基于GATE的PET仿真环境的实现与应用

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1 基于GATE的PET仿真环境的实现与应用
郑州大学物理工程学院 张斌，赵书俊，张士勋，刘豪佳

2 1 摘要 正电子发射断层成像（PET）是生物活体代谢功能成像工具，而GATE是一款基于Monte Carlo方法的PET/SPECT设备专用仿真软件。实践中，在Ubuntu操作系统平台上，利用GATE建立了PET的仿真环境，并利用benchPET示例程序实现了PET设备仿真。

3 2 PET的工作原理和结构 图1 正电子湮没与探测原理图 图2 结构示意图

4 3 GATE的特点 Geant4是在核物理和粒子物理研究领域中得到广泛应用的Monte Carlo软件包，GATE（Geant4 Application for Tomographic Emission）是Geant4关于发射断层的具体应用 。它提供基于通用代码的全面的物理建模能力，能够直观地配置发射断层仿真系统，包含已经验证有效的物理模型、能设置复杂扫描装置几何形状的建模工具、探测器电子响应模型以及高效的可视化应用程序。

5 3 GATE的特点 1 结构特点 GATE将Geant4的库文件封装成一系列的层结构，包括核心层、应用层和用户层。 图3 GATE的结构

6 3 GATE的特点 2 脚本语言 在用户层，GATE提供了用脚本语言进行交互式仿真和批处理仿真的机制。这种描述性的脚本语言以树状结构组织，对于用户来说易学易用。例如任何对几何结构进行设置的命令都在“/geometry/”分支下面，命令“/gate/crystal/geometry/setXLength 40 cm”就表示把晶体在X轴的长度设为40cm。

7 3 GATE的特点 3 同步时间相关过程 GATE的一个重要的创新是它可以同步所有与时间相关的物理过程，如探测器的各种运动、放射源的衰变动力学等，这样可以更精确地仿真实际物理过程，并测试动态重建算法。 如：我们可以用下面的命令对探测器的运动进行建模：/gate/scanner/moves/insert rotation /gate/scanner/rotation/setspeed 3.6 deg/s

8 4 GATE仿真环境的建立 本实践中，GATE仿真环境基于Ubuntu 操作系统，编译器使用gcc4.3。 GATE安装分为两个步骤：
1 安装Geant4及其所需工具软件（如CLHEP，ROOT等)。 2 安装GATE本身。

9 4 GATE仿真环境的建立 首先分别执行configure和make命令来完成CLHEP和ROOT的配置和安装。ROOT安装完成后会在bin文件夹下生成thisroot.sh文件 。 然后安装Geant4：执行./Configure -build进行配置，有些选项采用逐项问答式，要求用户对Geant4进行配置。配置完成后执行./Configure -install进行安装。如果安装顺利完成，执行./Configure进行安装后的再配置，最后会在安装目录中生成env.sh文件。

10 4 GATE仿真环境的建立 安装GATE： 首先设置GATE安装前的环境：分别执行执行Source env.sh和 source bin/thisroot.sh来设置Geant4和ROOT的环境变量。接下来设置环境变量GATEHOME，最后编译GATE，完成后终端下建立链接：sudo ln Gate /usr/bin/Gate，然后在终端窗口中键入Gate即可启动GATE。

11 5 仿真过程 GATE仿真一般包括以下过程：构造探测器的几何模型；构造扫描对象的几何模型；设置粒子传输参数；设置前端电子学功能与特性；设置示踪剂分布；设置数据输出格式；获取并输出数据。 我们采用GATE自带的benchmarkPET示例进行测试，它包括：benchPET.mac；camera.mac； phantom.mac ； vis.mac； physics.mac； digitizer.mac；sources.mac。

12 5 仿真过程 树状结构： World--head—module—block—crystal 探测器有8个头，每个头包括4*4个模块,每个模块包括5*5个块，每个块包括5*5个晶 体，晶体为双层，内层LSO晶体，外层BGO晶体。 图4 探测器结构图

13 5 仿真过程 程序示例： # HEAD /gate/cylindricalPET/daughters/name head
/gate/cylindricalPET/daughters/insert box /gate/head/placement/setTranslation cm /gate/head/geometry/setXLength 8.0 cm /gate/head/geometry/setYLength 32.0 cm /gate/head/geometry/setZLength 40.2 cm /gate/head/setMaterial Air /gate/head/vis/setVisible 0

14 5 仿真过程 在终端直接执行Gate benchPET.mac，或在GATE启动后执行/control/execute benchPET.mac即可开始仿真过程。数据采集完成后，会生成benchmarkPET.root数据文件，使用ROOT对该文件进行分析可得到探测器的相关参数。

15 6 仿真结果 图5 轴向真符合事件计数值 图6 轴向探测计数值 图7 sino图

16 7 总结 GATE是针对PET/SPECT的开源专用仿真软件，它基于通用的蒙特卡罗仿真程序包Geant4，并增加了许多全新的特性，为科研人员设计制造PET提供了一个专业基础仿真平台。 本文描述了建立GATE的运行环境的详细过程，得出了初步的仿真结果。在此基础上，下一步将对具体型号的小动物PET进行全方位仿真，评估其性能，以优化其设计。