Resumo: A radiografia do tórax é um exame comumente realizado que se tornou especialmente importante durante a pandemia de COVID-19. Devido aos riscos associados à exposição à radiação ionizante, estudos que se concentram na aquisição e otimização de imagens radiográficas usam métodos computacionais, em especial a simulação Monte Carlo (MC) variando diferentes parâmetros e tecnologias sem expor pacientes. No entanto, a maioria dos códigos MC sobrestimam a resolução espacial de detectores e modelam as etapas de detecção apenas considerando o ruído quântico, sem incluir outras componentes de ruído presentes em um detector real. Como resultado, um modelo de detector mais realista pode afetar significativamente a qualidade da imagem final. Além disso, uma modelagem mais realista da detecção por simulação MC é dificultada porque vários códigos, por exemplo o PENELOPE, não simulam campos elétricos e a estrutura cristalina em sólidos, que são parâmetros importantes a serem considerados em um detector real. Este estudo se concentra na implementação das etapas de criação e transporte de pares elétron-buraco (EHP) em detectores semicondutores no código MC PENELOPE e avaliar o impacto da modelagem detalhada do processo de detecção na aquisição e otimização de tecnologia de imagens. A inclusão do transporte de cargas no código PENELOPE foi chamada de THOR (Transport of electrons and HOles in semiconductoRs). Dentre os materiais de detecção, os semicondutores foram escolhidos pois são um dos materiais mais usados em radiografia devido a sua característica de converter raios X em carga elétrica diretamente, resultando em menos perdas no processo de detecção. O código THOR foi validado usando estudos na literatura por meio das grandezas: Fator Swank, Função de Transferência de Modulação (MTF), Espectro de Potência de Ruído (NPS) e Eficiência Quântica de Detecção (DQE), resultando em diferenças relativas inferiores às incertezas de simulação. Além disso, o código foi usado para explorar diferentes características dos detectores: material e espessura do sensor, tamanho de pixel e campo elétricos aplicados. Para quantificar influência na aquisição de imagens, foram realizadas simulações usando os códigos sem e com o transporte de EHP. A geometria de simulação consistiu em objetos simuladores homogêneos compostos de tecido mole, dois modos de detecção (integração de energia e contagem de fótons), dois materiais de detecção (a-Se e CdTe) e feixes polienergéticos. As imagens foram avaliadas usando o contraste, relação sinal-ruído (SNR) e relação contraste-ruído (CNR). Além disso, o histograma do valor do pixel de cada imagem foi construído para explorar as diferenças entre os códigos e usar técnicas de processamento de imagem, como janelamento de histograma para aumentar o contraste. Portanto, a inclusão do transporte EHP na simulação do detector resulta em mudanças nas imagens radiográficas tanto qualitativa quanto quantitativamente. Além disso, o código THOR desenvolvido neste trabalho pode ser usado para explorar novos tipos e configurações de detectores, mostrando possibilidades promissoras além do escopo deste trabalho Ver menos

Abstract: Chest radiography is a commonly performed exam that has become especially important during the COVID-19 pandemic. Due to the risks associated with exposure to ionizing radiation, studies that focus on the acquisition and optimization of radiographic images use computational methods, especially Monte Carlo (MC) simulation, varying different parameters and technologies without exposing patients. However, most MC codes overestimate the detector's spatial resolution and model the detection steps only considering quantum noise, without including other noise components present in a real detector. As a result, a more realistic detector model can significantly affect the quality of the final image. Furthermore, a more realistic modeling of detection by MC simulation is difficult because several codes, for example PENELOPE, do not simulate electric fields and the crystalline structure in solids, which are important parameters to be considered in a real detector. This study focuses on the implementation of the creation and transport steps of electron-hole pairs (EHP) in semiconductor detectors in the MC PENELOPE code and evaluate the impact of detailed modeling of the detection process on the acquisition and optimization of imaging technology. The inclusion of charge transport in the PENELOPE code was called THOR (Transport of electrons and HOles in semiconductoRs). Among the detection materials, semiconductors were chosen because they are one of the most used materials in radiography due to their characteristic of directly converting X-rays into electrical charge, resulting in less loss in the detection process. The THOR code was validated using studies in the literature through the magnitudes: Swank Factor, Modulation Transfer Function (MTF), Noise Power Spectrum (NPS) and Detective Quantum Efficiency (DQE), resulting in relative differences lower than the simulation uncertainties. Furthermore, the code was used to explore different characteristics of the detectors: sensor material and thickness, pixel size and applied electric fields. To quantify the influence on image acquisition, simulations were performed using the codes with and without EHP transport. The simulation geometry consisted of homogeneous phantom objects composed of soft tissue, two detection modes (energy integration and photon counting), two detection materials (a-Se and CdTe) and polyenergetic beams. Images were evaluated using contrast, signal-to-noise ratio (SNR) and contrast-to-noise ratio (CNR). Furthermore, the histogram of the pixel value of each image was constructed to explore the differences between the codes and use image processing techniques such as histogram windowing to increase the contrast. Therefore, the inclusion of the EHP transport in the detector simulation results in changes in the radiographic images both qualitatively and quantitatively. Furthermore, the THOR code developed in this work can be used to explore new types and configurations of detectors, showing promising possibilities beyond the scope of this work Ver menos