本发明专利技术公开了一种基于数据场分割的移动人体剂量蒙特卡罗模拟方法，包含如下步骤：获得计算输入参数；以实体的树形结构构建人体包围盒，得到人体的离散状态序列；将粒子径迹数据依据人体包围盒分割成灵敏数据场和非灵敏数据场；对两种数据场进行循环交替模拟，进出灵敏数据场时粒子进行相对状态转换，在同一模型中进行输运，进入灵敏数据场的粒子根据计数时刻点数m分裂成权重为1/m和1-1/m的两个粒子，分别在两个数据场中输运；经过线性插值得到人体在移动过程中精细的剂量变化情况。本发明专利技术能精确计算移动人体及各个器官的剂量变化情况，同时具有较高的速度，可广泛应用于辐射屏蔽、核辐射环境下的维修装配及漫游、核探测等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及辐射屏蔽、核辐射环境下的维修装配及漫游、核探测等领域的一种基 于数据场分割的移动人体蒙特卡罗剂量计算方法。
技术介绍
辐射屏蔽以及核辐射环境下维修装配及漫游、核探测等领域中评估人体极其各个 器官的辐射剂量都是其中的重要课题。剂量计算方法一般分为解析方法和蒙特卡罗方法。 解析方法对于几何和材料分布比较规则的问题具有快速和高计算精度的优势，但对于复杂 的问题误差较大或无法求解；蒙特卡罗方法不受问题几何和材料的限制，在所有区域均可 保持较高精度，但以计算时间为代价，广泛应用于辐射屏蔽及反应堆物理计算分析方面。在实际应用中，如在反应堆的核辐射环境下进行设备的维修装配与人体漫游，该 环境中几何部件结构十分复杂，材料分布不均匀，且人体在场中随时间移动，人体及其各个 器官的接受剂量随时间和空间位置变化。对于该类复杂的移动人体剂量计算问题，目前主要具体实现方法如下(I)解析方法由于该方法受限于复杂几何的限制，通常对几何进行大量简化，非 均匀材料进行均匀化处理，以化简为较规则的几何和材料再采用解析的方法求解。该种方 法首先在完整反应堆装置的几何和材料的均匀化及简化处理上有一定的技术及实现上的 困难，预处理耗时，简化后的模型与实际的问题差异较大，计算的剂量场分布粗糙，无法做 精细分析；对于移动人体问题的计算，通常将移动人体以质点或以其最大所占空间作包围 盒直接代替，无法精确计算人体所接受的剂量，更无法获得人体各个器官的剂量分布。(2)蒙特卡罗方法现有的蒙特卡罗程序大多只针对静态的几何材料及源的空间 分布情况，无法直接进行移动人体的剂量计算，只能选取移动路径中若干代表性位置点， 以当前时刻的几何、材料及源分布进行静态的粒子输运计算，所有选取的时刻点的粒子均 从放射源发射开始，以表征移动人体在辐射场中连续移动的情况。该方法不受限于几何 材料，较之解析方法可以获取精确的结果，以数字人体模型进行计算可获取人体及器官的 剂量分布，如《HDRK_Man:a who I e-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》等文献中均有相关研究的描述。该种方法的缺陷在于由于通常情况下 移动人体相对于整个辐射场所占的空间比较小，因此会对占据绝大多数空间的非移动场进 行大量的重复计算，导致整个计算过程耗时严重；没有考虑人体在移动过程中对辐射场的 影响以及由于粒子与人体的相互作用，该时刻点对下一时刻点粒子输运过程的影响。本专利技术中公开的方法，相对与现有的解析方法及蒙特卡罗方法，能够精确计算人 体及各个器官的剂量，同时具有较高的计算速度。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供，通过将空间位置静态的粒子数据场与空间位置移动的粒子数据场进行分割，快速精确地进行移动人体问题的剂量计算。本专利技术所采用的技术方案实现如下，包含如下步骤步骤(I)、获得计算输入参数，包含如下内容几何信息包含辐射环境中各个部件的几何形状、尺寸及逻辑组合关系，以及用于表示人体的数字人体模型栅元信息；材料信息包含辐射环境中各个部件及数字人体模型几何所对应的材料核素组成及分布，以及核素所对应的各种反应截面库数据；辐射源信息辐射源的粒子种类、空间、能量、方向及概率分布；移动人体径迹信息人体随时间变化的状态方程或离散状态序列，以S(t，r，Ω) 表示，其中t为时间，r为空间位置，Ω为方向角；计数信息包含计数区域、计数能谱、计算规模、计数时刻点( \、Τ2......Tffl)、插值间隔(N1)N2......U，其中Ni为T厂Ti+1之间均匀插值点个数；步骤(2)、建立数字人体模型的包围盒及离散状态序列以数字人体模型的几何实体为单位构建树形结构，从根节点开始进行广度优先搜索，确定数字人体模型的长方体包围盒尺寸；数字人体模型的移动等价于其包围盒的移动， 根据输入的移动人体径迹信息及计数信息得到计数时刻点所对应的数字人体模型及其包围盒的离散状态序列；步骤(3)、数据场分割将模拟的粒子径迹数据分割成数字人体模型包围盒内的灵敏数据场和其他空间区域内的非灵敏数据场，这样将整个粒子输运数据空间划分为m个计数时刻点所对应的m 个灵敏数据场和I个非灵敏数据场；步骤(4)、数据场模拟数据场模拟时，粒子首先从非灵敏数据场发出，当粒子从某一数据场进入到另一数据场时，先将该粒子数据压入堆栈，待该数据场模拟完再模拟另一数据场，对非灵敏数据场和灵敏数据场进行循环交替输运模拟，直到整个数据场中的粒子穿出系统或被截断后， 结束对粒子的模拟；对于进入灵敏数据场的粒子，根据该位置包围盒相对于初始时刻的移动，将粒子方向角和位置变换为相对于初始时刻包围盒的状态，对出灵敏数据场粒子的方向角和位置进 行逆变换，灵敏数据场中的粒子均在初始时刻数字人体模型及包围盒模型中进行输运；在模拟过程中对m个灵敏数据场进行同时模拟，进入灵敏数据场中的粒子分裂为权重为Ι/m和l-1/m的两个粒子,权重为Ι/m的粒子在灵敏数据场进行输运,权重为l-1/m 的粒子进入非灵敏数据场堆栈；步骤(5)、人体剂量结果统计基于数字人体模型进行结果统计，数字人体模型中含有人体各个器官精细的网格划分以及几何和材料信息，统计得到计数时刻点的数字人体模型网格通量，在通量基础上乘以各个器官的通量剂量转换因子得到网格剂量分布，通过对同一栅元相邻计数时刻点的剂量值进行线性插值，得到插值时刻相应的数字人体模型网格剂量分布，从而得到人体在 移动过程中精细的剂量变化情况，最后进行结果的输出。其中，对实际数字人体模型所在m个点位置的粒子模拟过程进行时间和空间上的 合并，同时对数字人体模型移动的m个计数时刻点即对应的m个灵敏数据场进行模拟，进入 灵敏数据场中的粒子分裂为权重为Ι/m和l-1/m的两个粒子，权重为Ι/m的粒子在灵敏数 据场进行输运，权重为l-1/m的粒子进入非灵敏数据场堆栈，减少对粒子的重复模拟，提高 计算速度。本专利技术的优点在于根据移动数字人体模型包围盒将粒子输运径迹数据分为灵敏数据场和非灵敏数 据场，对灵敏数据场和非灵敏数据场交互模拟，能对用户关心的灵敏数据场进行精细模拟， 模拟流程较之一般蒙特卡罗固定源计算中按序模拟源粒子及其次级粒子，缩小了几何判别 范围，在计算机上能模拟更复杂精细的模型，减少几何判断及材料核素相关截面的重复计 算，提高计算速度。将处于灵敏数据场的粒子方向角和位置变换为相对于初始时刻包围盒的状态，多 个灵敏数据场中的粒子均在同一模型中进行输运，相对于均以世界坐标系输运的传统方 法，在大量的几何处理过程中不需要对复杂的几何体进行随时间的坐标变换及建立多个数 字人体模型，减少内存，简化计算，提高计算速度。将进入灵敏数据场的粒子根据计数时刻点数m分裂成权重为Ι/m和l_l/m的两个 粒子，分别在两个数据场中输运，相对于现有的蒙特卡罗方法计算该类问题，不用对占据绝 大本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于数据场分割的移动人体剂量蒙特卡罗模拟方法，其特征在于，包含如下步骤：步骤（1）、获得计算输入参数，包含如下内容：几何信息：包含辐射环境中各个部件的几何形状、尺寸及逻辑组合关系，以及用于表示人体的数字人体模型栅元信息；材料信息：包含辐射环境中各个部件及数字人体模型几何所对应的材料核素组成及分布，以及核素所对应的各种反应截面库数据；辐射源信息：辐射源的粒子种类、空间、能量、方向及概率分布；移动人体径迹信息：人体随时间变化的状态方程或离散状态序列，以S(t，r，Ω)表示，其中t为时间，r为空间位置，Ω为方向角；计数信息：包含计数区域、计数能谱、计算规模、计数时刻点(T1、T2......Tm)、插值间隔(N1、N2......Nm?1)，其中Ni为Ti~Ti+1之间均匀插值点个数；步骤（2）、建立数字人体模型的包围盒及离散状态序列：以数字人体模型的几何实体为单位构建树形结构，从根节点开始进行广度优先搜索，确定数字人体模型的长方体包围盒尺寸；数字人体模型的移动等价于其包围盒的移动，根据输入的移动人体径迹信息及计数信息得到计数时刻点所对应的数字人体模型及其包围盒的离散状态序列；步骤（3）、数据场分割：将模拟的粒子径迹数据分割成数字人体模型包围盒内的灵敏数据场和其他空间区域内的非灵敏数据场，这样将整个粒子输运数据空间划分为m个计数时刻点所对应的m个灵敏数据场和1个非灵敏数据场；步骤（4）、数据场模拟：数据场模拟时，粒子首先从非灵敏数据场发出，当粒子从某一数据场进入到另一数据场时，先将该粒子数据压入堆栈，待该数据场模拟完再模拟另一数据场，对非灵敏数据场和灵敏数据场进行循环交替输运模拟，直到整个数据场中的粒子穿出系统或被截断后，结束对粒子的模拟；对于进入灵敏数据场的粒子，根据该位置包围盒相对于初始时刻的移动，将粒子方向角和位置变换为相对于初始时刻包围盒的状态，对出灵敏数据场粒子的方向角和位置进行逆变 换，灵敏数据场中的粒子均在初始时刻数字人体模型及包围盒模型中进行输运；在模拟过程中对m个灵敏数据场进行同时模拟，进入灵敏数据场中的粒子分裂为权重为1/m和1?1/m的两个粒子，权重为1/m的粒子在灵敏数据场进行输运，权重为1?1/m的粒子进入非灵敏数据场堆栈；步骤（5）、人体剂量结果统计：基于数字人体模型进行结果统计，数字人体模型中含有人体各个器官精细的网格划分以及几何和材料信息，统计得到计数时刻点的数字人体模型网格通量，在通量基础上乘以各个器官的通量剂量转换因子得到网格剂量分布，通过对同一栅元相邻计数时刻点的剂量值进行线性插值，得到插值时刻相应的数字人体模型网格剂量分布，从而得到人体在移动过程中精细的剂量变化情况，最后进行结果的输出。...
【技术特征摘要】
1.一种基于数据场分割的移动人体剂量蒙特卡罗模拟方法，其特征在于，包含如下步骤步骤(I)、获得计算输入参数，包含如下内容几何信息包含辐射环境中各个部件的几何形状、尺寸及逻辑组合关系，以及用于表示人体的数字人体模型栅元信息；材料信息包含辐射环境中各个部件及数字人体模型几何所对应的材料核素组成及分布，以及核素所对应的各种反应截面库数据；辐射源信息辐射源的粒子种类、空间、能量、方向及概率分布；移动人体径迹信息人体随时间变化的状态方程或离散状态序列，以s(t，r，Ω)表示， 其中t为时间，r为空间位置，Ω为方向角；计数信息包含计数区域、计数能谱、计算规模、计数时刻点(TpT2......Tm)、插值间隔(K、N2......Nnri)，其中Ni为T厂Ti+1之间均匀插值点个数；步骤(2)、建立数字人体模型的包围盒及离散状态序列以数字人体模型的几何实体为单位构建树形结构，从根节点开始进行广度优先搜索， 确定数字人体模型的长方体包围盒尺寸；数字人体模型的移动等价于其包围盒的移动，根据输入的移动人体径迹信息及计数信息得到计数时刻点所对应的数字人体模型及其包围盒的离散状态序列；步骤(3)、数据场分割将模拟的粒子径迹数据分割成数字人体模型包围盒内的灵敏数据场和其他空间区域内的非灵敏数据场，这样将整个粒子输运数据空间划分为m个计数时刻点所对应的m个灵敏数据场和I个非灵敏数据场；步骤(4)、数据场模拟数据场模拟时，粒子首先从非灵敏数据场发出，当粒子从某一数据场进入到另一数据场时，先将该粒子数据压入堆栈，待该数据场模拟完再模拟另...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋婧，郑华庆，龙鹏程，郝丽娟，吴宜灿，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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