Gate 用户手册（一）总体概念

参考网站

http://wiki.opengatecollaboration.org/index.php/Users_Guide

本文并非完全翻译，会根据情况适当缩减。生命有限，能少就少。

综述：

这部分介绍使用Gate进行仿真所必经的一些步骤，并用了一些简单的例子介绍。更加详细的介绍在用户手册的后面部分，Gate的使用不需要任何C++编程，这得益于扩展geant4本机命令的专用脚本机制，第一部分的目标是提供用户接口的简短介绍和gate使用的一些基本原则。

1.成像应用的仿真结构

在每一个仿真中，用户必须

定义扫描器几何图形
定义phantom几何体
设置物理过程
初始化仿真命令：/gate/run/intialize
建立检测器模型
定义源
声明数据输出的格式
开始采集

2.放射疗和放射测量应用的仿真结构

在每一个仿真中，用户必须

定义射线几何形状
定义phantom几何形状
声明输出
设置物理过程
初始化仿真 /gate/run/intialize
定义源
用下面的命令开始仿真

/gate/application/setTotalNumberOfPrimaries [particle_number]

/gate/application/start

3.用户接口

Gate命令使用一个树形结构组织，例如：所有的几何控制命令以geometry开始，然后所有的命令都可以在/geometry/分支里面找到。

Gate在运行的时候，会出现Idel> ,然后就可以1.成像应用的仿真结构输入命令了。当仿真效果不是期待的样子，用户可以重新调整参数。虽然在用户熟悉这个软件或者不知道如何构建几何形状时，一步一步输入命令可以进行仿真比较有用，但是还是推荐一次输入一组命令来完成一个的仿真。

Macros全部是ASCII文件（扩展名是.mac），里面包含一些命令和注释，一个maros文件可以在Gate的命令解释器中执行，或者把它作为一个命令行参数给Gate,或者从另外一个macro文件中调用。一个macros文件必须有正确的命令顺序，包含的命令一般是：可视化，geometry的定义，系统，数字化仪器，物理，初始化，源，输出和开始。这些步骤在下一部分描述，一个仿真可以被分成多个macros,比如一个主macros来定义geometry,一个macros来定义物理。通常，通常有一个marco来调用更多具体的macro。

在linux终端下执行macros文件，命令：

Gate mymacro.mac

在Gate环境中执行macros文件：

Idle>/control/execute mymacro.mac

从macro文件中执行另外一个macro，在主macro文件中写：

/control/execute mymacro.mac

下面介绍成像应用仿真的主要步骤。

步骤1.定义一个扫描几何

用户需要基于volume来定义几何，所有的volume通过树形结构连接到一起，每一个volume用形状，大小，位置，材料来表征，填充到一个新的volume中默认的材料是空气，可以使用的材料都在GateMaterial.db中找到（See Users Guide:Materials).，材料数据库的位置需要用下面的命令来声明：

/gate/geometry/setMaterialDatabase MyMaterialDatabase.db

树基是仿真实验的框架，与构建一个形状相关的所有Gate命令在Users Guide:Defining a geometry.可以找到。世界volume可以任意大小，但是至少能够把整个几何形状包含进去，当一个粒子跑出世界volume之后，其跟踪就会消失，这里给出的例子使用

40 x 40 x 40 cm，因此，世界坐标可以用下面来定义。

/gate/world/geometry/setXLength 40. cm
/gate/world/geometry/setYLength 40. cm
/gate/world/geometry/setZLength 40. cm

世界volume可以包含一个或者更多子volume

/gate/world/daughters/name vol_name

第一个子volume有一个专用的意思和名字，它声明了扫描器的类型（Users Guide:Defining a system），也称为一个系统。当前例子中，名字叫做CylindricalPET system，这个系统假定扫描器基于cylindrical 配置，每一个块包含一系列晶体。

/gate/world/daughters/name cylindricalPET
/gate/world/daughters/insert cylinder
/gate/cylindricalPET/setMaterial Water
/gate/cylindricalPET/geometry/setRmax 100 mm
/gate/cylindricalPET/geometry/setRmin 86 mm
/gate/cylindricalPET/geometry/setHeight 18 mm
/gate/cylindricalPET/vis/forceWireframe
/vis/viewer/zoom 3

第七和命令扫描器的全局几何形状，扫描器的形状是圆柱，外圆半径100mm,内圆半径86mm,长度18mm,最后一个命令把可视化为线状。创建时你可能会看到下面的信息

G4PhysicalVolumeModel::Validate() called.
Volume of the same name and copy number ("world_phys", copy 0) still exists and is being used.
WARNING: This does not necessarily guarantee it's the same
volume you originally specified in /vis/scene/add/.

这种信息是正常的，你可以忽视掉。

任何时间里，用户列出了所有可能的可是化命令，例如，命令行来列出可视化的命令是

Idle> ls /gate/cylindricalPET/vis/

假设扫描器由30个块构成，每一个块包含8x8的晶石，下面的命令行描述这个扫描器（Users Guide:Defining a geometry查看命令的详细信息），第一，每个块的几何图形被定义为子系统，这里是圆柱PET系统。

/gate/cylindricalPET/daughters/name box1
/gate/cylindricalPET/daughters/insert box
/gate/box1/placement/setTranslation 91. 0 0 mm
/gate/box1/geometry/setXLength 10. mm
/gate/box1/geometry/setYLength 17.75 mm
/gate/box1/geometry/setZLength 17.75 mm
/gate/box1/setMaterial Water
/gate/box1/vis/setColor yellow
/gate/box1/vis/forceWireframe

一旦一个块创建了之后，晶石可以被定义为块的子块。

zoom命令允许用户来缩放几何图形。panto命令把可视窗变成横向60mm和纵向40mm.默认的元殿是（0.0.0）

为了获得晶石的完整矩阵，volume箱2需要重复在Y和Z方向，为了获得完整的唤醒检测器，原始框被重复30次。

# C R Y S T A L
/gate/box1/daughters/name box2
/gate/box1/daughters/insert box
/gate/box2/geometry/setXLength 10. mm
/gate/box2/geometry/setYLength 2. mm
/gate/box2/geometry/setZLength 2. mm
/gate/box2/setMaterial LSO
/gate/box2/vis/setColor red
/gate/box2/vis/forceWireframe

# Z O O M
/vis/viewer/zoom 4
/vis/viewer/panTo 60 -40 mm

# R E P E A T    C R Y S T A L
/gate/box2/repeaters/insert cubicArray
/gate/box2/cubicArray/setRepeatNumberX 1
/gate/box2/cubicArray/setRepeatNumberY 8
/gate/box2/cubicArray/setRepeatNumberZ 8
/gate/box2/cubicArray/setRepeatVector 0. 2.25 2.25 mm

单个PET扫描器形成了，下一步骤是把这些几何图形有序连接在一起，来存储粒子间的相互信息（被称为hits）,Gate只存储与检测器相吸附的volume的hits。如果一个volume没有连接到系统，那么里面的hits就不会被存储。系统和敏感传感器的概念可以查看Users Guide:Defining a system and Users Guide:Attaching the sensitive detectors

下面的命令用来把volume连接到系统

# R E P E A T    R S E C T O R
/gate/box1/repeaters/insert ring
/gate/box1/ring/setRepeatNumber 30# Z O O M
/vis/viewer/zoom 0.25
/vis/viewer/panTo 0 0 mm# A T T A C H   V O L U M E S   T O   A   S Y S T E M
/gate/systems/cylindricalPET/rsector/attach box1
/gate/systems/cylindricalPET/module/attach box2

rsector的名字和模型是详细的名字，对应第一和第二水平CylindricalPET系统，可见Users Guide:Defining a system

保存hits在这个例子下的命令是：

# D E F I N E   A   S E N S I T I V E   D E T E C T O R
/gate/box2/attachCrystalSD vglue 1cm

这时，用户可以施行检测器环境，Gate最突出的特征之一是时间无关（time-independent）现象，比如检测器移动和源衰减引起获得过程的一致性描述。简单的讲，在这个手册描述的仿真没有把检测器运动和phantom的运动算入。

第二步定义一个phantom几何形状

phatom建立方法和扫描器相同，phantom是世界volume下的一个子volume。

# P H A N T O M
/gate/world/daughters/name my_phantom
/gate/world/daughters/insert cylinder
/gate/my_phantom/setMaterial Water
/gate/my_phantom/vis/setColor grey
/gate/my_phantom/geometry/setRmax   10. mm
/gate/my_phantom/geometry/setHeight 30. mm

为了获得phantom中的compton和Rayleigh互动信息，可以让一个敏感传感器与phantom的volume连接

 P H A N T O M   D E F I N E D   A S   S E N S I T I V E
/gate/my_phantom/attachPhantomSD

现在对于每一个hit,两种信息会被记录

与phantom连接的所有物理块的分散互动
上次互动出现的与phantom3d连接的物理volume的名字

这些概念可以查看Users Guide:Attaching the sensitive detectors.

第三步设置物理过程

建立好扫描器和检测器后，必须设置对应的物理过程，Gate使用Geant4模型来及进行物理过程，用户必须为每个粒子选择物理过程，然后可以通过设置生产设备，消减，电磁选项来定制仿真。

一些典型的物理表在目录examples/PhysicsLists中

生产设备，消减，电磁选项可以查看Users Guide:Setting up the physics.

第四步初始化

前三步完成之后（对应geant4的预初始化），仿真用下面的命令初始化

# I N I T I A L I Z E
/gate/run/initialize

初始化实际上触发了不同部分的计算，在这步之后，physic list不能再被修改了，新的volume也不能被插入几何图形

第五步设置数字器（digitier）

Gate的基本输出是一个hit集合，hit数据包括，位置，时间，能量。数字器的目标是从hits建立物理观测以以及来对读出器进行建模，并引发触发单元。Gate digiter物体有一些函数，可以进行现行信号处理，例如，下面的命令插入一个加法器来把每一个基本volume产生的hit相加。

/gate/digitizer/Singles/insert adder

其他模型可以描述仿真的读出器，readout几何是与一些检测器相连的人工几何

/gate/digitizer/Singles/insert readout
/gate/digitizer/Singles/readout/setDepth 1

在这个例子中，readout把所有晶石中的能量相加，并且根据最高能量定义晶石头的位置，设置深度命令声明readout运行的几何水平，当前例子是

base level (CylindricalPET) = depth 0
1srt daughter (box1) of the system = depth 1
next daughter (box2) of the system = depth 2
and so on ....

为了把检测器的能量分辨率算入，并只在单个定义的能量窗口收集，也可以使用其他模型（？？）

# E N E R G Y   B L U R R I N G
/gate/digitizer/Singles/insert blurring
/gate/digitizer/Singles/blurring/setResolution 0.19
/gate/digitizer/Singles/blurring/setEnergyOfReference 511. keV # E N E R G Y   W I N D O W
/gate/digitizer/Singles/insert thresholder
/gate/digitizer/Singles/thresholder/setThreshold 350. keV
/gate/digitizer/Singles/insert upholder
/gate/digitizer/Singles/upholder/setUphold 650. keV

在这里考虑551kev 19%的能量分辨率

因此，能量窗口从360kev设置成600kev

对于PET仿真，符合分离器（？？）也在数字器下施行

# C O I N C I D E N C E   S O R T E R
/gate/digitizer/Coincidences/setWindow 10. ns

数字器更多信息可以查看Users Guide:Digitizer and readout parameters.

第六步源设置

在Gate里面，一个源是指粒子发射的volume，用户可以定义源的几何形状，以及它的特征，比如发射方向，能量分布，和活动性。不稳定的源的通常从geant4里面的数据库得到的。

一个体素化的phantom或者一个病人数据集也可以用来定义源。定义源的汉书描述可以参考：Users Guide:Voxelized Source and Phantom

当前例子中，源是1mb的线源，线源是一个圆柱，半径0.5mm,长度50mm，源产生一度511kev的gamma粒子，并方向发射（对于更加真实的例子，正电子的范围和两个gamma的共线性也可以考虑在内）

# S O U R C E
/gate/source/addSource twogamma
/gate/source/twogamma/setActivity 100000. becquerel
/gate/source/twogamma/setType backtoback# POSITION
/gate/source/twogamma/gps/centre 0. 0. 0. cm # PARTICLE
/gate/source/twogamma/gps/particle gamma
/gate/source/twogamma/gps/energytype Mono
/gate/source/twogamma/gps/monoenergy 0.511 MeV# TYPE = Volume or Surface
/gate/source/twogamma/gps/type Volume# SHAPE = Sphere or Cylinder
/gate/source/twogamma/gps/shape Cylinder
/gate/source/twogamma/gps/radius 0.5 mm
/gate/source/twogamma/gps/halfz 25 mm

# SET THE ANGULAR DISTRIBUTION OF EMISSION
/gate/source/twogamma/gps/angtype iso# SET MIN AND MAX EMISSION ANGLES
/gate/source/twogamma/gps/mintheta 0. deg
/gate/source/twogamma/gps/maxtheta 180. deg
/gate/source/twogamma/gps/minphi     0. deg
/gate/source/twogamma/gps/maxphi 360. deg
/gate/source/list

第七步定义数据输出

默认输出数据类型是ASCII

# ASCII OUTPUT FORMAT
/gate/output/ascii/enable
/gate/output/ascii/setFileName test
/gate/output/ascii/setOutFileHitsFlag 0
/gate/output/ascii/setOutFileSinglesFlag 1
/gate/output/ascii/setOutFileCoincidencesFlag 1
# ROOT OUTPUT FORMAT
/gate/output/root/enable
/gate/output/root/setFileName test
/gate/output/root/setRootSinglesFlag 1
/gate/output/root/setRootCoincidencesFlag 1

给定这些脚本之后，.dat的asicc文件和.root文件会被创建，Users Guide:Data output，解释了如何理解结果文件

对于有些配置，结果可能存在sinogram类型，或和List Mode Format(LMF),sinogram输出模块存储扫描器的同时发生事件，每对晶体有一个2d的sinogram，sinogram要以原始格式存储，要么以ecat7格式存储。输出的完整描述清查看Users Guide:Data output

第八步开始一个数据获取

数据的开始和获取定义在现实实验中，此外，Gate需要一个时间片，在这个时间片里，仿真系统是静态的，在每个时间片的开始，几何形状根据要求的运动更新。在每个世界片内，几何性状保持静态，粒子转移仿真和数据获得继续。每个时间片对应一个geant4的运行。

如果仿真中的源不是发射性的或者活动没有被定义，用户可以修定事件总数，这种情况下，粒子数在根据每个时间片的函数进行分割

/gate/application/setTotalNumberOfPrimaries [N]

用户可以修改每一个时间片的数量，这种情况下，每一个事件通过时间片和总仿真时间之间的比来衡量

/gate/application/setNumberOfPrimariesPerRun [N]

也可以不同时间片有不同的时间数。要写在一个文件里运行，设置

/gate/application/readNumberOfPrimariesInAFile [path/to/filename]

4.规则时间片方法

规则时间片方法，成像应用的标准Gate方法，用户使用下面的命令定义数据获取的开始和结束，

/gate/application/setTimeSlice     1.  s
/gate/application/setTimeStart     0.   s
/gate/application/setTimeStop      1.  s

生成种子的选择非常重要，有3种生成的方法。

默认：这种情况下，默认的CLHEP内部种子被使用，种子始终是相同的。
自动：每次Gate运行时，自动生成新的种子。
手动：人工设置种子

对应代码

/gate/random/setEngineSeed default
/gate/random/setEngineSeed auto
/gate/random/setEngineSeed 123456789

也可以选择包含种子的文件来直接控制初始化

/gate/random/resetEngineFrom fileName

# S T A R T  the A C Q U I S I T I O N
/gate/application/startDAQ

投影总数是

在当前的例子中，没有运动，获取时间=1s,投影的数量等于1、如果你想在仿真进行时退出程序，最后一行应该是exit

作为monte-carlo工具，Gate需要随机生成器，CLHEP库提供。有三种随即数生成器，the Ranlux64, the James Random and the Mersenne Twister，默认 Mersenne Twister。

NB:一些用户反馈说使用Ranlux64 生成器，数据里面有artifact效应，但Mersenne Twister生成器里面没有产生这种效应

5.变量时间片

这种方法里面，每个时间片有一个特殊的时期，用户必须定义每个时间片的时间。第一种方法是用一个含有时间片的文件

/gate/application/readTimeSlicesIn [File Name]

第二种方法是给每一个时间片增加命令

/gate/application/addSlice [value] [unit]

用户要用setTimeStart来定义数据的开始，数据的获取以累加每个时间片结束。

仿真开始命令

/gate/application/start

/gate/application/startDAQ

6.冗余度

随即引擎的冗余度可以被选择，使用下面命令。冗余度范围[0，2]

/gate/random/verbose 1

较高的值将被解释为2。值为0表示根本不打印，值为1表示在采集开始时打印一次，值为2表示在每次运行开始时打印一次。