Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/2542
Title: Expansion of GATE, a Monte Carlo simulation toolkit for for study of positron's behavior inside magnetic field
Other Titles: Επέκταση πακέτου GATE για μελέτη κίνησης ποζιτρονίου σε μαγνητικό πεδίο
Authors: Σουλτανίδης, Γεώργιος
Issue Date: 2010-01-19T09:46:50Z
Keywords: Ιατρική απεικόνιση
Ποζιτρόνια
Μαγνητικά πεδία
Προσομοίωση
Keywords (translated): Medical imaging
PET
MRI
Positrons
Magnetic fields
Monte Carlo
Simulation
Positron's range
Abstract: Τα συστήματα ιατρικής απεικόνισης αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης ιατρικής επιστήμης. H ικανότητα να απεικονίζονται δομές και λειτουργικότητα ενός οργανισμού, χωρίς επεμβατικές τεχνικές, δίνει πληροφορίες, όχι μόνο για την διάγνωση και την θεραπεία, αλλά και πολύτιμα στοιχειά για την μελέτη και την εξέλιξη της επιστήμης. Η έρευνα επάνω στην ιατρική απεικόνιση καλύπτει ένα ευρύ φάσμα, από την ακτινοδιαγνωστική μέχρι την μαγνητική τομογραφία. Η εξέλιξη της τεχνολογίας μας δίνει συστήματα όπως Υπολογιστική τομογραφία, SPECT, Ανιχνευτές εξαΰλωσης ποζιτρονίου και Μαγνητική τομογραφία. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, μηχανήματα και τεχνικές συνδυάζονται, με γνώμονα τη βελτιστοποίηση της διαγνωστικής ποιότητας, λαμβάνοντας τα θετικά που μπορεί να δώσει μία τεχνική, και συμπιέζοντας τα αρνητικά χαρακτηριστικά αμφότερα. Ο στόχος είναι να λαμβάνουμε τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα, με μία μόνο εξέταση για μεγάλο εύρος ζητημάτων. Η ιατρική απεικόνιση δεν στοχεύει μόνο στην μορφολογική και ανατομική πληροφορία, αλλά επεκτείνεται και στην απεικόνιση της λειτουργικότητας του οργανισμού. Ως παράδειγμα μπορούμε να θέσουμε το εξής: Η αυξημένη κατανάλωση γλυκόζης από τα καρκινικά κύτταρα, δίνει την ευκαιρία με την χρήση του FDG, να απεικονιστούν οι κακοήθεις όγκοι με ένα σύστημα PET. Από την άλλη, η ανατομική πληροφορία που δίνει ένα απεικονιστικό σύστημα αποτελεί σημαντικό κριτήριο και για την διάγνωση αλλά και για την θεραπεία. Για αυτόν τον λόγο έχουν αναπτυχθεί υβριδικά μοντέλα απεικόνισης. Το πιο διαδεδομένο υβριδικό σύστημα ιατρικής απεικόνισης είναι το PET‐CT, που έχει καθολική αποδοχή στην σύγχρονη κλινική πράξη. Με την εφαρμογή του υπολογιστικού τομογράφου, έχουμε αποτελέσματα στον τομέα των δομικών πληροφοριών ενός οργανισμού, και με το PET, λαμβάνεται πληροφορία, σχετικά με την λειτουργικότητα του οργανισμού προς εξέταση. Επίσης ένα πολύ σημαντικό επίτευγμα είναι ότι με την χρήση του CT, υπάρχει δυνατότητα διόρθωσης της απορρόφησης από τους ιστούς του ασθενή. Συνδυασμός εκτός από PET‐CT, μπορεί να υπάρξει και με το έτερο σύστημα πυρηνικής, το SPECT. Η σημερινή εποχή επιβάλει να μειωθεί όσο γίνεται η δόση που αποδίδεται ανά ασθενή ανά εξέταση. Ο χρυσός κανόνας της ακτινοπροστασίας είναι « τόσο λίγο όσο λογικά επιτρεπτό». Αυτός ο κανόνας φέρνει στο προσκήνιο συστήματα με χαμηλή ή και μηδενική επιβάρυνση δόσης για τον ασθενή. Μια τεχνική από αυτές είναι και η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, γνωστή και ως μαγνητική τομογραφία. Πρόκειται για ένα σύστημα το οποίο δεν επιφέρει βιολογικά 6 προβλήματα στον άνθρωπο, και είναι ικανό να παράγει δεδομένα και ανατομικά αλλά και λειτουργικά. Ο μαγνητικός βασίζει την λειτουργία του στην χρήση μεγάλων ισχυρών ηλεκτρομαγνητών με σκοπό να φέρει τους πύρινες των ατόμων του υδρογόνου σε κατάσταση πόλωσης. Πρόκειται για ένα σύστημα υψηλής τεχνολογίας. Τα επιτεύγματα του, σε συνδυασμό με την μηδενική επιβάρυνση δόσης στον ασθενή, το κάνει νούμερο ένα προτίμηση στην ιατρική απεικόνιση. Όμως παρόλο που ο μαγνητικός τομογράφος αποτελεί το πρότυπο του τρόπου αντιμετώπισης των συστημάτων ιατρικής απεικόνισης, οι δυνατότητες του είναι περιορισμένες. Για να είναι όμως στο προσκήνιο ένα τέτοιο σύστημα, πρέπει να εξελιχτεί και να συνδυαστεί με κάποιο άλλο. Με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα, το πρόβλημα του hardware έχει ξεπεραστεί, και οδήγησε στην δημιουργία του PET‐MRI. Με ταυτόχρονη λήψη δεδομένων και από τα δύο συστήματα, μπορούμε να έχουμε πολλές πληροφορίες για τη λειτουργικότητα αλλά και τη δομή του οργανισμού. Μία τέτοια τεχνική θα έχει ευρύ φάσμα εφαρμογών, και η κατάργηση του CT, δίνει ελάττωση της δόσης, που λαμβάνεται από κάθε ασθενή. Το σύστημα εκπομπής ποζιτρονίων βασίζεται σε ισότοπα, που εκπέμπουν ποζιτρόνια. Όπως γνωρίζουμε, όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα u, δέχεται μία δύναμη η οποία αναγκάζει το φορτισμένο σωμάτιο να ακολουθήσει μία προκαθορισμένη τροχιά. Αυτό είναι το θέμα, στο οποίο εστιάζει αυτή η εργασία. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να καταλάβουμε και να μετρήσουμε την επίδραση του μαγνητικού πεδίου στα ποζιτρόνια. Ένας από αυτούς, είναι να κάνουμε μετρήσεις απευθείας σε μία πειραματική διάταξη PET‐MR. Το εμπόδιο είναι ότι μία τέτοια μέθοδος δεν είναι ευέλικτη. Ο μαγνήτης και η ένταση του δεν αλλάζουν εύκολα, και τα συστηματικά λάθη των ανιχνευτών θα δίνουν πάντα μεγάλα σφάλματα στα αποτελέσματα μας. Μία Monte Carlo μέθοδος από την άλλη, βασιζόμενη στις γνωστές φυσικές ιδιότητες, την χρήση μαθηματικών δεδομένων και την χρήση τυχαίων αριθμών, μπορεί να δώσει αποτελέσματα σχεδόν όμοια με αυτά που δίνονται από ένα υπαρκτό σύστημα. Σε αντίθεση με τις πειραματικές εφαρμογές, οι προσομοιώσεις Monte Carlo δεν περιορίζονται στην εξαγωγή μόνο μιας τελικής τιμής, αλλά επεκτείνονται και σε αποτελέσματα σχετικά με επιμέρους συστήματα και φυσικές αλληλεπιδράσεις. Επίσης, με μία Monte Carlo τεχνική, μπορείς να ορίσει ο χρήστης οποιαδήποτε γεωμετρία, με τα χαρακτηριστικά που αυτός επιθυμεί και να λάβει αποτελέσματα παρόμοια με αυτά του πραγματικού συστήματος. Αυτό βοηθά και την κατανόηση αλλά και στο σχεδιασμό και εξέλιξη νέων συστημάτων. Ένα σύστημα Monte Carlo είναι και το GATE. Το GATE αποτελεί μία υπο‐εφαρμογή του συστήματος Geant4, το οποίο δανείζει την φυσική του. Για χρόνια το GATE χρησιμοποιείται για τη μελέτη συστημάτων πυρηνικής Ιατρικής. Πλέον, συστήματα CT μπορούν να περιγραφούν σε μία 7 προσομοίωση και να προσομοιωθούν. Η δημιουργία συστημάτων PET‐MRI, δεν φέρνει προκλήσεις μόνο στον τομέα των πειραματικών εφαρμογών, αλλά και στον χώρο των προσομοιώσεων Monte Carlo. Επίσης το GATE είναι ένα πακέτο προσομοίωσης Monte Carlo ευρείας χρήσης , με συστηματική και μεθοδική ανανέωσή του. Οι στόχοι αυτής της εργασίας είναι η ενσωμάτωση νέων χαρακτηριστικών σε αυτό το πλήρως ανεπτυγμένο λογισμικό, και η εξαγωγή αποτελεσμάτων με γνώμονα πάντα την μελέτη κίνησης των ποζιτρονίων μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Οι αλλαγές οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στο πακέτο Monte Carlo GATE, επιτρέπουν την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου και σε όλη την έκταση του εικονικού χώρου αλλά και τοπικά. Μεγάλο πλεονέκτημα λαμβάνουμε από μία συγκεκριμένη αλλαγή που έγινε στο κώδικά και αφορά την καταγραφή και απεικόνιση της τρισδιάστατης κατανομής εξαϋλώσεων ποζιτρονίων, και η δυνατότητα καταγραφής δεδομένων, που έχουν να κάνουν με την χωρική κατανομή των εξαϋλώσεων. Επίσης για την αξιοποίηση αυτών των νέων χαρακτηριστικών, δημιουργήσαμε πειραματική διάταξη με χρήση διαφόρων ισοτόπων και εντάσεων μαγνητικού πεδίου. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι η μέση απόσταση εξαΰλωσης μειώνεται, με την χρήση μεγαλύτερου σε ένταση μαγνητικού πεδίου. Επίσης ένα ενθαρρυντικό στοιχειό είναι ότι ισότοπα με μεγάλη μέση απόσταση εξαΰλωσης παρουσιάζουν σημαντική βελτίωση σε μαγνητικό πεδίο, το οποίο επιβάλει την αναθεώρηση των ενδοιασμών για την χρήση τους ή μη σε απεικόνιση.
Abstract (translated): Medical imaging systems are the foundation stone of modern medical science. The capability to visualize the structure and the functionality of a human body, without invasive techniques, gives capabilities not only to the diagnosis and treatment, but also to the study of medicine. In this direction medical physics science is coordinated. From the simple X‐ray to Magnetic Resonance Imaging technology, allot of research has been made. These days technology gives imaging techniques such as Computed tomography, Single Photon Emission computed tomography, Positron Emission Tomography, and MRI. Most of the cases two or more imaging systems are combined to increase the diagnostic quality, by taking advantage of their capabilities and suppress each other disadvantages. The goal is to get with a single examination the best results, on any aspect. A medical imaging doesn’t focus only to human body’s morphology but also to functionality. Imaging of the metabolic system is the field of modern research. As an example, the higher metabolism of Glucose from cancer cells, gives the opportunity to visualize cancer tissues with a PET system. On the other hand anatomical information also must be given to the therapist in order to make the best diagnosis and treatment to the patient. The most known, globally, hybrid system is PET‐CT hybrid system. This medical imaging system brings morphological information about the body structure, plus with the use of PET system, it brings functional information about the metabolic procedure we are interested to investigate. Also, a contribution is happening in this type of system, where computed tomography contributes to PET imaging, and corrects the attenuation of photons by human body. Of course this technique applied to another system, the SPECT‐CT, exactly for the same reasons. The new era brings the necessity to reduce absorbed dose by the patient. The golden standard is “As low as reasonably achievable”. This is the motive to bring ideas and systems with less or zero dose deposition. One of them is Magnetic Resonance Imaging. Is a system almost not effective to human’s body, capable of producing both anatomical and functional information about the subject of study. This system is based on the use of large, very powerful magnets, in order to bring atoms of hydrogen in a state of polarization. Is a very sophisticated system, and delicate. The benefit of this system, plus the lack of dose, makes it No 1 to medical imaging science. The difference is that only one machine cannot project anything, and the option, even they are very wide, are limited. These days, when difficulties on PET imaging system’s hardware passed, a new system, called PET/MR was created. This system combination brings good representation of morphological data, but the true benefit is that both systems can bring results of human’s functionality. The variation of applications may be bigger, and diagnosis could be done only from one medical imaging system, with the lowest dose absorption that could be done. On the other hand Positron emission tomography is based on radioisotopes, which produce the electron’s antiparticle. Combination of these two systems brings a question about positrons. As we all know, if a charged particle moves inside a magnetic field, a force is applied on it, make it to change its random track, to another one, coordinated with the magnetic field. This question comes to answer this project. There are several ways to understand the difference created by the presence of magnetic field. One of them is to make experimental calculations, with a PET/MR system and to measure the contribution. The obstacle is that the method is not flexible. The magnetic field strength is not adjustable, and the system always will have random and systematic error. The other option is simulate this procedure. A Monte Carlo simulation is based on physical processes, by the use of mathematical functions, and the contribution of a random number generator, to bring results with very similar and realistic results as the original could produce. By comparison with the experimental method, with Monte Carlo simulations, user cannot only see the output, but also the previous parts of interactions. Also the flexibility of choices is limited only by user’s imagination. Many geometries can be used, with different magnetic field strength each time, and to give such reliable results, as the original system. Many medical imaging systems were developed by use of such simulation systems. One of these Monte Carlo simulation toolkits is GATE. GATE is the acronym for Geant4 application for emission tomography. As the acronym sais is an application based on Geant4, which is the “mother” Monte Carlo simulation toolkit. For years GATE used in order to study upon the simulations of nuclear medical imaging (i.e. PET & SPECT). Recently computed tomography was taken under consideration in this toolkit, with more updates to come. The use of PET/MR, creates a new aim to target for, not only in instrumental development, but also in Monte Carlo simulation development. Also GATE is a widely known simulation toolkit, used all over the world, and with periodical improvements. Monte Carlo simulation is a part of medical physics research, and GATE is a frequently used simulation toolkit. This study is the first step, for a field of research that is still new and partially explored. The improvement of these simulation toolkits bring new data to consider about, and new goals to achieve.
Appears in Collections:Τμήμα Ιατρικής (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Msc Thesis George Soultanidis.pdf2.62 MBAdobe PDFView/Open


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons