معرفی فریم ورک مونت کارلو GATE

معرفی فریم ورک مونت کارلو GATE

GATE چیست؟

GATE مخفف عبارت Geant4 Application for Tomographic Emission است. این نرم‌افزار یک پلتفرم شبیه‌سازی مونت کارلو برای مدلسازی دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی (مانند PET، SPECT، CT و تصویربرداری نوری) و همچنین دستگاه‌های رادیوتراپی است که بر پایه کتابخانه Geant4 توسعه یافته است.

کد GATE قابلیت مدلسازی پدیده‌های وابسته به زمان، از قبیل حرکت آشکارساز، حرکت فانتوم و واپاشی چشمه را فراهم می‌کند. این نرم‌افزار نقش مهمی در طراحی دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی نوین، ارزیابی الگوریتم‌های بازسازی تصویر و تکنیک‌های تصحیح پراکندگی در تصاویر پزشکی ایفا می‌کند.

پیش‌نیازها و کاربردها

پیش‌نیاز نصب GATE، نصب کتابخانه Geant4 است؛ بنابراین لازم است ابتدا Geant4 نصب شده و سپس این کد编译 (کامپایل) شود.

در سال‌های اخیر، کاربرد علوم کامپیوتر در حوزه فیزیک پزشکی و در راستای تحقق پزشکی شخصی‌شده (Personalized Medicine) به سرعت در حال گسترش است. شبیه‌سازی‌های مونت کارلو به طور فزاینده‌ای برای اهداف دزیمتری در روش‌های تصویربرداری تشخیصی (مانند PET، SPECT و CT) و روش‌های درمانی (مانند پرتودرمانی داخلی و خارجی) مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حال حاضر، روش‌های مونت کارلو به عنوان یک مرجع و استاندارد طلایی در دزیمتری محیط‌های بالینی خدمت می‌کنند.

در پزشکی مدرن و شخص‌محور، اندازه‌گیری دوز جذبی یا انرژی توزیع‌شده با توجه به تغییرات آناتومیکی و فیزیولوژیکی هر بیمار از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است. در تصویربرداری با پرتوهای یونیزان، ارزیابی دوز جذبی در هر اندام یا بافت مورد نظر برای تحلیل خطر ابتلا به سرطان و همچنین ارزیابی پروتکل‌های بالینی که باعث افزایش اثرات تشخیصی و کاهش دوز تحویلی می‌شوند، بسیار حائز اهمیت است. در حوزه پرتودرمانی، تخمین توزیع دوز جذبی ناشی از ذرات یونیزان مختلف (مانند الکترون، فوتون، پرتوهای کربن و سایر رادیوایزوتوپ‌ها) نقشی حیاتی در طراحی برنامه درمانی دارد.

امروزه استفاده از روش‌های مونت کارلو برای محاسبات بالینی، بیش از پیش رایج شده است. بر اساس داده‌های پایگاه اسکوپوس (Scopus)، تعداد مقالات مرتبط با دزیمتری با استفاده از شبیه‌سازی مونت کارلو در ۴۵ سال گذشته، به نزدیکی ۷۰۰۰ مقاله رسیده است.

مقایسه با سایر کدهای مونت کارلو

کدهای مونت کارلو به طور گسترده‌ای برای شبیه‌سازی فیزیک تابش استفاده شده‌اند. کدهایی مانند EGS و ITS به عنوان ابزارهای استاندارد برای محاسبات транспورت الکترون و پرتوهای فوتون، عمدتاً در حوزه رادیوتراپی و مطالعات دزیمتری، به کار می‌روند.

MCNP نیز یک کد استاندارد در حوزه دزیمتری پزشکی است. در سال ۲۰۰۱، سیستم کد PENELOPE برای شبیه‌سازی مونت کارلو و مدلسازی транспورت و برهمکنش زوج‌های الکترون-فوتون در مواد و هندسه‌های پیچیده منتشر شد. دو سال بعد، CERN جعبهابزار عمومی شبیه‌سازی Geant4 را در اختیار جامعه علمی قرار داد. Geant4 یک کد مونت کارلو عمومی برای شبیه‌سازی فرآیندهای فیزیکی برهمکنش ذرات با ماده است که به‌سرعت به یکی از قوی‌ترین و معتبرترین کدهای مرجع در حوزه فیزیک پزشکی برای شبیه‌سازی‌های پیش‌بالینی و بالینی تبدیل شد.

GATE که به‌عنوان یک کاربرد تخصصی از Geant4 برای انتشار توموگرافی توسعه یافته، ابزارهای مونت کارلو با دقت بالا در مدلسازی فیزیکی را فراهم می‌کند. این نرم‌افزار برای کاربردهای تصویربرداری هسته‌ای بهینه‌سازی شده و با انعطاف‌پذیری بالا در استفاده از فانتوم‌های وکسیلی (voxelized) و هندسه‌های پیچیده، امکان شبیه‌سازی حرکت‌ها (مانند حرکت تنفسی) را نیز فراهم می‌آورد.

در مقایسه با سایر ابزارهای مونت کارلو، GATE با بهره‌گیری از موتور فیزیکی قدرتمند Geant4، دقت بالاتری را در مدلسازی فیزیکی ارائه می‌دهد. این کد توانایی مدلسازی هر دو نوع هندسه ساده و واقعی (مانند مدل‌های محاسباتی شبهانسان) را دارد که البته به منابع محاسباتی قابل توجهی نیازمند است و صحت آن به طور گسترده‌ای مورد تأیید جامعه علمی قرار گرفته است.