[发明专利]一种辐射防护中基于GPU加速的体素人体模型剂量评估加速方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种辐射防护中基于GPU加速的体素人体模型剂量评估加速方法，是用于在体素人体模型辐射防护剂量计算中，快速、准确地确定辐射在被照射的体素模型中的三维剂量分布的方法。

背景技术

人体模型是辐射防护的重要工具。人体模型按其发展大致分为三个：质点模型、数学模型和体素模型。体素模型是由数以百万计的小体元组成，体素模型更能反映人体解剖结构，更加真实，因此，基于体素模型剂量计算更加精确。

在剂量评估中，快速、准确地确定辐射粒子在体模中的三维剂量分布是一个基本的问题。目前使用的确定剂量的方法是，基于蒙卡方法或者解析方法计算的辐射场，利用通量剂量转换的方法计算每个小体元的剂量。

GPU(Graphic Processing Unit)最初应用与图形显示的加速。GPU的单指令多数据流(SIMD：Single Instruction Multiple Data)的处理方式可并行地对大规模的数据进行操作，可大大缩短计算时间。

本发明将GPU应用于体素人体模型的剂量计算中。通过同时进行大量体素的剂量计算，其计算精度和使用CPU(Central Process Unit)的计算精度相当，其计算时间较使用CPU平台计算大大减少。

实现基于GPU的并行计算，首先了解支持GPU运算的变成工具。CUDA(Computer Unified Device Architecture)是NVIDIA公司为GPU变成提出的一个全新的软硬件架构，它以C语言为基础，写出在GPU上执行的程序。关于CUDA详细的说明可以参看CUDA编程指南以及CUDA参考手册。本发明正式利用GPU编程中CUDA技术对体素人体模型剂量进行加速的。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种辐射防护中基于GPU加速的体素人体模型剂量评估加速方法，能快速、准确地确定辐射粒子在体素模型中的三维剂量分布。

本发明的技术方案是：一种辐射防护中基于GPU加速的体素人体模型剂量评估加速方法，其特征在于：使用了CPU与GPU联合进行剂量计算，对于一些具有并行条件的处理过程使用GPU进行加速处理，而复杂逻辑和事务处理等串行计算仍然采用CPU。实现步骤包括：

(1)在CPU平台上形成体素人体模型参数；

(2)选定用于确定体素剂量的GPU，为GPU分配存储空间，向GPU传送步骤(1)中的体素人体模型参数的计算数据，需要传送的数据包括体素序列、器官名和ID与U号对应关系和体素精度；

(3)利用GPU并行计算体素人体模型每个体素的剂量，剂量评估是在体素模型参数基础上，利用通量剂量转换方法，即已知自由空间的通量，借助转换因子，分别计算每个体素的吸收剂量，利用GPU并行计算每个体素的剂量，每个GPU线程计算一个体素的剂量，最后将所有体素剂量平均即为器官吸收剂量。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明结合CPU复杂逻辑和事物等串行计算，使用图形处理器(Graphic Processor Unit,GPU)处理剂量计算中体素当量剂量，该过程存在数据量大、数据相关性低、数据有相同的执行程序，并行度和计算密度高等特点。因而通过GPU，可以让更多的计算单元并行执行，缩短计算时间，提高计算效率，实现体素人体模型剂量实时计算效果。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明具体实现步骤如下：

(1)在CPU平台上形成体素人体模型参数，体素人体模型参数包括体素序列、器官名和ID与U号对应关系和体素精度；

(2)选定用于确定体素剂量的GPU，为GPU分配存储空间，向GPU传送步骤(1)中的体素人体模型参数的计算数据，需要传送的数据包括体素序列、器官名和ID与U号对应关系和体素精度；

(3)利用GPU并行计算体素人体模型每个体素的剂量。对于器官离散化的体素，让体素标识与线程标识一一对应，体素剂量位置的通量与通量剂量转换因子的乘积。剂量累加过程中将体素标识与线程标识一一对应，查找器官体素对应的剂量，将器官每个体素的剂量进行累加再平均。

体素模型的剂量计算精确性在于，体素人体模型的人体器官是体素化的，由大量的小长方体体素组成，每个体素包含器官代号和材料组成。剂量评估是在此模型基础上，分别计算每个体素的吸收剂量，利用GPU并行计算每个体素的剂量，最后将所有体素剂量平均即为器官吸收剂量。可由下式表示。