Современная ядерная медицина включает в себя, как диагностические, так и терапевтические методы, основанные на использовании ионизирующих ядерных излучений. Для реализации этих методик разрабатываются сложные физические установки, понимание всех особенностей работы которых необходимо медицинскому физику для того, чтобы максимально эффективно использовать их в целях диагностиуки и лечения пациентов. Разработка и, как правило, функционирование этих систем невозможно без применения математических моделей, описывающих взаимодействие ядерных излучений с биологическими объектами, а также с элементами конструкции данных установок. Одним из самых универсальных и достоверных методов моделирования процессов, связанных с применением ядерных излучений, является метод Монте-Карло. На основе этого метода строятся многие системы планирования в лучевой терапии. Этот метод используется при конструировании диагностических систем для оценки их эксплуатационных характеристик. В мире существует несколько общепризнанных систем моделирования ядерно-физических процессов на основе метода Монте-Карло. Большинство из них являются коммерческими и имеют ограниченное применение для разработки на их основе «фирменных» коммерческих программных продуктов для конкретных терапевтических и диагностических систем. Система моделирования Geant4, разработанная в европейском центре ядерных исследований ЦЕРН, является общедоступной и обладает высокой степенью апробированности и надежности. Одним из ее расширений является система GATE(Geant4 Application for Emission Tomography), предназначенная для моделирования медицинских систем получения изображений и радиотерапевтических систем. В настоящее время GATE поддерживает моделирование эмиссионных видов томографии (ПЭТ и ОФЭКТ), компьютерной рентгеновской томографии, а также различных устройств для радиотерапии.
Целями освоения учебной дисциплины «Математическое моделирование в медицине» являются:
– формирование у студентов понимания взаимосвязи различных физических процессов, лежащих в основе работы медицинских ядерно-физических систем
– изучение методики моделирования распространения излучений в биологических объектах на основе метода Монте-Карло
– изучение и освоение базовыми навыками работы с системой моделирования для ядерной медицины GATE, основанной на библиотеках моделей физических процессов Geant4.
– формирование у студентов представления о возможностях и ограничениях современных методов медицинской визуализации, о конструкции и особенностях функционирования различных типов томографов и сканеров для медицинской диагностики, использующих ионизирующие излучения.
- развитие навыков разработки и использования компьютерных математических моделей для оценки рабочих параметров диагностических и терапевтических систем ядерной медицины.