Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 1
GAMOS(Geant4 Architecture for
Medicine-Oriented Simulations)
Pedro Arce DuboisPedro Rato Mendes
Grupo de Fisica Médica del CIEMAT
26 Mayo 2006
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 2
Introducción Objetivos de GAMOS Qué es un plug-in
Geometría Generador Física Acciones de usuario Detectores sensitivos y
hits Histogramas Visualización
Indice
Utilidades Manejo de parámetros Manejo de verbosidad Manejo de ficheros de
input
Output para reconstrucción
Ejemplos PET e ITACA Histogramas
Resumen Primer
Uso de GAMOS
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 3
GAMOS debe ser capaz de permitir que un usuario Simule su proyecto sin conocer nada GEANT4, ni C++ Pueda añadir una nueva funcionalidad y a la vez reutilizar toda la
funcionalidad que quiera de GAMOS
Debe ser completo, flexible, ampliable y fácil de usar
COMPLETO: Proporcione la funcionalidad que pueda necesitar quien
quiera simular un proyecto de física médica Imposible cubrir todo lo que un usuario pueda necesitar
Ha de ser ampliable Irá creciendo con el tiempo…
GAMOS(Geant4 Architecture for Medicine-Oriented Simulations)
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 4
FLEXIBLE Lo que hace se puede decidir desde el exterior, con
un fichero de comandos Con comandos se pueden combinar distintos módulos
a gusto del usuario Cambiar la geometría pero no los histogramas Cambiar el tipo de detector sensitivo pero dejar la clasificación
PET ...
MODULAR: Cada clase, cada programa hace una y solo una cosa, bien definida y a la vez lo más general posible
GAMOS(Geant4 Architecture for Medicine-Oriented Simulations)
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 5
AMPLIABLE
Fácil de añadir cualquier nueva funcionalidad Reutilizar la funcionalidad existente con mínimos cambios Basado en “plug-in’s”, de modo que se pueden añadir
módulos sin afectar a otros
FÁCIL DE USAR Casi todo se pueda hacer con un fichero de comandos Un buen diseño, aplicando las técnicas de ingeniería
del software Bien documentado
GAMOS(Geant4 Architecture for Medicine-Oriented Simulations)
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 6
El programa principal de GAMOS no tiene componentes predefinidos En run-time se elige que componentes se cargan según la
lista de input
El usuario tiene plena libvgertad en la elección de componentes
Los componente se cambian en el macro de input, sin tener que
escribir código C++ y recompilar
El usuario puede definir un componente no previsto por GAMOS Lo puede usar con añadirlo a la lista en el fichero de input
Puede mezclarlo con cualquier otro componente suyo o de GAMOS
Para la implementación de plug-in's en GAMOS se ha elegido
la librería del CERN: SEAL
Que es un plug-in?
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 7
Cuatro modos de definirla:
Con código C++ De la manera usual en GEANT4 La clase se convierte en un plug-in para poder seleccionarla en el macro
de input
Con GDML (GEANT4 Detector Modeling Language) Escribe la geometría en GDML Selecciona /gamos/selectGeometry GDMLDetectorConstruction
Con GAG (GEANT4 Adaptative GUI) Con un GUI se escribe la geometría EL output es C++ o GDML
Usando los ejemplos de GAMOS PET se puede definir con un fichero de 8 parámetros (n_crystals,
crystal_x/y/z, radius, …) ...
Geometría
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 8
GDML document<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><gdml xsi:noNamespaceSchemaLocation="GDMLSchema/gdml.xsd">
<define>…<position name="TrackerinWorldpos" unit="mm" x="0" y="0" z="100"/>
</define><materials>
…<material formula=" " name="Air" >
<D value="1.290" unit="mg/cm3"/> <fraction n="0.7" ref="Nitrogen" /> <fraction n="0.3" ref="Oxygen" /> </material>
</materials><solids>
…<box lunit="mm" name="Tracker" x="50" y="50" z="50"/>
</solids><structure>
…<volume name="World" >
<materialref ref="Air" /> <solidref ref="world" /> <physvol> <volumeref ref="Tracker" /> <positionref ref="TrackerinWorldpos"/> <rotationref ref="TrackerinWorldrot"/> </physvol>
</volume></structure><setup name="Default" version="1.0" >
<world ref="World" /> </setup></gdml>
positions, rotations
materials
solids
geometry tree
'world' volume
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 9
GAG:
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 10
GAG:
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 11
GAG:
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 12
Utilidades que pueden ser usadas con un comando o desde cualquier lugar del código de usuario
Fábrica de materiales GAMOS lee una larga lista de materiales de un fichero Construye un G4Material a demanda del usuario
G4Material* bgo = GamosMaterialMgr::GetInstance() ->GetG4Material(“BGO”);
Imprimir lista de Materiales Sólidos Volúmenes lógicos Volúmenes físicos “Touchables”
Encontrar un volumen por nombre
Borrar un volumen de la geometría
Utilidades de Geometría
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 13
Generador de sucesos
Con código C++
• De la manera usual en GEANT4• La clase se convierte en un plug-in para poder seleccionarla en el macro de input
Usando GAMOS generator
• Combina cualquier número de partículas o isótopos que decaen a e+, e-,
• Cada partícula o isótopo puede tener una combinación distinta de
distribuciones de tiempo, energía, posición y ángulo
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 14
GAMOS Generator
2D Surface sources
3D Surface sources
Volume sources
Angular distribution
Energy spectrum
circle ellipse square rectangle Gaussian
beam profile
sphere ellipsoid cylinder paralellapiped
(incl. cube & cuboid)
sphere ellipsoid cylinder paralellapiped
(incl. cube & cuboid)
isotropic cosine-law user-defined
(through histograms)
mono-energetic Gaussian Linear Exponential power-law bremsstrahlung black-body CR diffuse user-defined
(through histograms or point-wise data)
• constant
• decay
• beta decay
Time spectrum
• logical volume(s)
Basado en G4GeneralParticleSource, añadiéndole:
• Espectros de tiempo
• 1 o muchas partículas + 1 o muchos isotópos que decaen al mismo tiempo
• Algunas distribuciones extra
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 15
Física
Con código C++• De la manera usual en GEANT4• La clase se convierte en un plug-in para poder seleccionarla en el macro de comandos • Usando GAMOS physics list
• Basada en el ejemplo avanzado de GEANT4 sobre hadroterapia
• Se pueden combinar diferentes listas de física para fotones, electrones,
positrones, muones, protones, e iones
fotones
• photon-epdl: low energy Evaluated Particle Data Library
• photon-standard: standard electromagnetic processes (no low energy)
• photon-penelope: processes a' la Penelope
electrones
• electron-eedl: low energy Evaluated Particle Data Library
• electron-standard: standard electromagnetic processes (no low energy)
• electron-penelope: processes a' la Penelope
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 16
Física
positrones• positron-standard: standard electromagnetic processes (no low energy)
• positron-penelope: processes a' la Penelope
muones• muon-standard: standard electromagnetic processes (no low energy)
protones• proton-precompound: precompound evaporation model
• proton-precompoundFermi: precompound evaporation plus Fermi break-up
models
• proton-precompoundGEM: precompound GEM evaporation model
• proton-precompoundGEMFermi: precompound GEM evaporation plus Fermi
break-up models
• proton-precompund-binary: binary cascade model with the default
precompound
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 17
Física
iones• ion-LowE: low energy processes, with CIRU49 as stopping power
parameterisation
• ion-standard: standard electromagnetic processes (no low energy)
• ion-LowE-ziegler1977: low energy processes, with Ziegler 1977 as
stopping parameterisation
• ion-LowE-ziegler1985: low energy processes, with Ziegler 1985 as
stopping parameterisation
• ion-LowE-ziegler2000: low energy processes, with SRIM2000 as stopping
parameterisation
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 18
Acciones de usuario
Son el modo como interaccionar con la ejecución del programa y
extraer información o modificarlo
• Al principio/fin de cada Run, al principio/fin de cada Event,
al principio/fin de cada Track, después de cada Step
• GAMOS user actions
• Se pueden tener varias “acciones de usuario” del mismo tipo
• Permite separar las distintas funcionalidades
• Se puede activar/desactivar una “acción de usuario” con una
línea de comando
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 19
Detectores sensitivos y Hits• Para producir hits en GEANT4 el usuario tiene que:
• Definir una clase que herede de G4VSensitiveDetector
• Asociarla a un G4LogicalVolume
• Crear hits cada vez que una partícula atraviese el volumen sensitivo
• Limpiar la lista de hits al final de cada suceso
• En GAMOS esto se puede hacer con un comando
/gamos/assocSD2LogVol SD_CLASS SD_TYPE LOGVOL_NAME
• Hay dos clases de SD en GAMOS• Simple: a cada volumen se le asocia un SD un hit
• VirtuallySegmented: un volumen se segmenta y se construye un hit
diferente en cada trozo
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 20
GAMOS hits
Cada vez que una traza deposita energía en un volumen que tiene asociado un SD, se crea un hit
• Si en el mismo suceso se deposita energía en el mismo volumen, la energía se añade al hit existente
• Un hit tiene la información• G4int theDetUnitID; ID de la copia del volumen sensitivo
• G4int theEventID;• G4double theEnergy;
• G4double theTimeMin; tiempo del primer depósito de E• G4double theTimeMax; tiempo del último depósito de E• G4ThreeVector thePosition;
• std::set$<$G4int$>$ theTrackIDs; lista de todas las trazas que forman el
hit• std::set$<$G4int$>$ theOriginalTrackIDs; lista de los fotones que
produjeran las trazas que forman el hit• std::vector$<$GamosEDepo*$>$ theEDepos; lista de energías depositadas• G4String theSDType;
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 21
GAMOS clusters de hits
GAMOS puede unir varios hits en uno (cluster)• Para recuperar 511 keV si ha habido una interacción Compton previamente• Para unir los hits de la misma cascada electromagnética de un electrón
• Dos tipos de clusterizer • GamosClusterizerByDistance: une hits que estén separados menos de una distancia definida por el usuario• GamosClusterizerByBlock: une hits que estén en el mismo bloque de cristales
• GAMOS clusterizer’s son plug-in’s: se activan con un comando en el fichero de input
/gamos/clusterizer GamosClusterizerByDistance
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 22
Simulación del tiempo de medida
Un detector no es capaz de separar señales de sucesos diferentes si tienen un tiempo menor que un cierto valor
GamosHitsEventMgr
• Acumula los hits de todos los sucesos
• Construye una lista con los hits cuyo tiempo sea mayor
que tiempo del suceso – tiempo de medida
• Con esta lista de hits se construyen los clusters
• El tiempo de medida se puede establecer en el fichero de
input• Un tiempo distinto para cada tipo de SD
/gamos/setParam SD:Hits:MeasuringTime:Calor 10.*ns
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 23
Simulación del tiempo muerto
Cuando se crea un hit en un cristal, ese cristal (o un grupo de cristales) no es capaz de tomar nuevos datos durante un tiempo
GamosHitsEventMgr • Guarda una lista de los cristales que han tomado datos
en un tiempo mayor que tiempo del suceso – tiempo muerto
del detector• Cuando hace la lista de hits buenos, chequea que el
cristal que contiene al hit no esté en esa lista
• El tiempo de medida se puede establecer en el fichero de
input
• Un tiempo distinto para cada tipo de SD
/gamos/setParam SD:Hits:DeadTime:Calor 100.*ns
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 24
Digitalización
Para el ClearPET es necesario simular en detalle todos los efectos de la toma de datos
• simulación del pulso de señal
• ruido electrónico
• filtreo de la señal
• muestreo y conversión en cuentas de ADC
• lógica del trigger
• ...
• eficiencias y resoluciones de los detectores
Pedro Rato está trabajando en ello
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 25
Histogramas
Varios formatos soportados: ROOT, AIDA, HBOOK• El mismo código para crear y rellenar histogramas independiente del formato• GAMOS se encarga de escribir el fichero en el formato elegido al final del job
Tipos de histogramas: 1D, 2D, Profile1D, Profile2D
GamosAnalysisMgr guarda una lista de histogramas para que
puedan ser accedidos desde cualquier parte del código, por número o por nombre
GamosHitsEventMgr::GetInstance(“pet”)->GetHisto1(1234)
->Fill(ener);
GamosHitsEventMgr::GetInstance(“pet”)->GetHisto1(“CalorSD:
hits energy”)->Fill(ener);
Se pueden tener varios ficheros cada uno con sus histogramas• Al crear un histograma se elige el nombre del fichero
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 26
Visualización
En GAMOS se pueden usar las mismas herramientas que en GEANT4:
• ASCIITree• GAGTree• OGLIX
• OGLSX• DAWN• DAWNFILE
• RayTracer
• G4HepRep• G4HepRepFile• VRML1• VRML2• VRML1File• VMRL2File
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 27
Visualización
Simulación PET CTI ECAT Exact (922)
Desintegraciones F18 distribuidas en NEMA94
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 28
Visualización con IGUANA
También es posible visualizar con IGUANA (Interactive Graphics for User ANAlysis)
• Visualización 3D interactiva• Menú despegable de la jerarquía de volúmenes
• Seleccionables individualmente y por jerarquía• Muestra por “logical volume” o “physical volume”• Enseña las propiedades de un volumen al hacer click en él
• “clip planes”• “slicers”• Cambios de luz y colores• ...
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 29
Visualización con IGUANA
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 30
Manejo de parámetros
Algunos algoritmos dependen de parámetros que el usuario puede cambiar
GamosParameterMgr ayuda al usuario a definir un nuevo parámetro de forma sencilla
• Se define un parámetro en el fichero de input/gamos/setParam SD:Hits:EnergyResolution 0.1
• Se accede a ese valor en cualquier parte del códigofloat enerResol = GamosParameterMgr::GetInstance()
->GetNumericValue(“SD:Hits:EnergyResolution”,0.);
Al usar un parámetro en el código siempre hay que definir un
valor por defecto (para el caso de que no aparezca en el
fichero de input)
Los parámetros pueden ser números o caracteres
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 31
Manejo de verbosidad
En modo normal el usuario quiere que haya poco output por suceso, pero cuando hay algún problema quiere mucho output
En GAMOS se puede controlar cuanta verbosidad se quiere desde el fichero de input
/gamos/verbosity GamosSDVerb 3
En el código se usa fácilmente G4cout << SDVerb(3) << “starting SD construction” << G4endl;
• 5 + 1 niveles de verbosidad• SilentVerb = -1• ErrorVerb = 0 (valor por defecto)• WarningVerb = 1• InfoVerb = 2• DebugVerb = 3• TestVerb = 4
Se pueden definir diferentes grupos de verbosidad
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 32
Manejo de verbosidad
TrackingVerbose:• Se puede elegir para cuales sucesos y cuales trazas se activa el comando “tracking/verbose” (imprime cada step de cada traza)
/gamos/userAction TrackingVerboseUA
/gamos/setParam TrackingVerbose:EventMin 1000
/gamos/setParam TrackingVerbose:EventMax 1010
/gamos/setParam TrackingVerbose:TrackMin 10
/gamos/setParam TrackingVerbose:TrackMax 20
TrackCount:• Se imprime el numero de suceso simulado cada N sucesos con el número de trazas del último suceso y acumuladas
/gamos/userAction TrackCountUA
/gamos/setParam TrackCount:EachNEvent 1000
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 33
Manejo de ficheros de input
Algunos algoritmos necesitan leer un fichero con una lista de datos
En GAMOS no es necesario tener el fichero en el mismo directorio donde se corre el programa
• Más fácil de utilizar el mismo fichero para varios programas..
La variable GAMOS_SEARCH_PATH contiene una lista de directorios donde GAMOS busca el fichero
• Se pueden añadir más directorios
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 34
Output para reconstrucción
GAMOS escribe un fichero con la información de los clusters para
los sucesos clasificados como buenos sucesos PET o ITACA
Antiguamente era un fichero texto, ahora queremos que sea
binario
• Formato PET binario ya ha sido probado (Oscar Vela)
• Formato ITACA está aún en discusión
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 35
Ejemplos
Ejemplos de los casos más comunes en física médica: Como introducción a GAMOS Para poder ser reutilizados por quien quiera implementar un caso parecido
Ejemplos de histogramas: lo más generales posibles para ser reutilizados
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 36
Ejemplos de física médica
Ejemplo PET: Ver presentación de P. Rato
Ejemplo ITACA: Basado en el ejemplo de J.M. Pérez Geometría esférica, segmentada virtualmente en R, theta y phi Clasificación como sucesos ITACA
Suceso PET + un par de clusters in “Tracker” y “Calor” con energía igual a la del tercer fotón
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 37
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 38
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 39
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 40
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 41
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 42
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 43
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 44
Ejemplos de histogramas
HistosPositron: Histogramas sobre la historia del positrón energía inicial rango energía en la aniquilación tiempo entre sucesos energía de los fotones resultantes
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 45
Ejemplos de histogramas
HistosGammaAtPhantom: Histogramas sobre la historia de los fotones “originales” en el “phantom” Clasificación por tipos de interacción DCA fotones en la creación DCA fotones al salir del “phantom”
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 46
Ejemplos de histogramas
HistosGammaAtSD: Histogramas sobre la historia de los fotones “originales” en los volúmenes sensitivos Clasificación por tipos de interacción energía pérdida desviación en ángulo
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 47
Ejemplos de histogramas
HistosHitsAndClusters: Histogramas sobre los hits and clusters en cada tipo de SD energía número de deposiciones de energía / número de hits distancia entre deposiciones de energía / entre hits diferencia de tiempos
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 48
Ejemplos de histogramas
ITACAEventClassifier: Histogramas sobre la clasificación en sucesos PET e ITACA Clasificación Número de clusters 511 / E=E_3erFotón Distancia línea - origen / cono - origen
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 49
GAMOS Primer (I)Ejemplo más básico en GAMOS:
Instalar GAMOS Soportado para Scientific Linux 3 y para Fedora Core 4 Utilizar los scripts de instalación automática (todavía hay que mejorarlos...)
Ir al directorio cd gamos/GAMOS_0_2_0/src/PET/PETgeometry
Configurar GAMOSgamosconf
Construir el fichero de input más básico: “myfile.in”/gamos/geometry PETgeometry
/gamos/physicsList GamosEMLowEnPhysics
/gamos/generator GamosGenerator
/gamos/generator/addActiveIsotope F18
/run/initialize
/run/beamOn 10
Correr GAMOSgamos myfile.in
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 50
GAMOS Primer (II)Añadiéndole funcionalidad: Añadiendo líneas de comando en el fichero de entrada
Definir un Sensitive Detector y crear hits/gamos/SD/assocSD2LogVol Simple Calor crystal
Hacer cluster de hits/gamos/clusterizer GamosClusterizerByBlock
Clasificar los sucesos/gamos/userAction ITACAEventClassifierUA
Añadir histogramas/gamos/userAction ItemGammaAtSD
Cambiar la precicisión para definir un cluster “511”/gamos/setParam ITACA:EvtClass:PET511EPrec 0.2
Visualizar la geometría y las trazas al tiempo que se corre/control/execute vis.OGLIX
Correr GAMOS guardando el output en un fichero gamos myfile.in | tee gamos.output
Producirá un fichero de histogramas: item.root
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 51
GAMOS Primer (II)Añadiéndole funcionalidad no existente: Geometría
Define tu geometría a la GEANT4 Dale un nombre (“MiDetector”) Selecciónalo en tu fichero de input
/gamos/geometry MiDetector
Distribución de la posición del isótopo Define tu nueva distribución (basada en GmVGenerDistPosition) Dale un nombre (“PosicionSegunTAC”) Selecciónalo en tu fichero de input
/gamos/generator/positionDist F18 PosicionSegunTAC
Igual se puede hacer para Física Distribución de energía, tiempo o dirección del generador Detector sensitivo “clusterizer” Acciones de usuario Histogramas
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 52
Uso de GAMOS
ClearPET en CIEMAT:
ClearPET Simular geometría instalada en CIEMAT Simular digitalización
Tracker Simular geometría instalada en CIEMAT Simular digitalización
Comparar y ajustar resultados con datos reales
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 53
Uso de GAMOS
Concepto ITACA: Estudiar el rendimiento en condiciones realistas
Simular un PET animal + tracker Anillo virtualmente segmentado en cristales
Definir parámetros objetivos para la medida del rendimiento (sin olvidar
el valor de las imágenes) Fuentes puntuales: resolución y eficiencia Casos realistas: cifras que midan de modo objetivo como de bien se detecta un
“punto caliente” sobre el fondo Buenas propiedades estadísticas (test de student)
Casos a simular Esferas de 1 mm en aire Esferas de 1 mm en agua (ratón) Esferas NEMA Ratón enfermo
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 54
Uso de GAMOS
Optimización de los parámetros del detector ITACA Distancia calor – tracker Grosores calor – tracker Número de cuentas (para conseguir ventajas en ITACA sobre PET) Resolución en energía Resolución en posición
Tamaño del cristal Medida de la posición radial
Resolución temporal Tiempo muerto Clusterificación ...
Pedro Arce GAMOS 26 Mayo 2006 55
Resumen
GAMOS permite simular diferentes geometrías, lista de física,
generadores, hits, cluster de hits y clasifica los sucesos como PET o
ITACA
Tiene utilidades para histogramas, manejo de parámetros, manejo de
verbosidad, manejo de ficheros de input, ...
Tiene ejemplos de PET, ITACA y de varios conjuntos de histogramas
Gracias a la ayuda de Pedro Rato la funcionalidad principal de GAMOS
está bastante debugueada
Podemos pensar en comenzar a simular ClearPET y el detector ideal de ITACA