[发明专利]一种基于数据场分割的移动人体剂量蒙特卡罗模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及辐射屏蔽、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。

背景技术

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：

（1）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 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。

本发明中公开的方法，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。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于数据场分割的移动人体剂量蒙特卡罗模拟方法，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。

本发明所采用的技术方案实现如下：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：

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......T_m)、插值间隔(N₁、N₂......N_m-1)，其中N_i为T_i~T_i+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：