第31卷2011年第1O期 10月 核电子学与探测技术 Nuclear Electronics&Detection Technology VoI_3l No.10 0ct. 20l1 PeneloPET:一种PET专用的蒙特卡罗仿真工具 刘豪佳,赵书俊,张 斌,周山虎 (郑州大学,河南郑州450001) 摘要:PeneloPET是一种基于PENELOPE的PET专用蒙特卡罗仿真工具。文章介绍了PeneloPET 的主要特点及使用PeneloPET进行PET仿真的一般过程,并以GE Heahhcare的双环型eXplore Vista mi— eroPET为原型验证了PeneloPET仿真的有效性。仿真结果显示,PeneloPET仿真数据和实际实验结果及 GATE仿真结果之间均具有良好的一致性,证明了PeneloPET是一种精确的PET仿真工具。 关键词:PeneloPET;PET;蒙特卡罗仿真 中图分类号:TL 99 文献标识码:A 文章编号:0258-0934(2011)10—1143-04 正电子发射断层成像(Positron Emission 何结构建模工具及高效的可视化程序。然而, Tomography,PET)是一种无创的分子影像技 若想使这些工具包用于PET和SPECT,则需要 术,它在疾病诊断和医药学研究中均具有独特 用户具备丰富的发射断层成像设备建模的专业 的价值。蒙特卡罗(Monte Carlo)仿真方法又称 知识。此外,PET和SPECT专用的蒙特卡罗仿 为统计实验方法,它是通过大量的计算机模拟 真工具有SimSET 、PETSIM 、Eidolon 及 来检验系统的动态特性并归纳得到统计结果的 GATE 等。SimSET是一个很强大的PET和 一种随机分析方法。近几十年来,随着高能计 SPECT仿真专用代码,可以对物理过程和设备 算机的发展,蒙特卡罗仿真方法已逐渐成为当 本身进行精确高效的建模,但它在探测器几何 前及未来发射断层技术发展的基本工具。蒙特 结构上有一些。比如,不能对探测器的晶 卡罗仿真方法在正电子发射断层成像和单光子 体间隙和晶体阵列进行建模。GATE基于 发射计算机断层成像(Single—photon Emission Geant4,在继承Geant4优点的基础上还增加了 Computed Tomography,SPECT)的分析计算及实 对时间相关过程的精确仿真,是目前广泛使用 验研究的各方面得到了广泛应用,如设计新的 的仿真平台,但它的缺点在于仿真速度比较慢。 成像设备,优化采集协议,发展新的图像重建算 本文介绍的PeneloPET ,是一种基于 法和校正技术等H J。 PENELOPE(PENetration and Eneryg LOSS of 目前,可用于PET和SPECT仿真的蒙特卡 Positrons and Electrons)的PET专用仿真工具0 罗工具包有很多,每种都有各自的优缺点和不 PENELOPE采用“混合(mixed)仿真法” , 同的可靠度。通用的蒙特卡罗仿真工具包如 是一种能够模拟能量范围从几百电子伏到1 G EGS4 、MCNP 、Geant3及Geant4 ,这些工 电子伏的电子、正电子和光子在物质中的传输 具包具有精确有效的物理过程模型,丰富的几 过程的蒙特卡罗代码。它的通用性比GEANT4 差,但它健壮、快速、精确,更适合PET的需要。 此外,它还广泛用于剂量学和放射治疗。 收稿日期:2010—11—05 作者简介:刘豪佳(1985一),女,河南平顶山人,硕士 1 PeneloPET的特点 研究生,研究方向为核医学图像处理。Penel。PET是由马德里康普顿斯大学核物 1 l43 理组研发的,目前的最新版本是2007年6月发 布的1.1版本。PeneloPET具有以下特点: Mac OS x平台下运行PeneloPET,均不会出现 移植问题。而另一仿真软件GATE,则不能在 Windows系统下运行 J,这对于广大Windows (1)PeneloPET仿真速度快,可以在计算 机集群上并行运行。PENELOPE是用Fortran 编写的,Fortran语言高度标准化,被认为是科 用户来说是很不方便的。 此外,PeneloPET还拥有高效的可视化工 具(gview2d,gview3d),用于在仿真中显示和测 试几何结构,这在PET的设计阶段是非常有用 学计算的专用语言。Fotrran编译器的特点是 高速度和高精度,PENELOPE用Fotrran语言编 写,因此必然快速便捷。同时,PeneloPET支持 Pylon脚本语言,这使得用户可以在使用不同 操作系统的多台计算机上实现仿真程序的并行 运行,仿真时间会随所使用的CPU数量线性递 减,因此大大加快了仿真过程。 GA1’E作为目前使用非常广泛的发射断层 仿真软件,在探测器配置上的灵活性是其主要 优点,但这一点是以增加计算资源为代价的。 同其他PET仿真工具相比,PeneloPET设置仿 真过程所需的时间适中,计算量适中,而程序运 行效率非常高,速度很快。 (2)PeneloPET的主要目的是优化小动物 PET的设计。目前,各种小动物PET已广泛应 用于生物医药学研究,成为实验科学和临床科 学的重要桥梁 。在优化PET设计的过程中, 我们通常要在放射源相同的情况下进行多次相 似的仿真实验,即改变PET的一个或多个设置 (如探测器环的直径、晶体尺寸、电子学电路的 参数等)分别进行仿真,以比对仿真结果。 PeneloPET快速稳定,并且能够同时在计算机 集群上执行多个仿真实例,这一点正是优化 PET设计所需要的。所以,PeneloPET是目前 优化PET设计的一种非常好的工具。 (3)PeneloPET使用方便,易学易用。 PeneloPET目标之一就是实现易用的仿真程 序。由于缺乏面向对象的结构,Fortran语言在 年轻的科研人员中并不是很流行,因此对很多 用户来说,PENELOPE的使用并不方便。正是 基于这个原因,PeneloPET研发组对PENELOPE 进行封装,使得用户能够很容易地使用PENEL- OPE定义一个完整的PET仿真系统,这就是 PeneloPET。使用PeneloPET,用户不需要任何 的Fortran或其他编程语言知识,只需要编制几 个简单的文本文件就可以对PET系统进行全 面精确的仿真。 PeneloPET可以在任何拥有Fotrran编译器 的操作系统下运行,在Windows,Linux,Unix和 1144 的。图1就是PeneloPET仿真中得到的GE Healthcare双环型(DR)eXplore Vista microPET 的结构图。 图1 双环型eXplore Vista microPET结构示意图 (4)PeneloPET提供了多种数据输出格 式,便于数据的后期分析处理。PeneloPET能 够生成多种形式的输出,如投影正弦图,LOR (1ine of response)直方图,单光子事件和符合事 件分布图及能谱图。PeneloPET的输出可设置 为三个不同的详细度等级。详细度最高时,记 录所有交互作用的相关信息。详细度二级,只 记录单光子(single)事件及其相关信息。详细 度三级,也就是最低级,只以表模式(1ist mode) 记录符合事件和脉冲堆积事件,这里的符合事 件包括散射符合,随机符合和自符合(self—CO— incidence) J。此外,表模式下得到的输出文件 可以直接转换为ROOT文件,便于后期使用 ROOT 1刮这个面向对象的数据分析工具对仿真 结果进行分析处理。 为了简化图像重建过程,PeneloPET输出 的正弦图符合STIR(Software for Tomographic Image Reconstruction) , 的格式要求,可以直 接使用STIR得到图像重建结果。 2仿真过程 PeneloPET由两个主要模块组成。第一个 模块用于处理PENELOPE的规则,第二个模块 负责处理仿真环境下PET系统的具体特征,如 探测器和电子学电路。使用PeneloPET进行 PET仿真通常包括以下几个过程 引: (1)定义输人文件main.inp。main.inp中 LYSO晶体,长度为7 mm,外层GSO晶体,长度 为8 mm。每个晶体体素的横截面积是1.45 mm×1.45 mm,它们之间有一个0.1 mm厚的 设置仿真的一般参数,如数据采集协议,采集时 间,能量窗和符合窗,死时间,输出格式等。如 果需要的话,也对次级粒子、正电子的射程和非 线性进行设置。 白色反射层。下面以DR eXplore Vista为原型, 分别给出PeneloPET和GATE的仿真结果,并 与实验数据进行比对。对灵敏度和噪声等效计 数率(NECR)的测试方法符合NEMA_】 标准。 在轴向灵敏度测试中,选择直径为1 mm的培F 点源,能量窗设为250 keV~700 keV,仿真结果 (2)定义输入文件scanner.inp。在scan— ner.inp中完成对探测器结构的定义,包括探测 器的直径、环数,相邻环间距,每环的模块数,每 个探测器模块包含的晶体阵列大小,闪烁晶体 的层数和各层的材料等。通常PET都由多环 的长方体形探测器模块组成,每个探测器模块 包含一层或多层的闪烁晶体。PeneloPET中已 定义了一些晶体的材料,用户也可以自行定义 新的材料文件,需要定义新材料的名称,能量分 辨率,时间分辨率,光脉冲的上升和降落时间 等,然后将新文件名添加到mat—names.inp文 件中,并将新文件复制到PeneloPET目录下即 可。 (3)定义输入文件object.inp。object.inp 中定义其他的对象,如幻影(phantom)和屏蔽材 料(shielding)。 (4)定义输入文件source.inp。source.inp 中定义放射源的形状,位置,活度,同位素类型, 如果需要的话,还可以对发射方向角进行定义。 (5)输入文件定义完成后,运行可执行文 件penelopet.exe即可开始仿真过程,当屏幕上 显示“CREATING PENELOPE CROSS SECTION DATABASE…”时停止仿真,此时已在工作目 录下生成scanner.geo,hits.1ist,singles.1ist和 coincidences.1ist等文件(具体生成哪些文件跟 main.inp中的设置有关),用户可以使用程序 gview2d.exe或gview3d.exe打开scanner.geo 以显示探测器的几何结构,也可以使用其他软 件,如gnuplot、ROOT来分析其他输出文件。 3仿真实例 eXplore Vista microPET是GE公司为满足 临床前研究的需要而开发的小动物PET,包括 双环(DR)和单环(SR)两个型号。DR eXplore Vista包括两个环,环直径为11.8 cm,孔径为8 cm。每环由18个PMT探测模块组成,每个模 块连接着一个13×13双层闪烁晶体阵列,内层 如图2。NECR测试中,选择低活度的 F线源, 以减少死时间、随机符合和堆积的影响,仿真结 果如图3。图2和图3中的实验数据来自Yu. chuan Wang等的工作 。 实验数据—— 芝趟鲻 .‘、 4 4 3 3 2 2 l l O O PeneloPET… 5 5 5 5 5 GATE …一 ∥ ∥ |{ 嚣 .25 —2O一15-10-5 0 5 10 15 2O 25 轴向位置/cm 图2轴向灵敏度 图3噪声等效计数率 4 结论 PeneloPET作为PET专用的仿真软件,可 用于系统矩阵的计算,新扫描仪的开发,验证散 射校正、随机符合校正、堆积校正,衰减校正等 校正技术的效果,发展更优的图像重建算法等。 同时,PeneloPET具有运行速度快、界面友好、 仿真结果易于分析处理等优点。仿真结果表 明,PeneloPET仿真数据和实验数据之间的差 异很小且其仿真速度优于GATE。因此,我们 可以说PeneloPET是一个精确高效的PET仿真 1145 工具。未来的工作是将PeneloPET用于SPECT 的仿真: 。 参考文献 [1]S Jan,G Santin,D.Stml,et a1.GATE:a simulation toolkit for PET and SPECT[J:.Physics in Medcine and Biology,2004,49(19):4543—4561. 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