基于GATE程序的MicroPET系统设计Monte Carlo模拟验证

MicroPET ( small animal positron emissiontomography)是基于PET成像技术发展起来的专门用于小动物的断层成像装置,它具有如下特点:体积小、结构紧凑、空间分辨率高;价格相对于临床PET便宜;可以简化实验步骤,加快实验速度,减少实验误差。因为基于动物实验的研究可以为人体临床研究提供指导意义[1-4],所以MicroPET为动物实验和临床研究之间提供了桥梁。

Monte Carlo模拟在发射断层成像方面是必不可少的工具,它可以指导新的医学成像仪器的设计,可以应用于图像重建算法和散射校正技术以及扫描方案的选择[5]。

GATE ( the GEANT4 application for tomographic emission)是基于GEANT4库开发的适于核医学的脚本模拟工具包。GATE相比于高能Monte Carlo软件的优点是使用方便、简单。相比于专用软件SimPET,其功能强大,它可以模拟各种复杂的几何以及放射源的移动等。另外,GATE的一个独特优点是可以模拟时间独立事件,如探测器移动和放射源衰变,因此可以模拟真实采集的时间曲线[6-10]。

本文基于GATE程序对MicroPET整环探测器进行精确建模并对成像物理过程进行了精确模拟,从而验证MicroPET的设计指标。

1　整环探测器的建模

MicroPET探测系统的相关参数如表1所示。

本文对探测器系统的晶体模块进行比较精确建模,其中晶体材料为硅酸镥(LSO),其几何结构如图1。

每一个模块由9×9的长方体小晶格拼接而成,进一步加工成多边形的原因是:模块上边缘的加工是为了使相邻两个模块切面平齐,从而在模块接缝处与后续光电倍增管良好耦合;其两边缘加工成斜面是为了探测器环中相邻的模块能无缝耦合,从而可以减小探测器直径,提高探测效率。

由于晶体模块结构比较复杂,在GATE的程序中没有现成的该模块的几何模型,构造新程序也比较困难,因此在GATE模拟中有些学者直接将其简化成长方体[3]。这样进行模拟存在的问题是模块之间有较大间隙,在相同模块数的情况下,探测器内径由实际的188 mm增加至208 mm,增加了10.6%。这会引起探测器探测效率的较大变化,因此采用这种方法得到的模拟结果还需要进一步的修正。因此本文寻求构造更加精确的模型,以直接获得准确的模拟结果。由于上边缘部分对模拟影响较小,因此本文只对晶体模块上边缘部分简化,简化方法如图2。

简化后的结构称为“梯六面体”,再利用GATE已有几何结构trpd来实现。trpd是trapezoid(梯六面体)挖去一个box(长方体)。因此只需将box的边长定义得很小就可以近似成为梯六面体。box的边长最小定义到1nm,能够满足模拟时建模的精度要求。

为了构建梯六面体模块,选择GATE中的scanner系统。该系统是GATE中最基本的一个系统,它对于各部分层次容器的几何构造都没有约束,可以自行定义其几何结构。其缺点是不能直接使用GATE的后续电子学部分的命令,模拟得到的信息是粒子在探测器的碰撞和能量沉积的详细信息,在此数据上自行编写后续电子学部分的程序,对数据做进一步的处理。