施灿辉[1]2003年在《基于图像的MCNP数字人体建模与仿真研究》文中研究说明随着人体解剖学和肿瘤放射物理学的逐渐发展，以医学序列图像(如CT、MRI)为基础进行的计算机辅助诊断治疗正发挥着越来越大的作用，放疗计划制定的优劣取决于很多因素，现有放疗技术中最先进的是适形调强放疗技术，但依然存在CT模拟定位、体位固定以及剂量计算不精确等问题。目前国内商用放疗计划软件在模拟计算剂量分布的时候，大多采用水体模加修正因子的方法，如果使用大型仿真程序MCNP进行精确剂量计算，需要建立精确的人体体模，同时会带来大量的时间消耗。本文在初步研究使用VTK(可视化软件包)进行医学序列图像可视化之后，集中研究了基于图像的人体建模方法以达到使用MCNP进行精确剂量计算的目的。VTK是一种用于3D计算机图形学、图像处理及可视化的工具。医学序列图像的可视化技术包括体绘制和表面绘制两大类，各有其特点和适用领域。使用VTK可以很大程度地简化医学序列图像重建的问题。MCNP是大型蒙特卡罗中子、光子和电子输运仿真程序，是国际上用来进行剂量计算的重要工具之一。本文主要工作有以下几点：(1) 初步研究了医学序列图像可视化技术的方法、原理、特点以及VTK实现叁维重建及可视化的算法过程。(2) 研究并实现了一种从医学序列图像CT建模并使用MCNP进行精确剂量计算的方法，用于建立基于CT值的精确人体脑部模型。文中详细介绍了其中核心算法—“体元合并”的两种实现方法。(3) 该算法生成的MCNP输入文件用以进行剂量计算，解决实际应用中计算时间过长和MCNP程序栅元数量限制的问题，实验结果证明了算法的正确性、有效性。
陈卓[2]2004年在《基于VTK的可视化相关研究及其在医学TPS中的应用》文中研究指明放射治疗主要用于治愈恶性肿瘤，在进行放射治疗前，医生首先要制订放射治疗计划。一个完善的叁维放疗计划系统，需要准确描述病灶区域、正常组织及人体的空间关系，建立准确的剂量分布数据场，最终能够对人体的剂量空间分布进行多角度多层面的可视化。 本文在一个精确放射治疗系统的整体研发工作框架下，探索了可视化技术在其中的应用途径，对系统研发中的可视化及其相关工作进行了研究，在此基础上实现了面向医学TPS的可视化原型系统。作者首先提出并实现了面向医学TPS的可视化数据场接口，提高了可视化技术在TPS中应用的实效性和通用性；其次对经典区域填充算法进行了改进，提出了一种精确的区域填充算法，并应用该算法实现了医学TPS中目标区域数据的生成；再次通过运用多种剂量计算体元建模方法对医学仿真计算模型进行验证，从而保证了剂量计算数据的正确性；最后利用VTK实现了TPS中叁维空间数据场中可视化，在探索两类可视化方法原理和特点的基础上，扩展了TPS中基于选择的特征可视化，从而提高了TPS在放射治疗中的指导价值。 本文工作为作者所在研发小组继续研究精确放射治疗中的关键技术提供了良好的测试平台，同时也为开发具有自主知识产权的精确放射治疗系统进行了有益的尝试。
周少恒[3]2012年在《蒙特卡罗粒子输运程序MCNP大规模叁维网络数据的实时可视化分析研究》文中提出蒙特卡罗方法粒子输运程序MCNP已广泛应用于反应堆物理、辐射屏蔽、核技术、医学物理等诸多领域。随着核能事业和计算机技术的不断发展,用户对MCNP的物理计算精度要求越来越高,为了得到更加精确的计算结果,一方面,可以使用精细的网格划分逼近非均匀的计算几何模型；另一方面,MCNP高级版本已开始使用网格计数功能标记叁维空间分布结果。随之而来的是,MCNP叁维网格数据的规模也越来越庞大。针对大规模叁维网格数据,常规的直接体绘制方式因绘制开销大无法实现实时交互分析；基于降维思想的二维轴向分布分析方法效率低,容易丢失数据细节,且不直观。因此MCNP大规模叁维网格数据仍然缺乏有效的实时可视化分析方法和工具。针对上述问题,本文结合科学计算可视化技术、数据裁剪等技术,对MCNP大规模叁维网格数据的可视化分析展开了系统深入的研究,提出了一种基于边界网格的大规模叁维网格数据实时交互可视化方法,实现了MCNP大规模叁维网格数据的高效实时可视化。同时通过深入分析MCNP叁维网格数据,发展了基于阂值的数据裁剪可视化和任意切面提取可视化方法,进一步提升了可视化分析的灵活性。通过集成上述方法,自主开发一套面向蒙特卡罗粒子输运程序MCNP的大规模叁维网格数据的实时可视化分析原型系统,同时作为一个子系统集成至FDS团队自主研发的核辐射虚拟仿真与评估系统RVIS当中。本文利用以FDS团队自主构建的中国成年女性数字化辐射人体计算模型FDS-HUMAN为代表的大量测试例题对原型系统进行了测试。测试结果表明,该系统能够有效地满足MCNP大规模叁维网格数据的实用分析要求,实现了实时可视化分析,达到了预期的设计目标。该系统的开发为MCNP计算提供了直观、高效、灵活的可视化分析环境。
王文[4]2015年在《人体与加速器的蒙特卡罗计算建模关键技术研究及应用》文中提出放射治疗是临床上治疗肿瘤的叁大手段之一,剂量计算是放射治疗计划设计与验证的核心技术。基于蒙特卡罗的剂量计算方法被公认为最精确的放射治疗剂量计算方法,而是否能够建立高精度的加速器装置和人体模型是决定剂量计算精度的关键因素之一。基于上述问题本文深入研究了蒙特卡罗模拟放疗计划过程中涉及的加速器治疗头的建模、多叶光栅建模、人体模型建模和加速器装置与人体模型的耦合建模等一系列关键问题。主要的创新点如下：1、发展了基于直线加速器治疗头CAD模型的精确蒙特卡罗建模方法,实现加速器工程模型到蒙卡模型的转换,为放疗计划模拟提供了真实的射束源。基于该方法建立了某国产加速器治疗头的精确模型,模拟了6MeV加速器的光子射束,通过纯水模例题计算与实测值进行对比,数据一致性验证了所建立的加速器模型的正确性。2、发展了一种能够模拟多叶光栅(MLC)精细结构的精确建模方法,解决适形或调强放疗计划中复杂限束装置的精确建模的困难问题。参数化的建模界面可以建立MLC特有的弧形端面、舌状和凹槽结构、侧面聚焦于加速器源点的叶片,精细地模拟了MLC叶片的机械几何构造,解决手工建模的复杂性问题。通过纯水模例题计算与实测值的对比,验证了MLC建模的正确性。3、基于层次化建模思想,发展了加速器治疗头、MLC和人体模型的耦合建模方法,实现了放射治疗射束与人体剂量的整体输运的模拟。通过模拟真实的放疗计划例题与EGSnrc的计算结果进行对比测试,结果的一致性证明了耦合方法的准确性。
单锦露[5]2008年在《数字化女性盆腔放射治疗模型研究》文中研究表明肿瘤放射治疗是目前治疗恶性肿瘤的叁大手段之一,其治疗方式是利用电离辐射对生物细胞的杀伤作用进行治疗。所以,作为治疗的各种放射线在杀灭肿瘤细胞的同时,又不可避免损伤部分正常的组织和器官。放射治疗的目标就是在尽可能提高肿瘤的受照射剂量的同时最大限度地保护肿瘤周围的正常组织,从而提高肿瘤的局部控制率,降低正常组织的放疗并发症。人体内器官的空间位置及辐射剂量的分布是无法通过仪表直接测量的,在对医疗仪器科学性、安全性、可操作性的判断过程中,不允许使用活体真人进行试验,因此必须为人类找到一个替身来研究器官在人体中的空间位置以及在医疗照射中器官剂量的分布来避免上述危害。中国数字化人体数据集的建立为放射治疗的剂量学计算提供了中国人人体模型基础,利用中国数字化人体数据集可以建立完整的人体数字化模型库,能更精确地对人体内各个器官的空间位置进行观测和对组织剂量分布进行数字模拟仿真计算,以便获得更合理的放疗方案和更精确的剂量分布,提高肿瘤的疗效,减少放疗并发症,并为制订符合中国人的放射物理模型提供了理论依据和技术平台。本实验以标本号为CVH-2的可视化女性人体数据集的原位女性盆腔连续横断层图像(髂嵴至坐骨结节下缘平面)为研究对象,利用Amira 4.1软件进行计算机图像重采样处理,生成多方位的连续薄层断面图像数据集,实现同一例标本的多方位断面图像的观测,在此基础上对常用照射野内的组织器官进行断层解剖学观测。在计算机上利用可视化软件,采用交互式手动分割和自动阈值分割相结合的数据提取方法,进行盆腔内放射治疗敏感器官的图像分割和叁维重建,在盆腔器官叁维重建的基础上,模拟盆腔常用的外照射射野,使得照射野所包含的组织在叁维空间上可以直观地显示出来,并可在各个方位、角度上进行动态观察,讨论各种照射野所包含的解剖结构的空间位置关系以及常规照射野的一些挡铅方式存在的问题。在构建的女性盆腔内部器官结构叁维解剖模型基础上,充分利用数字化人体数据的高清晰度、高分辨率、高识别率的优势,结合同一例数据标本的CT数据,探讨不同数据源与标准DICOM数据转换的方法,并将两种类型的数据进行了图像配准和融合,使低识别率的CT数据具有了高识别率的特性,构建临床上通用的女性盆腔数字化放射治疗模拟计算模型,以期实现在数字模型上对妇科肿瘤盆腔放射治疗中肿瘤靶体积和重要器官剂量的评估和放射治疗计划的优化设计,为建立完整的人体数字化辐射模型库方法进行初步探索。其研究成果对于盆腔恶性肿瘤放射治疗剂量的解析计算、临床治疗方案的选择与优化以及放射治疗计划质量保证(quality assurance,QA)具有重要的理论和临床意义。本研究的主要结果和结论如下:1.在女性数字化可视人体数据集盆腔薄层断面图像数据的基础上,利用Amira 4.1软件的重采样功能生成多方位的连续断面图像数据集,实现同一例标本的多方位断面图像观测,为开展数字解剖学教学与临床影像诊断等提供了全方位的断层解剖学资料。2.获得了女性盆腔放射治疗中多种照射野方位的连续断层图像,结合临床照射野的特点,探讨了相关照射野视窗范围内重要器官的断层解剖学结构特点与走行分布规律,为肿瘤影像诊断的准确性和放射治疗方式的正确选择、靶区的正确勾画提供断层解剖学依据。3.运用计算机叁维重建可视化技术,实现了盆腔照射野的叁维可视化,精确模拟了常规照射野的观察视窗,从多方位、多角度立体显示照射野范围内各器官之间的空间结构和毗邻关系,特别是靶器官和危险器官的毗邻关系,为女性盆腔外照射射野方式的选择和降低肿瘤放射治疗中放疗并发症发生的深入研究提供了立体形态学依据。4.利用虚拟断层技术和叁维照射野视窗的虚拟现实仿真技术,为女性盆腔内器官结构的空间位置理解提供了更直观的显示方式,为照射野解剖学的深入研究提供了相应的技术平台。5.首次实现了数字化可视人体分割数据与标准DICOM3.0数据格式的转换,建立了一套符合临床放射治疗系统数据要求的标准DICOM3.0中国可视化人体数据源女性盆腔数据,为数字化可视人体应用于临床影像设备提供完整的技术方案和程序代码,有助于数字化可视人体数据的临床推广应用,为临床影像数据提供了精确而详细的辅助资料。6.对不同数据源的医学图像融合方法和融合效果评估进行了探讨,使同一例标本的CT数据源和数字化可视人体数据集的匹配度达到95%以上,并成功实现了同一例标本不同数据源的图像融合,使低分辨率的临床CT具有分割标识,为妇科肿瘤放射治疗过程中靶区勾画、治疗方案优化和剂量评估提供了具有重要器官分割特性的数字模拟计算模型。7.成功建立了平均CT值和具有分割特性的CT数据两种女性盆腔放疗模拟计算模型,所建模型符合DICOM3.0数据格式,可作为理想的中国人数字化放疗模拟计算模型,为研究更合理的放疗方案和更精确的剂量分布、寻求更加精确的剂量计算方法提供了理想的活体真人替代品,为建立完整的国人辐射人体数字化模拟计算模型库的方法进行初步探索。8.在临床放射治疗计划系统(TPS)上,利用建立的女性盆腔数字化放射治疗模拟计算模型实现了宫颈癌2D-RT、3D-CRT和IMRT剂量分布的模拟计算。在相应的剂量分布断面及叁维重建图像上,对2D-RT、3D-CRT和IMRT在宫颈癌的剂量分布进行比较研究,探讨各种照射方式的优势和价值,为宫颈癌的临床放疗计划的设计提供了剂量学的参考依据。
朱慧杰[6]2017年在《锥束CT动态Bowtie仿真研究》文中提出计算机层析成像技术(Computed Tomography,简称CT)自诞生起,就迅速成为诊断影像学的核心技术。随着CT检测的普及,其辐射剂量问题已成为技术发展焦点问题和公共卫生问题。为了降低CT扫描的辐射剂量,现代CT系统已采用一些有效的技术方法和设备。其中,较为常见地会在射线源和被测物体之间配置一个蝴蝶结形状的Bowtie滤波器。该滤波器与被测物体的组合能够使探测器数据均匀化,有效降低扫描剂量。然而在扫描过程中,面对不同形状的检测对象,或者不同时刻下变化的扫描物体轮廓,CT系统期望得到动态的、适应当前扫描环境的滤波效果。但经典Bowtie滤波器只能在CT扫描过程提供单一的,不变的滤波效果,无法满足CT系统的动态滤波需求。为此,我们提出一种能够实时、动态地调制X射线的动态滤波器,我们称为锥束CT动态Bowtie。相比其他动态滤波器设计,锥束CT动态Bowtie最显着的创新点是能够满足锥束CT系统的滤波需求,实现了从二维扇形束CT滤波到叁维锥束CT滤波的跨越,实用价值更高。本论文利用蒙特卡罗仿真技术,针对一种配置了锥束CT动态Bowtie的CT系统,确定锥束CT动态Bowtie的结构设计并分析和研究动态滤波器的性能。论文的研究内容如下:(1)采用matlab程序对锥束CT动态Bowtie的X射线扫描过程进行投影仿真。实验结果表明Bowtie滤波器的动态特性使其投影能够时刻跟随被测物体投影值的变化,能够实时、动态地调节X射线在投影路径上的差异,使得整体投影满足一致性,满足CT系统的动态滤波需求。(2)利用蒙特卡罗仿真技术,进行锥束CT动态Bowtie关于X射线能谱、光子通量以及衰减材料的仿真实验。对实验数据进行分析,结合X光子的通量分布,利用其关于溶液浓度和衰减路径长度的衰减特性,最终推导得到高衰减模块的曲面参数。仿真实验结果表明,在高衰减模块的作用下,通量分布极值比提升幅度达到46%,光子通量的一致性得到显着提高,有利于提升探测器性能。(3)采用通量-剂量转换系数法进行锥束CT动态Bowtie的辐射剂量仿真实验。充分考虑医用CT的实际应用环境,在MCNP程序中建立一个人体模型进行仿真实验。仿真结果表明,锥束CT动态Bowtie在保证图像质量的条件下,不仅可以降低检测对象整体的辐射剂量,还能有效降低非感兴趣区域的辐射剂量。在锥角视场内,不同截面的剂量分布都得到有效地调制,表明锥束CT动态Bowtie能够满足锥束CT的滤波需求。(4)进行锥束CT动态Bowtie的散射仿真实验。实验结果表明,锥束CT动态Bowtie能够降低散射光子对感兴趣区域的影响,图像的有用信息得到增强。因此,滤波后的图像信息更为丰富,能够观察到更多细节,图像质量有所提升。
肖魏峰[7]2014年在《肺部γ内污染探测效率虚拟刻度技术研究》文中研究说明核事故发生后,放射性气溶胶易被吸入人体肺部并沉积其中。通过在体外探测放射性核素所发出的γ射线,可获知被人体吸入的放射性核素的种类,通过探测效率计算出沉积在肺部的放射性核素的活度,结合辐射剂量学估算出人体受照射的剂量。根据人员受到的辐射剂量,对其采取相应的治疗措施。效率刻度是测量过程中一个重要环节,效率刻度的准确与否直接决定着测量结果是否可靠。标准源校刻法是最简单也是准确的效率刻度方法,标准源为单一能量或是能量分隔较开。放射性气溶胶由于在肺部呈均匀分布,这时,肺部可看作一个体源。因此,在效率刻度工作中,采用与肺部形状相同或相似的标准体源刻度才能获得准确的结果。随着计算机技术的发展,利用蒙特卡罗软件建立人体数字模型进行虚拟效率刻度的技术日趋成熟。MCNP程序提供了丰富的几何描述方法,可以建立高纯锗探测器和人体模型。计算机断层扫描成像等医学影像技术为建立可用于MCNP程序的体素体模提供了技术支持。体素体模由大量细小的体素构成,非常接近真实的人体构造,利用体素体模可进行精确的效率刻度。本文依托科技部重大仪器专项——γ放射性肺部内污染检测子系统,利用MCNP程序对肺部γ内污染的虚拟效率刻度技术开展了以下研究工作。(1)高纯锗探测器建模。高纯锗探测器因其具有很高的能量分辨率,可以很好地分辨被吸入的放射性核素的种类。但是高纯锗探测器由于有死层的存在,使它对低能γ射线的探测能力有限。往往厂家给出的死层厚度不能直接作为MCNP建模的参考,需要通过实验与模拟相结合的方式建立准确的模型。实验采用了标准的152Eu点源,选取了能谱中121.78keV.778.9keV和1408keV的γ射线全能峰的半高宽(FWHM)。根据半高宽和道宽计算出MCNP输入文件中的GEB和En的参数,使MCNP模型的性能与真实探测器相同。实验测得对121.78keV的γ射线的实测探测效率为8.7694×10-5。通过调整探测器模型的死层厚度进行MCNP模拟计算,当死层厚度为1.7mm时对121.78keV的γ射线的探测效率为8.78×10-5,与实测数据相当接近,可认为探测器死层厚度为1.7mm。(2)肺部γ内污染建模。KTMAN-2是利用人体的CT图像建立的体素体模。各个身体组织的元素构成、密度等均参照ICRP提供的数据设置。因此,这类人体模型与真实的人体不论是几何结构还是组成物质的成份都非常接近。在建立KTMAN-2体素模型的肺部γ内污染模型时,将整个双肺设置为γ光子发射的起始点,并且在4π立体角内各向同性发射,发出的γ射线均为单能的γ射线。选取了8种常见的放射性核素所发出的共9种能量的γ射线作为从肺部发出的γ射线,其能量分别为0.09886MeV、0.10531MeV、0.12206MeV、0.36448MeV、0.6617MeV、1.1732MeV、1.3325MeV、1.4608MeV和1.836MeV。(3)效率刻度模型设计。Y射线从肺部发出后会与人体组织发生相互作用,由于人体各个组织成份和密度的差异,在体外不同的位置探测的结果也不同。为了获得最优探测方式,根据肺部所处位置选择了前胸的右上、右下、左上、左下,以及后背的右上、右下、左上、左下,共八个位置作为不同探测位置对比。运用MCNP程序分别模拟计算了探测器分别在八个位置上对各能量丫射线的探测效率。从模拟结果可以看出,在前胸的左上位置可获得最高的探测效率。在低能部分,探测效率随着γ射线能量的增加而增大；当能量增大到一定程度以后,探测效率则随着能量的增加而减小。
何桃[8]2014年在《核与辐射安全集成仿真方法与技术研究》文中研究说明如何准确预知核与辐射环境下从业人员受到的辐射剂量,尽量降低核与辐射危害一直是辐射防护领域关注的重要问题。仿真科学将理论和实验研究连接起来,己被广泛应用于计算机模拟核与辐射环境下应用方案的设计、评估和优化,其分析过程一般表现为跨平台、跨领域、多用户协作之间的迭代优化。随着网络与通信、高性能计算、虚拟现实、可视化等信息技术的快速发展,为从整体行为上高保真集成仿真核与辐射环境下的作业过程、高效开展核设计和分析提供了可能。本文在此背景下结合当前相关先进信息技术与理论,就如何高保真模拟核与辐射环境下作业过程、尽可能降低职业辐照剂量等相关问题展开了系统深入地研究。主要工作以及创新点描述如下：1)在充分调研国内外研究现状的基础上,系统分析了核与辐射安全集成仿真需求,结合当前先进信息技术,构建了一套支持多种服务模式、基于组件技术的面向核与辐射安全集成仿真的层次化、模块化系统架构,提供了作业方案交互设计、仿真和分析、人员剂量管理、虚拟培训等多种服务需求的集成仿真解决方案；2)提出并发展了基于自适应八叉树与视锥体裁剪技术的大规模复杂场景实时渲染方法和基于GPU的不规则数据场与任意几何体迭加可视化方法,从简化渲染数据量、避免数据规则化处理等多个环节对耦合辐射数据场的大规模复杂仿真场景交互式渲染过程进行了优化,提高了仿真场景渲染的效率解决了大规模复杂仿真场景难以在单机上实时渲染的问题；3)在上述研究基础上,完成了核与辐射安全集成仿真系统RVIS2.0系统的设计与开发,为从整体行为上高保真集成仿真核与辐射环境下的作业过程,高效保障“知剂量”优化决策提供了可能。在国际合作框架协议支持下,将RVIS2.0应用于国际热核聚变实验堆ITER极向场线圈PF4维修剂量的仿真与分析中,给出了优化的屏蔽和维修方案,对辅助ITER维修优化具有积极意义。
孙文娟[9]2012年在《基于数字人体的程式化模型和曲面模型构建及外辐射剂量研究》文中认为电离辐射是地球和宇宙空间自然环境的固有特征之一,与人类健康关系密切。衡量辐射危害及其严重程度的重要指标是辐射剂量。为了更有效地保护人类自身和所处环境,需要在生产、医疗、科研等电离辐射应用中,有针对性地评估受照对象的具体剂量,以掌握可能存在的辐射效应及其潜在危害,并通过客观指标指导辐射防护计划制定和屏蔽设备设计。在运用蒙特卡罗方法进行电离辐射剂量计算时,人体可计算模型至关重要。但现有各类人体模型中,基于中国人体解剖学特征的可计算模型尚未完善,不能完全满足各种实际应用需求,迫切需要进行各类可计算模型建模和辐射剂量计算,以实现人体辐射剂量的评估和防护研究。本文根据中国数字人体男性和女性体素模型,构建了准确的男性和女性程式化模型,其中,女性体素模型根据中国数字人女一号人体彩色截面图像建立。为进一步完善中国数字人体可计算辐射模型,加强人体辐射仿真模型的解剖学真实性和可变形性,基于已建立模型构建了人体曲面模型,详细阐述了构建过程。结合辐射剂量计算的需求,本文将中国数字人体可计算模型应用于光子、中子、质子辐照引起的全身各组织器官剂量的MCNP蒙特卡罗模拟计算,全身有效剂量评估及辐射屏蔽研究中。通过剂量对比,分析讨论了影响人体内部组织器官剂量的若干因素。针对中国女性航天员质子辐照剂量的评估问题,进行了在轨剂量的快速近似计算,对比了屏蔽前后的剂量差异,分析了其中的解剖学因素。主要研究结果和创新如下：(1)在中国数字人体程式化模型的构建中,由体素模型获取人体组织器官参数,误差在5%以内,相对于其他模型,差异处在较小水平。在中国数字人体曲面模型的构建中,保证了人体解剖结构的真实性、精确性和可变性。(2)通过光子和中子照射下剂量的定量比较,本研究发现：光子照射下器官剂量的转换系数曲线具有明显的方向特征,与照射方向密切相关,不仅显示出了数值上的差异,器官剂量转换系数曲线的形状都有明显的不同。而在中子照射下,不同能级粒子的穿透力不同,会形成不同的沉积能量,器官吸收剂量在两个区域分别形成了平台期和上升期。(3)通过中国女性航天员模型的质子剂量评估,本研究发现,质子的入射和能量沉积方式与光子和中子入射的情况存在着较大的差异。皮肤并不会对内部器官的吸收剂量产生大的影响,但使乳腺的布拉格峰向高能段移动约20MeV。在屏蔽条件下,辐射粒子在穿透材料的过程中能量损失增加,人体器官剂量会有所减少。在1.35g/cm2厚度屏蔽层的条件下,器官剂量平均降低了13.90%(9.00%到24.20%之间不等),皮肤剂量是一个例外,降低了52.20%。本研究中所建立的基于中国数字人体男一号和女一号的人体可计算辐射剂量模型,同时包含程式化模型,体素模型和曲面表面模型叁类模型,完善了中国数字人体可计算模型,开发了一个辐射剂量计算和风险评估的可调模板。本文中提供的数据有助于改善现有中国人体剂量学数据集,夯实了可计算模型在辐射防护领域中的应用,对各类照射情况下的剂量计算,各种身体类型和体姿下的剂量研究,以及辐射剂量的准确估算和实时辐射防护,都有积极的推动作用。
王磊[10]2013年在《肺部γ放射部内污染现场快速评估关键技术研究》文中研究指明中国作为世界核大国，核能与核技术已经在军事、医学、科学、工业、教育、能源、资源等领域广泛应用，为我国经济社会发展做出了重要贡献。另一方面，核材料、放射性同位素在国防、工业、医学、能源等领域的广泛使用，也给核安全带来了挑战。前苏联切尔诺贝利核事故、日本3·11地震海啸引发的核危机都给我们敲响了警钟。从世界范围看，朝核、伊核问题一直未得到妥善解决，加上恐怖组织依然活跃，尤其在中东地区，各种恐怖活动持续发生。这些不稳定因素增加了世界防止核扩散难度，给包括中国在内的世界各国增添了防范“核恐怖袭击”的压力。在核与辐射突发事件发生时，放射性核素常常以气溶胶的形式经呼吸道进入人体，导致大批量人群受到内照射，危害人员身体健康。在进入呼吸道的放射性核素中，γ核素是最普遍的核素之一。由于吸入内照射污染具有较强的隐蔽性，且危害严重，因此世界各国研究人员都在开展与此相关的研究。因此，本文根据国家科技部重大科学仪器设备开发专项“大批量人群核辐射体内放射性污染快速检测仪”研制需要，开展了肺部γ放射性内污染现场快速评估关键技术研究。本文研究关键技术主要包括：（1）根据我国《电离辐射防护与辐射源安全基本标准规定》与我国核应急内污染筛查的实践工作情况，设置现场肺部γ放射性内污染筛查剂量限定值。选用国际通用标准模型，从探测器探测效率和最低可探测活度两个方面对高纯锗（HPGe）和碘化钠（铊）（NaI(Tl)）闪烁体探测器探测进行性能评估，通过评估选择更适合于现场检测的探测器；（2）如何通过活体检测准确获取肺部沉积放射性核素活度？如何根据亚洲人种人体组织器官的物理特性和解剖结构分析影响探测效率的因素，优化探测几何，建立不同探测几何条件下的效率刻度曲线；（3）建立适用于现场检测评估的软硬件系统。本文在现场评估软硬件系统开发中通过攻克了高速核脉冲信号采集、数字低通滤波、数字脉冲梯形成形、复杂能谱本底扣除、关键信息数据库管理等重难点内容，建立了适用于现场检测评估的软硬件系统。因此本文紧紧围绕以上叁个方面开展研究工作，主要研究内容和结果如下：（1）以ICRP第66号出版物对呼吸道模型、沉积模型、机械廓清、血液廓清、内照射剂量估算等定义和描述为基础，明确了肺部γ放射性内污染活体检测的理论基础和技术路线。（2）根据ICRP第72号出版物给出的剂量系数计算了8种核素的不同待积有效剂量所对应的检测活度限值。对HPGe和NaI(Tl)两种探测器用于肺部γ放射性内污染探测进行了评价：以国际通用标准体模—BOMAB成年男性体模为基础，添加肺部组织并构建数字模型；结合蒙特卡罗方法，模拟计算两类探测器对γ光子的探测效率，并由此计算出对8种常见核素的最小可探测活度（MinimumDetective Activity，MDA）；将MDA与内污染检测活度检测限进行比较，对两类探测器是否满足测量要求进行了评价。上述研究结果表明，对BOMAB成年男性体模，测量时间1分钟、探测器距胸壁1cm情况下，NaI(Tl)探测器的MDA为7.11E+02Bq（I-131）、5.87E+02Bq（Cs-137），HPGe探测器的MDA为1.23E+03Bq（I-131）、1.24E+03Bq（Cs-137）。两种探测器对释放γ射线能量大于98.86keV的核素的最低可探测活度值MDA均小于内污染检测活度检测限，可满足测量要求。综合考虑探测效率、探测器工作温度、便携性等因素，NaI(Tl)探测器更能满足现场快速测量要求，因此确定选用3"×3" NaI(Tl)探测器。（3）采用平板模型对物理实验探测效率与蒙特卡罗模拟效率进行了对比。对比结果表明本文建立的探测系统对由树脂玻璃构成的不同厚度的平板模型的探测效率与蒙特卡罗模拟计算效率偏差最大为5.9%，最小为1.37%，平均偏差3.1%。因此可以认为在现场γ放射性内污染快速评估中采用蒙特卡罗模拟计算进行效率刻度代替物理模型实验效率刻度是可行的。（4）采用MCNP模拟程序建立了MIRD数学体模（本文采用由University ofFlorida的Eun Young Han等修正MIRD模型，本文以下对其简称“MIRD-UF”模型）和KTMAN-2体素体模的蒙特卡罗模拟计算模型，并对两者进行了效率刻度模拟计算。蒙特卡罗模拟时，设置核素在肺部均匀分布且各向同性。以沉积核素为Cs-137，探测距离为10cm条件为例，探测器对MIRD-UF数学模型的探测效率模拟计算表明：探测器对右下肺的探测效率较右上、左上、左下均高，探测器对MIRD-UF体模的右下、右上、左上、左下肺部的探测效率分别为0.1562%、0.1359%、0.1264%、0.1400%；探测器对KTMAN-2体素模型的探测效率模拟计算表明：探测器对右上肺的探测效率较右下、左上、左下均高。探测器对KTMAN-2体模的右上、右下、左上、左下肺部的探测效率分别为0.1799%、0.1774%、0.1707%、0.1648%。基于MIRD-UF数字模型和KTMAN-2体素模型开展探测效率模拟计算表明：探测器对两个体模右上肺的探测效率随探测距离增加呈负指数规律下降；以1.173MeV光子为例，两者的探测效率从10cm处23.9%偏差，逐渐减小到探测距离为80cm处的2.3%。由于体素模型在人体器官组织的物理性质和解剖结构方面与被测量对象更为接近，效率刻度值更为准确。本文基于KTMAN-2体模与3"×3"NaI(Tl)探测器，对于右上肺，在不同探测距离下，建立了不同能量射线的效率刻度曲线。（5）研制了肺部γ放射性内污染检测仪。本文采用高速模拟转换器（ADC）对模拟和脉冲信号进行数字化，建立了基于FPGA的数字单指数核脉冲信号梯形成形电路。该电路有利于改善弹道亏损，有利于提高脉冲通过率，方便根据不同探测器的特点进行灵活调整。论文实现了SNIP本底扣除软件程序，能够较好地扣除康普顿效应、天然本底及电子学噪声等因素形成的本底，为实现现场复杂γ能谱分析奠定了基础。开发了方便灵活的现场测量软件，软件集成了能谱分析、核素识别、活度计算等功能。仪器自重≤10kg，环境使用温度-10℃～40℃，测量速度15人次/h，电池供电连续工作时间≥8小时。本文的主要创新点：（1）从放射性内污染医学干预角度计算了现场检测活度限值。通过蒙特卡罗模拟对NaI(Tl)和HPGe两种探测器性能进行了评估。模拟计算表明两种探测器对能量大于98.86keV核素的MDA值为均小于内污染检测活度检测限，可满足测量要求，从而证明了现场检测可行。（2）通过蒙特卡罗模拟计算对本文采用的探测系统对MIRD-5数学模型和KTMAN-2体素模型探测效率进行了对比研究。在探测距离同为10cm时，MIRD-5在右下肺探测效率最高，而KTMAN-2在右上肺探测效率最高。本文通过分析两个模型结构和人体器官结构对结果进行了阐释。计算表明探测器对MIRD-UF数学模型与KTMAN-2体素模型右上肺的探测效率随探测距离增加呈负指数规律下降。对两个模型衰减规律进行研究发现随着探测距离的适当增加，两个模型得到的探测效率逐渐趋接近。根据研究表明：建立更接近于人体器官组织结构的体素模型，采用探测效率较高的闪烁体探测器（如NaI（Tl）探测器等）、对准右上肺，选择较近的探测距离，能够建立较准确的效率刻度曲线，可较准确检测肺部沉积核素的活度。若通过建立系列体素模型效率刻度数据库应用于现场快速评估，则效果更佳。（3）本文初步建立了一套用于现场检测的肺部γ放射性内污染检测仪。本文采用数字化设计，集成了数字脉冲成形技术、γ能谱本底扣除技术、以及数据库技术等开发了灵活实用的肺部γ放射性内污染快速检测软硬件系统。
参考文献：
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[8]. 核与辐射安全集成仿真方法与技术研究[D]. 何桃. 中国科学技术大学. 2014
[9]. 基于数字人体的程式化模型和曲面模型构建及外辐射剂量研究[D]. 孙文娟. 华中科技大学. 2012
[10]. 肺部γ放射部内污染现场快速评估关键技术研究[D]. 王磊. 成都理工大学. 2013
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