GATE 10 蒙特卡罗粒子输运模拟——第二部分:架构与创新
医学物理
2025-07-21 v2 计算物理
摘要
过去几年中,我们开发了 GATE 第 10 版,这是基于 Geant4 的、用于医学物理中粒子与辐射输运模拟的长期蒙特卡罗应用的一次重大重新实现。该版本引入了许多新特性与重要改进,其中最显著的是用基于 Python 的用户界面取代了原有的静态输入文件。GATE 第 10 版的新功能在配套的第一部分论文中已有描述。开发过程带来了重大挑战。本文介绍了我们为克服这些挑战所提出的解决方案。具体而言,我们提出了一种模块化设计,能够稳健地管理仿真的核心组件:粒子源、几何、物理过程与数据采集。该架构由 C++ 与 Python 编写的部分组成,二者需要进行耦合。我们解释了此框架如何实现对初级粒子的精确且时间感知的生成——这是准确建模正电子发射断层扫描(PET)、放射性核素治疗以及瞬发伽马定时系统的关键需求。我们展示了 GATE 10 如何在向用户暴露简洁接口的同时处理复杂的 Geant4 物理设置。此外,我们还描述了促进高级物理模型与方差缩减技术无缝集成的技术方案。该架构支持对物理量(如线性能量传递与相对生物效能)的复杂评分,并被设计为支持多线程执行。新的用户界面允许研究人员编写复杂的仿真工作流脚本,并可直接耦合外部工具,例如用于源生成或探测器响应的人工智能模型。通过详述这些架构创新,我们展示了 GATE 10 如何为医学物理研究与创新提供更强大、更灵活的工具。
引用
@article{arxiv.2507.09840,
title = {GATE 10 Monte Carlo particle transport simulation -- Part II: architecture and innovations},
author = {Nils Krah and Nicolas Arbor and Thomas Baudier and Julien Bert and Konstantinos Chatzipapas and Martina Favaretto and Hermann Fuchs and Loïc Grevillot and Hussein Harb and Gert Van Hoey and Maxime Jacquet and Sébastien Jan and Yihan Jia and George C. Kagadis and Han Gyu Kang and Paul Klever and Olga Kochebina and Lydia Maigne and Philipp Mohr and Guneet Mummaneni and Valentina Paneta and Panagiotis Papadimitroulas and Alexis Pereda and Axel Rannou and Andreas F. Resch and Emilie Roncali and Maxime Toussaint and Carlotta Trigila and Charalampos Tsoumpas and Jing Zhang and Karl Ziemons and David Sarrut},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.09840},
year = {2025}
}