[發明專利]一種基于數據場分割的移動人體劑量蒙特卡羅模擬方法

有效

• 申請號: 201310023433.4
• 申請日: 2013-01-22
• 公開（公告）號: CN103065056A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 宋婧;鄭華慶;龍鵬程;郝麗娟;吳宜燦
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明

技術領域

本發明涉及輻射屏蔽、核輻射環境下的維修裝配及漫游、核探測等領域的一種基于數據場分割的移動人體蒙特卡羅劑量計算方法。

背景技術

輻射屏蔽以及核輻射環境下維修裝配及漫游、核探測等領域中評估人體極其各個器官的輻射劑量都是其中的重要課題。劑量計算方法一般分為解析方法和蒙特卡羅方法。解析方法對于幾何和材料分布比較規則的問題具有快速和高計算精度的優勢，但對于復雜的問題誤差較大或無法求解；蒙特卡羅方法不受問題幾何和材料的限制，在所有區域均可保持較高精度，但以計算時間為代價，廣泛應用于輻射屏蔽及反應堆物理計算分析方面。

在實際應用中，如在反應堆的核輻射環境下進行設備的維修裝配與人體漫游，該環境中幾何部件結構十分復雜，材料分布不均勻，且人體在場中隨時間移動，人體及其各個器官的接受劑量隨時間和空間位置變化。

對于該類復雜的移動人體劑量計算問題，目前主要具體實現方法如下：

（1）解析方法：由于該方法受限于復雜幾何的限制，通常對幾何進行大量簡化，非均勻材料進行均勻化處理，以化簡為較規則的幾何和材料再采用解析的方法求解。該種方法首先在完整反應堆裝置的幾何和材料的均勻化及簡化處理上有一定的技術及實現上的困難，預處理耗時，簡化后的模型與實際的問題差異較大，計算的劑量場分布粗糙，無法做精細分析；對于移動人體問題的計算，通常將移動人體以質點或以其最大所占空間作包圍盒直接代替，無法精確計算人體所接受的劑量，更無法獲得人體各個器官的劑量分布。

（2）蒙特卡羅方法：現有的蒙特卡羅程序大多只針對靜態的幾何材料及源的空間分布情況，無法直接進行移動人體的劑量計算，只能選取移動路徑中若干代表性位置點，以當前時刻的幾何、材料及源分布進行靜態的粒子輸運計算，所有選取的時刻點的粒子均從放射源發射開始，以表征移動人體在輻射場中連續移動的情況。該方法不受限于幾何材料，較之解析方法可以獲取精確的結果，以數字人體模型進行計算可獲取人體及器官的劑量分布，如《HDRK-Man:a?whole-body?voxel?model?based?on?high-resolution?color?slice?images?of?aKorean?adult?male?cadaver》、《Dose?conversion?coefficients?calculated?using?a?series?of?adultJapanese?voxel?phantoms?against?external?photon?exposure》等文獻中均有相關研究的描述。該種方法的缺陷在于：由于通常情況下移動人體相對于整個輻射場所占的空間比較小，因此會對占據絕大多數空間的非移動場進行大量的重復計算，導致整個計算過程耗時嚴重；沒有考慮人體在移動過程中對輻射場的影響以及由于粒子與人體的相互作用，該時刻點對下一時刻點粒子輸運過程的影響。

本發明中公開的方法，相對與現有的解析方法及蒙特卡羅方法，能夠精確計算人體及各個器官的劑量，同時具有較高的計算速度。

發明內容

本發明目的在于提供一種基于數據場分割的移動人體劑量蒙特卡羅模擬方法，通過將空間位置靜態的粒子數據場與空間位置移動的粒子數據場進行分割，快速精確地進行移動人體問題的劑量計算。

本發明所采用的技術方案實現如下：一種基于數據場分割的移動人體劑量蒙特卡羅模擬方法，包含如下步驟：

步驟（1）、獲得計算輸入參數，包含如下內容：

幾何信息：包含輻射環境中各個部件的幾何形狀、尺寸及邏輯組合關系，以及用于表示人體的數字人體模型柵元信息；

材料信息：包含輻射環境中各個部件及數字人體模型幾何所對應的材料核素組成及分布，以及核素所對應的各種反應截面庫數據；

輻射源信息：輻射源的粒子種類、空間、能量、方向及概率分布；

移動人體徑跡信息：人體隨時間變化的狀態方程或離散狀態序列，以S(t，r，Ω)表示，其中t為時間，r為空間位置，Ω為方向角；

計數信息：包含計數區域、計數能譜、計算規模、計數時刻點(T₁、T₂......T_m)、插值間隔(N₁、N₂......N_m-1)，其中N_i為T_i~T_i+1之間均勻插值點個數；

步驟（2）、建立數字人體模型的包圍盒及離散狀態序列：