegralarea D(z )ofthesinglescanwithpencilion 1° & scatter chamberlongenoughtocollect scatter scattertails

electrometer NT CCTTDDII –– FFDDAA

 FFDDAAddeeffiinneeddCCTTDDIIoovveerr1144sslliicceess((nniisstthhee nnuummbbeerrooffsslliicceess//aaccqquuiissiittiioonn))

7T  CTDI=(1/nT) ∫∫ -7T D(z) dz

 TThhiissaassssuummeeddtthhaattyyoouueeiitthheerrhhaadd:: − TLDs orfilmtomeasureD(z)profile...OR − A100mmchambercovering14 - 7mmslices − Canoverestimatedoseforthinslices

16 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCTTDDII 110000  Standardizes integrationlimitsacross100mmchamber (ratherthan14slicesofvaryingsize)

 1  5cm CTDI 100 =   D(z)dz → =( ELCf )/(NT)  NT ∫- 5cm w here • E=measuredvalueofintegratedexposure • L=activelengthofpencilionchamber,typically100mm • f=conversionfactorfromexposuretodose • C=electrometercalibrationfactor - typicallycloseto1.0

• N= actual numberofdatachannelsusedduringoneaxialscan • T=nominalslicewidthofoneaxialimage(scancollimation)

17 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008

be am col lima tion CCTTDDII 110000

 CTDI 100 Measurementsaredone: − InBothHeadandBodyPhantoms − UsingONLYAXIALscantechniques (CTDI=A reaunderthesinglescandoseprofile) − Atisocenterandatleastoneperipheralpositionineachphanto m

20 mGy 20 mGy

16 cm 20 10 20 20 10 20 32 cm 20

20

Head Body

18 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 QQuueessttiioonn::DDoosseettoowwhhaatt??

WhendeterminingCTDI 100 ,oneiscalculatingdoseto...?

11.. aaiirr 33% 22.. ttiissssuuee 20% 33.. aaccrryylliicc 40%

0% 44.. nnoonneeoofftthheeaabboovvee

7% 55.. CCTTDDII 100 iissnnoottaaffuunnccttiioonnooffmmaatteerriiaall WWhhaattffffaaccttoorrttoouussee??

 WWhheennddeetteerrmmiinniinnggCCTTDDII 100 ,,oonneeiissccaallccuullaattiinngg ddoosseettoo →→ aaiirr

AAPM Report 96: Measurement, Air - ffactorof0.87 rad /R Reporting, & Management of → Radiation Dose in CT (Jan-08) Tissue - ffactorof0.94 rad /R

Acrylic - ffactorof0.78 rad /R

CTDI FDA andoftenwhatvendorsreport

20 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCTTDDII ww 20 mGy  DuetoattenuationCTDIisnot 20 10 20 homogeneousacrosstheFOV – particularlyin32cmbodyphantomwhere 20 gradientbetweenperipheryandcenteris onorderof2:1  Toarriveatasingledescriptivevaluewe usea weightedaverage ofcenterand

peripheralCTDI 100

C , c + , p CTTD 10 , ent + (( 10 , eriip DIIw 0 er 22//3 0 her w == 3)) CC rall ((11// TTDDI 33)) CC I TTDDII 21 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCTTDDII ww LLiimmiittaattiioonnss

CTDIw does describe dose within a ssiin nggllee xx,,yy  measured for a single aa scan sscca xxiiaall ann pp llaanne  does reflect scatter contributions from adjacent sceans  assumes contiguous, non-overlapping scans

CTDIw ddoo ... eess n noott  describe dose for helical scans (t thou gh cllos e fo  do well for non-adjacent slices frequently ser epinit in tch helical scanning where X-ray beam may overlap =1) (common with MDCT) or where extended pitch leaves gaps between rotations.

22 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 VVoolluummeeCCTTDDII((CCTTDDII vvooll ))  CCaallccuullaatteeddffrroommCCTTDDIIww  RReepprreesseennttsstthhee aavveerraaggeeddoossee iinntthheecceennttrraall rreeggiioonnooffaammuullttiipplleessccaanneexxaamm  AAvveerraaggeessoovveerrxx,,yy aanndd zz  AAccccoouunnttssffoorrhheelliiccaallppiittcchh

CTDI vol = 1 • CTDI w pitch

PITCH = table index per rotation (I) / to nominal scan width (NT) tal

23 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 QQuueessttiioonn : WhichofthefollowingCTscanprotocols - all madeondifferentscannerswithsimilarmeasuredCTDI 100 values - wouldyouexpecttoresultinthehighest CTDI vol ? (Allaredoneat120 kVp andidenticalbeamcollimations)

11.. mmAA ==440000,,rroottaattiioonnttiimmee==00..55sseecc,,ppiittcchh==11 0% 22.. mmAA ==110000,,rroottaattiioonnttiimmee==11sseecc,,ppiittcchh==00..55 17% 33.. EEffffeeccttiivvee mmAAss ==220000,,ppiittcchh==00..55 17% 4. Effective mAs =200,pitch=1 17% 4. Effective mAs =200,pitch=1

50% 55.. TThheerreeiissnnooddiiffffeerreenncceeiinn CCTTDDII vol ffoorrtthheessee pprroottooccoollss Notallscannersprovidesameinformationtouser:Siemens&Phi lips useconceptof “effective mAs ” whichalreadytakespitchintoaccount

Effective mAs =( mA *sec)/pitch

1. mA = 400, rot. time = 0.5 sec, pitch = 1: e ff. m mAs = ( 2. mA = 100, rot. time = 1 sec, pitch = 0.5: eff 400 f.mA *0. As = 5)/1 (1 1 = 3. Effective mAs = 200, pitch = 0.5: eff 00* 200 .mA 1)/0 s = 0.5 200 = 2 4. Effective mAs = 200, pitch = 1 eff. 0 00 mAs s = 200 5. There is no difference in CTDIvol for these protocols – allll hav e th e sa ame eff ecti ive m mAs 25 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCTTDDIILLiimmiittaattiioonnss

 SSaayyssnnootthhiinnggaabboouutt lleennggtthh ooffssccaann......

26 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CTDI vol =20mGy

CTDI vol still =20mGy

Howdowerepresentthegreaterbiologicrisk?

27 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 DDoosseeLLeennggtthhPPrroodduucctt((DDLLPP))

 RReepprreesseennttss iinntteeggrraatteeddddoossee iinntteerrmmssooff ttoottaallssccaannlleennggtthh((##sslliicceess •• sslliicceewwiiddtthh))

 DDLLPP==CCTTDDII vvooll ((mmGGyy)) •• ssccaannlleennggtthh ((ccmm))  DDLLPPrreefflleeccttssttoottaalleenneerrggyyaabbssoorrbbeedd

28 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 DLP=200mGy •cm CTDI vol =20mGy ten 1-cmslices

CTDI still =20mGy DLP= 400 mGy •cm vol twenty1 -cmslices

29 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 DDLLPPffrroomm CCTTDDII vvooll

AAPMReport96

30 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 PPrroobblleemmsswwiitthhCCTTDDIImmeetthhooddoollooggyy

 AAssssuummeesseennttiirreessccaatttteerrttaaiillssaarreeccaappttuurreeddiinntthheeiirr eennttiirreettyybbyytthheecchhaammbbeerr

 IInnbbooddyypphhaannttoomm,,CCTTDDII 100 uunnddeerreessttiimmaatteess MMSSAADD((ffoorrppiittcchh11))bbyyaapppprrooxxiimmaatteellyy3300%% (Boone)  TThheewwiiddeerrtthheeccoolllliimmaattiioonntthheewwoorrsseetthheepprroobblleemm ((MMDDCCTT2255&&3300mmmmbbeeaammwwiiddtthhssnnoowwccoommmmoonn,, 116600mmmmnnoowwbbeeiinnggiinnttrroodduucceedd))

31 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 PPrroobblleemmsswwiitthhCCTTDDIImmeetthhooddoollooggyy

 Chamberis100mm&phantomis 150mmlength  Chamberunder -reports:cancapture primary,butscattertailsarelost 1° & scatter  Howtomeasurewiderbeams? scatter − Longerphantoms&pencilchambers Expensive&impractical

− Multiplescanswithsmallchamber Maybesensitivetodose inhomogeneities or “dosestriping ” nT fromdivergingbeam(especiallyat periphery)andtubeposition

32 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCTTDDIILLiimmiittaattiioonnss::IInnccrreeaassiinnggbbeeaammwwiiddtthh ……

1x5 4x1 16x0.5 64x0.5 320x0.5 1998 2001 2004 2007 Courtesy K. Geleijns

(Le idin Univ 33 PatientDosefromCT Ceargsnion - ACMP2008 ty, T he N ethe rlan ds) Courtesy K. Geleijns

(Le idin Univ ersi ty, T he N ethe CTDI100 rlan ds)

CTDI300

34 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 Courtesy K. Geleijns

Correctionfactors … (Le Correctionfactors … idin Univ ersi ty, T he N ethe rlan ds)

35 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 Small volume measurement devices can be sensitive to non-uniform CT radiation pattern – particularly at surface

Film profile @ surface

As well as p has in helical scans e (po siti a on o De t s f t Mar tar ub 32 cm CTDI phantom co ‘ t o e 05 f sc con axials an) tigu ous

36 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 MMDDCCTTddoosseeeeffffiicciieennccyy::OOvveerr --bbeeaammiinngg

For each detector row in MDCT to see same radiation intensity, all must be located in the umbra region of beam, the penumbra (which could be integrated into the signal of a single detector) is not utilized and adds to patient dose

Percentage loss greatest with relatively few detector rows

Cody,etal.ReportofCTdosefor MDCTscannersusedinNLST - suggestsimproveddoseefficiencyin morecomplexscanners. 4 x 1 1m 6 x m 1.25 mm

37 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 PPhhaannttoommssvvss..PPaattiieennttss

 Phantomseasytoworkwith - symmetric,homogeneous,and standardized.Patientsexhibitnoneof thesefeatures  Notagoodestimateforobjectsthat varyinsizeandshapefromreference cylinders − CTDItendstooverestimatedoseforlarge patientsandunderestimateforsmall/pediatric patients − Withoutdosemodulation,entrancedose increasedinthelateralrelativetotheAP projection(1/r 2 source –skindistance)

38 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 WWhhaattiisstthheeqquueessttiioonnbbeeiinnggaasskkeedd??

 CCTTDDIImmaayypprroovviiddeeaauusseeffuullbbeenncchhmmaarrkkffoorr ccoommppaarriinnggssccaannnneerrssaannddpprroottooccoollss  BByyiittsseellffCCTTDDIIiissnnoottaaggooooddeessttiimmaatteeooff oorrggaannddoosseeoorrrraaddiiaattiioonnrriisskk  TTooeessttiimmaatteerriisskkwweenneeeeddttooiinnvveessttiiggaattee ddoosseettoooorrggaannssaannddEEffffeeccttiivveeddoossee

39 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 EEffffeeccttiivveeDDoossee((HH EE))

 Efforttoequatethepartialbody ICRP60 wT values exposureofdiagnosticX -raytoa wholebodyequivalentstochastic risk gonads 0.2 stomach 0.12 colon 0.12 0.12

HHE((SSvv ))== SS wwT ¥¥ HHT ((SSvv )) marrow 0.12 breast 0.05

esophagus 0.05 bladder 0.05

liver 0.05 thyroid 0.05  wT valuesaretissueweighting factorsthatassignstochasticrisk bone 0.01 skin 0.01 relativetoradiatingwholebody surfaces remainder 0.05

40 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 DDeetteerrmmiinniinnggTTiissssuuee//OOrrggaannDDoossee??

 TTLLDDss aanndd MMOOSSFFEETTss oonnaanntthhrrooppoommoorrpphhiicc pphhaannttoommssaanniimmpprroovveemmeennttoovveerrhhoommooggeenneeoouuss ppllaassttiiccccyylliinnddeerrss,,bbuutt...... − Absolutedosemeasurementsrequirereference calibrationofsolidstatedetectorsandappropriate energycorrections − “Point ” measurementsmustbeextrapolatedtoorgans, wholebody. − Measurementsspecifictoagivenphantomsize, habitus , andcompositionnotnecessarily generalizable toactual patients

41 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 OOrrggaannddoosseewwiitthhMMoonntteeCCaarrlloo

 CCoommppuuttaattiioonniinntteennssiivveemmeetthhooddtthhaattttrraacckkss llaarrggeennuummbbeerrssooffiinnddiivviidduuaallpphhoottoonnss tthhrroouugghhmmaatthheemmaattiiccaallmmooddeellssooffpphhaannttoommss aannddppaattiieennttssaannddccaallccuullaatteessddoossee ddeeppoossiittiioonnffrroommiinnddiivviidduuaallpphhoottoonn//ttiissssuuee iinntteerraaccttiioonnpprroocceesssseess

42 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 MMoonntteeCCaarrllooddoosseeeessttiimmaatteessooffssttaannddaarrdd pphhaannttoommmmooddeell

 NRPB:MonteCarlotransportofCTspectra throughMIRDphantom  Basedonmathematicallydescribedorgan modelsofastandard,hermaphroditic,adultof giventissuecomposition.  Doseestimatesbasedonoriginal,contiguous axialscandatafromearlierscannersbutcan acceptinputforhelical,modernMDCT protocolswithscanner “matching ” factors.  InputCTmodel,scanprotocol,andscanextent anddatabasegeneratestableoforgandoses andaneffectivedose.  Multiplemethodshaveevolvedorarederived fromthismethod (Huda,Atherton, ImPACT , LeHeron , Kalendar )

43 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 NNoorrmmaalliizzeeddeeffffeeccttiivveeddoossee(( kk))ccooeeffffiicciieennttss

 EEuurrooppeeaannWWoorrkkiinnggGGrroouupp -- CCTTQQuuaalliittyygguuiiddeelliinneess  SSeettooffffaaccttoorrssrreellaattiinnggMMoonntteeCCaarrlloobbaasseeddoorrggaann ddoosseettooDDLLPPvvaalluueess  SSttaannddaarrddiizzeessCCTTddoosseerreeppoorrttiinnggffoorrttyyppiiccaallssccaannss  TThhuusseeffffeeccttiivveeddoossee ccaannbbeeeessttiimmaatteedd ((wwiitthhiinn1100%%)) ddiirreeccttllyyffrroommDDLLPPvvaalluueess((wwhhiicchh ccaannbbeemmeeaassuurreedd iinnpphhaannttoommaanndd//oorroobbttaaiinneeddffrroommssccaannnneerrccoonnssoollee))

44 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 EEffffeeccttiivveeddoossee ªª ((kk))**DDLLPP

AAPMReport96

45 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 EExxaammppllee:: ““LLoowwddoossee ”” CChheessttpprroottooccooll

 Protocol:120 kVp ,80 mA ,0.5sec.rot.,4x2.5beamwidth

 100mmpencilchamberatcenterpositionof32cmphantomreading: 26.7 mR

 CenterCTDI 100 =( ELCf )/(NT)=2.3 mGy

(26 .8mR )( 100 mm )( 1.0)( 0.87 rad / R) 1R 10 mGy • ( • )= 2.3mGy (4)( 2.5mm ) 1000 mR rad

 Similarly,CTDI 100 at12:00=4.7 mGy

 CTDI w =(2/3center+1/3periphery)= 3.9 mGy

46 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 EExxaammppllee:: LLoowwddoossee CChheessttpprroottooccooll

 ApplyingthemeasuredaxialCTDIvaluestoahelicalprotocolwh ere thetable incrementation is15mm/rotation

 CTDI vol = CTDI w/pitch= CTDI w x(NT)/I= CTDI w (4x2.5/15) =(3.9 mGy )(0.667)= 2.6 mGy  Assuminga35cmlongchest: DLP =(2.6mGy)(35)= 91 mGy -cm

 Andusingthekfactorforanadultchestof0.014: Effectivedose =(91)(0.014)= 1.3 mSv

47 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 LLiimmiittaattiioonnssooffccuurrrreennttddoossee ddeetteerrmmiinnaattiioonnmmeetthhooddss

 NospecificmodelingofMDCT − Schmidt& Kalendar recentlymodeledSiemensVol.Zoom  MDCThavebroaderbeamwidths,differentshape& compositionofbow -tiefilters,shorterfocalto isocenter distances  Helicalscannershavevariablepitch(0.5 -2)andintroduce non -contiguousslices  Recentadventoftubecurrentmodulation - bothinplane andlongitudinallyalonggantryaxis - requiresspecific modelingtechniquestosimulate

48 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 LLiimmiittaattiioonnss  EExxttrraappoollaattiinnggccaallccuullaatteeddoorrggaann ddoosseeeessttiimmaatteessffoorr mmaatthheemmaattiiccaallmmooddeellssooffaa ssttaannddaarrddmmaannttooaaccttuuaall ppaattiieennttssiisspprroobblleemmaattiicc  AAccttuuaallppaattiieennttssiizzee&& mmoorrpphhoollooggyyccaannhhaavvee ssiiggnniiffiiccaannttiimmppaaccttoonnddoossee (Huda,Cody) aassccaannaaggee,,ggeennddeerr,, aannddeetthhnniicciittyy

49 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 NNeexxttsstteepp →→

SSppeecciiffiiccssccaannnneerr,,ssccaannpprroottooccooll,,aanndd ppaattiieennttmmooddeelliinngg

MMoonntteeCCaarrlloossiimmuullaattiioonnsstthhaattmmooddeellccuurrrreennttMMDDCCTT ssccaannnneerrssiinnhheelliiccaall((oorraaxxiiaall))mmooddeettrraannssppoorrttiinngg pphhoottoonnsstthhrroouugghh vvooxxeelliizzeedd mmooddeellssooffrreeaallppaattiieennttss

50 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 MMooddeellsstthhaatteexxpplliicciittllyyssppeecciiffyyssccaannnneerr&& ssccaannggeeoommeettrryyiinncclluuddiinngg::

−− SSoouurrcceettoo iissoocceenntteerr −− BBeeaammccoolllliimmaattiioonn −− BBeeaammppaatthh((hheelliiccaall,,nnoonnccoonnttiigguuoouuss,,eettcc.. −− BBeeaammssppeeccttrruumm((vveennddoorrssuupppplliieedd)) −− BBooww --ttiieeeeqquuaalliizzaattiioonnffiilltteerr((mmooddeelleeddoonn pprroopprriieettaarryyvveennddoorriinnffoorrmmaattiioonnooffsshhaappeeaanndd ccoommppoossiittiioonn))

51 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 Collimation & scanner geometry

j CT X-ray spectra q directionvectors (u,v,w) f( w, q,& j )

w

sampledsource position:x,y,z

CT source: U S ser can def ner ined & P , roto col Spe Bow-tie filter cific

52 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 MMoonntteeCCaarrllooSSiimmuullaattiioonnAApppplliiccaattiioonn:: EEvvoolluuttiioonnooffPPhhaannttoomm DDoossiimmeettrryy

Calculate irradiation patterns, organ Model and benchmark against dose, whole-body effective dose in “conventional” dosimetry phantoms patient-specific voxelized phantoms PPaattiieennttBBaasseeddPPhhaannttoommss Voxelized PatientModels − From GSF (Petoussi-Henss, Zankl et al, PMB, 2002) − Visible Human based upon the CT data from the Visible Human Project of the National Library of Medicine

Body -Mass GSFModel Age(yr) Gender Weight(kg) Height(cm) Index(kg/m 2) Baby 8wks Female 4.2 57 12.9 Child 7 Female 22 115 16.4 Irene 32 Female 51 163 19.2 Golem 38 Male 69 176 22.2 Donna 40 Female 79 170 27.3 Frank 48 Male 65* 97* *** Helga 26 Female 81 170 28.0 VisibleHuman 38 Male 103 180 30.9 PPaattiieennttBBaasseeddPPhhaannttoommss

The GSF data is se basgemd upon or enta gan tionof the original CT scan sets.

ICRU 44 elemental composition and mass density

GGSSFF -- GGoolleemm

55 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 PPaattiieennttbbaasseedd::SSiimmuullaattiioonnSSccaannPPrroottooccoollss

 Foreachsizepatientmodel,simulatewhole -bodyscan (MDCTscanner - GE Lightspeed 16) ,mapping HUs oftissues intoMonteCarlomaterials  Evaluate: − organdose − whole -bodyeffectivedose  ScanProtocol: − Topofheadtomid -thigh − Helicalscan,pitch=1,120kVp − BodybowtieforAdults,headbowtieforBabyandChild − 16x1.25mmnominalbeamcollimation − Onaper100mAsbasis

56 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 QQuueessttiioonn :: OOnnaannoorrmmaalliizzeedd -- ppeerr mmAAss bbaassiiss((ee..gg.. mmSSvv//mmAAss )) -- hhoowwwwoouullddyyoouueexxppeecctteeffffeeccttiivveeddoossee ttoovvaarryywwiitthhiinnccrreeaassiinnggppaattiieennttssiizzee//wweeiigghhtt?? 11.. IInnccrreeaassee

22.. DDeeccrreeaassee

20% 33.. RReemmaaiinntthheessaammee 20% 20% 44.. CCaannnnoottbbeeddeetteerrmmiinneedd 20% 55.. EEffffeeccttiivveeddoosseeiissiinnddeeppeennddeennttooffppaattiieenntt 20% ssiizzee 10 PPaattiieennttbbaasseedd –– WWhhoolleeBBooddyySSccaann 25.0 )

20.0 D eMa rco, et al, 2 15.0 007 s A m 0 0 1 / v S m (

10.0 e v i t c e f

f E e s 5.0

0.0 Increasing y a b d n ga m nk Body Size a il e n el u a ird B h n o H sH Fr o D y d o B e l o h W i M C re em D V I ol G Whole-Body Scan, Whole-Body Effective Dose (mSv per 100 mAs) RReessuullttss –– WWhhoolleeBBooddyySSccaann ) 30.0 D Lung

mA s e Mar co, 25.0 et a Liver 100 l, 2 007 Stomach 20.0 Colon mGy/

e( 15.0

10.0 anD os

gOr 5.0

0.0 vear ge

Increasing A y d e a k a b il n m n n g m D a h le n a l u R re o r e H I Body Size B C I o F H is M G D V

Whole-Body Scan, Average Organ Dose

59 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 RReessuullttss –– WWhhoolleeBBooddyySSccaann

22.0

Variation of Whole-Body 20.0 ie v y=0.0278x 2-1.7433x+38.151

Dose with W t c e eig f f 18.0 R2=0.9683 E ht … ) s A 16.0 22.0 y=-0.1001x+19.936 mmS0 /0 v 1

2 ( 14.0 e 20.0 R =0.9482

e oh ls o do y e D B 12.0 W ) 18.0 10.0 16.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0 iot y e s v c e D Ef f Body-MassIndex(kg/m2)

mS/m0 v 0 s 1 A 14.0 ( odB

hole 12.0 W … and B ody 10.0 Ma 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 ss Ind BodyWeight(kg) ex

60 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 LLuunnggSSccrreeeenniinnggPPrroottooccooll  FFoorreeaacchhmmooddeell,,ssiimmuullaatteelloowwddoosseelluunngg ccaanncceerrssccrreeeenniinnggpprroottooccooll  EEvvaalluuaattee −− wwhhoollee --bbooddyyeeffffeeccttiivveeddoossee −− oorrggaannddoosseettoolluunnggaannddtthhyyrrooiidd  SSccaannPPrroottooccooll − Thoracicinlettobaseof(intoliver) − Helicalscan,pitch=1.375,120 kVp − 16x1.25mmnominalbeamcollimation − 80 mAs (0.5secrotationtimeat160 mA )

61 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 RReessuullttss –– LLoowwDDoosseeTThhoorraacciiccSSccaann

3.0

2.0 DvL P s . o ar l

1.0 ton CM oef o

ati 0.0 R

y d e a a k d b il n m n g m n ir a h e le n l u a B C Ir o o e H r M G D H is F V

DLP = CTDI VOL ×(scan length )

Effective Dose mSv = DLP ×k

EuropeanGuidelines, Jessen ,1999 FFeettaallDDoosseewwiitthhMMDDCCTT

 Existingmethods: − Idealizedgeometricmodels Notpregnant − Singledoseestimate Limitedallowanceforpatientsize Singlegestationalage(<8weeks) Homogenousfetus − Nostandardoftruthforcomparison  Howwelldotheserepresentarangeof patientanatomies&gestationalage?

63 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 MMoonntteeCCaarrllooAApppprrooaacchh  ModelCTscannercharacteristics − GE LightSpeed 16,pitch1  Model27pregnantpatientsof gestationalageof<5weeksto37 weeks − Voxelized modelscreatedfromactual patientimagesets − includingearlyandlateterm − Mother ’ssize − Fetalsize − Gestationalage − Fetalcomposition(bone,tissue)

64 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 <<55wweeeekkss((ggeessttaattiioonnssaaccnnoottvviissiibbllee))

Uterus

Uterus

65 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 77wweeeekkss((eemmbbrryyoonnoottvviissiibbllee))

Gest.Sac Uterus

Gest.Sac Uterus

66 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 Average Maturity: 24 weeks

Fetus

Gest.Sac Uterus Most Mature Fetus: 36 weeks

68 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 VVooxxeelliizzeeddPPaattiieennttMMooddeellss

 RRaaddiioollooggiissttccoonnttoouurreeddoorrggaannss:: − Fetus(ifvisible) − Gestationalsac(ifvisible) − Uterus − Withinthefetus,voxelsassigned toboneorsofttissue  Outsideofuterus voxels assigned tooneof6tissuetypes(basedon HU):

− Lung,fat,water,muscle,bone,air 70 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 An gel, et FFeettaallrreessuullttss al. 2 008

Fetaldose(mGy/100 mAs )

METHOD Average Range

PatientSpecific 10.8 7.3 -14.3 (n=27) ImPACT (n=1) 12 *** (MIRDbaseduterinedose) Felmlee (n=1) 11.3 9-13.6 (sizeallowance+/ - 20%)

Comparison models (that don’t account for gestational age) tend to overestimate fetal dose

71 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 Normalized radiation dose d appear to correlate oes with gneosttational age …

but d correlate with oes mother’s perimeter

An gel, et al. 2 008 WWhhaattaabboouuttDDoossee//TTuubbeeCCuurrrreenntt MMoodduullaattiioonn??

 UUsseessccaannnneerr//ppaattiieennttssppeecciiffiiccmmooddeelliinngg ttooddeetteerrmmiinnee::

−− HHoowwmmuucchhiissoovveerraallllddoosseerreedduucceedd??

−− WWhhaatthhaappppeennssttooiinnddiivviidduuaalloorrggaannddoossee??

73 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 VVaarriiaabbllee mmAA MMoonntteeCCaarrlloommooddeell

 FFoorrvvaarriiaabblleettuubbeeccuurrrreenntt,,mmooddiiffyyssccaannnneerrXX -- rraayyssoouurrcceemmooddeellttoovvaarryyoouuttppuuttaassaaffuunnccttiioonn ooffggaannttrryyaannggllee((iinnppllaanneemmoodduullaattiioonn))aannddzz aaxxiissppoossiittiioonnaalloonnggssoouurrcceeppaatthh  UUsseeddaattaaffrroommaaccttuuaallppaattiieennttssccaanntthhaatt pprroovviiddeess:: − tubecurrentvs.tubeanglevs.tableposition − (mA vs. θ vs.z)

74 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 CCoonnvveennttiioonnaallLLoonnggAAxxiissMMoodduullaattiioonn

Shoulder Breast Lung Region Tissue Region Abdomen 600

500

400 180degrees

Am ) ( t (LAT ) 300

200 TuCbene ur r 90degrees 100 (AP)

0 0 50 100 150 200 250 300 TablePosition(mm) Siemens Sensation 16 EffectiveDoseTable (w/weightfactors) applied to GSF “Donna” (ex trap ola variablemA constantmA Ratio ted) Lung 0.750 1.473 1.96 Gonad 0.004 0.007 1.81 Skin 0.016 0.030 1.85 Liver 0.258 0.482 1.87 BoneMarrow 0.114 0.187 1.64 BoneSurface 0.040 0.065 1.64 Breast 0.284 0.581 2.04 Stomach 0.737 1.354 1.84 Thyroid 0.813 1.044 1.28 Esophagus 0.350 0.595 1.70 Bladder 0.000 0.001 2.37 Colon 0.073 0.166 2.28 RemainderOrgans 0.082 0.146 1.77 Total 3.522 6.131 1.74

RatioofmaximummAtoaveragemA=1.77 2.5 ) A m e l 2.0 b a i r a V

1.5

1.0 s v A m t n a t s n o C ( e s

o 0.5 D e v i

t c e 0.0

f f E f t l ng w e s s er s ta u ad ro c a ch u d n n o L n in r fa re a id ag d lo a T o k r a ur B o h la o rg G S e M S om r p B C O o o i t a iv t y o L ne e S h s er R o n T E B o nd B ai em R

Reference mA ??

77 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 DDoosseettooiinnddiivviidduuaalloorrggaannssffrroommttuubbee ccuurrrreennttmmoodduullaattiioonn??

 DDoosseerreedduuccttiioonniissrreellaattiivvee –– wwhhaattiiss ccoommppaarriissoonn mmAA ??  CCuurrrreennttwwoorrkkbbeeiinnggddoonneeoonneeffffeeccttooffddoossee mmoodduullaattiioonnsscchheemmeessoonnbbrreeaassttddoossee

78 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 VVooxxeelliizzeeddPPaattiieennttMMooddeell  Voxelizedmodelsfrom actualpatientimages  Radiologistcontouredbreasttissue − (glandular+adipose)  Glandulartissue automaticallysegmented  Lungtissue semi -automaticallysegmented − 5lungdensitycategories,dependingonHU  Voxelsoutsidethebreastandlungregionsautomatically assignedtomaterialtypes: − fat,water,muscle,bone,orair − furthersub -dividedinto17densitycategories,dependingonits HUvalue

79 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 *(asdefinedbyICRU44) OriginalImage Radiologist ’sContour

SegmentedImage VoxelizedModel glandular breast

lung PPaattiieennttssppeecciiffiiccccaallccuullaattiioonnssiinntthheecclliinniicc??

 ValidatedMonteCarlomodelingcanbeusedtoask specificquestionsandcouldserveasa “gold ” reference standard  Notgenerallypracticalonanindividualpatientbasis  PatientandscannerspecificMonteCarlomodeling probablybettersuitedforcharacterizingdose - and identifyingfactorsthateffectdose - acrossarangeof patient,scanners,andscanprotocols  Createdatatablesofscalingfactorstoallowestimation ofpatientandorgandosecalculatedfromstandardized measurementsmadeonaCTscanner

81 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 RReeccoommmmeennddeeddrreeaaddiinngg

 AAAAPPMMRReeppoorrtt9966::TThheeMMeeaassuurreemmeenntt,, RReeppoorrttiinngg,,aannddMMaannaaggeemmeennttooffRRaaddiiaattiioonn DDoosseeiinnCCTT((JJaann --0088))

82 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008 AAcckknnoowwlleeddggeemmeennttss

MMoonntteeCCaarrllooeeffffoorrttffuunnddeeddbbyy NNaattiioonnaallIInnssttiittuutteeooffBBiioommeeddiiccaall IImmaaggiinnggaannddBBiiooeennggiinneeeerriinngg GGrraannttRR0011EEBB000044889988

83 PatientDosefromCT Cagnon - ACMP2008