基于GATE程序的MicroSPECT成像系统并行化Monte Carlo模拟

MicroSPECT(micro single photon emission computed tomography)是一种专用于小动物成像的分子核医学成像设备。MicroSPECT系统采用高分辨率平行孔准直器或针孔准直器进行光子准直,并且经常采用闪烁晶体切割技术和位置灵敏光电倍增管技术提高空间分辨率,实现空间分辨率在0.5～2mm之间,视野为3cm左右的小动物发射断层成像,从而在分子层面上为疾病产生机理和新药物研发提供重要的影像诊断信息。

Monte Carlo方法目前已经广泛应用于分子核医学研究领域,在MicroSPECT仪器系统设计、断层重建算法和散射校正研究中扮演了重要角色。常用的Monte Carlo程序主要有专用于核医学成像模拟的SIMSET、GATE[1]和通用型程序MCNP、GEANT4[2]、EGS4等。其中GATE程序是在GEANT4程序内核的基础上开发的专用于核医学领域的组件化、通用的脚本模拟工具包,它继承了GEANT4在物理模型、和几何模型描述及可视化方面的优点,同时采用脚本化的用户交互方式简化了用户编程工作量,和其它程序相比可以方便、准确地描述MicroSPECT针孔准直器和切割晶体中的光子输运过程。GATE程序还允许用户描述一些时间相关的现象,如探测器的移动或源衰变的动力学过程。

但GATE程序的缺点是模拟速度比较慢。本文研究了基于GATE程序对采用NaI切割晶体与多块H8500平板光电倍增管拼接方案的MicroSPECT系统的Monte Carlo模拟过程,并讨论了通过并行计算提高模拟计算速度的方法,以获得用于MicroSPECT迭代重建算法研究的投影图像和系统点扩展函数(point spread function, PSF)数据。

1　MicroSPECT成像系统的GATE建模与投影数据获取

MicroSPECT系统采用船底型(keel edge)针孔准直器,探测器由一块NaI切割晶体耦合4个H8500平板光电倍增管[3]构成。MicroSPECT探测系统示意图和关键参数如图1和表1所示。

准直器几何的描述利用GATE程序预定义的几种基本几何模块实现。首先定义一块钨板,再用两个圆锥体和一个圆柱体的组合来实现船底型针孔的描述。圆柱体和圆锥体的几何参数和空间位置参数都由实际的设计参数计算得到。

GATE程序提供了一种在分子核医学领域的Monte Carlo模拟方面非常实用的几何重复功能。它为用户提供了诸如线状重复(linear repeater)、环状重复(ring repeater)、矩阵式重复(cubic arrayrepeater)、象限式重复(quadrant repeater)等模式。通过矩阵式重复模式可以实现对64×64 NaI切割晶体的描述。

在MicroSPECT成像过程中,探测器需要绕被成像物体旋转一周,在多个方向上采集投影数据。通过设定探测器的旋转方向和旋转速度,同时在模拟采集过程中设定起始时间(timestart)、结束时间(timestop)、时间段长度(timeslice)这3个参数,可以使探测器在某一角度上停留一段时间进行采集,获得一帧图像。然后转到下一个角度上再次进行采集。在实际模拟中设定探测器每隔6°采集一帧投影图像,总共采集60帧投影图像。