本發(fā)明涉及的是一種人體輻射劑量仿真方法。具體地說是一種對(duì)動(dòng)態(tài)核設(shè)施輻射環(huán)境下人員作業(yè)過程進(jìn)行人體劑量評(píng)估的一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下姿態(tài)可變的人體劑量仿真方法。

背景技術(shù)：

核輻射直接損害工作人員的人身安全，對(duì)人體劑量的準(zhǔn)確評(píng)估是保障人員安全的重要環(huán)節(jié)，尤其在核設(shè)施維修、應(yīng)急和退役拆除等情況下，人員處于輻射環(huán)境中，由于輻射的存在，極大地增加了人員作業(yè)難度。工作人員在執(zhí)行作業(yè)任務(wù)之前，必須在alara(aslowasreasonablyachievable)原則下進(jìn)行人員劑量分析。因此建立靈活有效的個(gè)人劑量計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)人員劑量的準(zhǔn)確評(píng)估是保障工作人員輻射安全的關(guān)鍵。由于核設(shè)施具有高放射性、高復(fù)雜性的特點(diǎn)，無法利用實(shí)際場(chǎng)景進(jìn)行人員培訓(xùn)以及安全分析，目前，世界上不同地區(qū)的研究者均考慮利用仿真技術(shù)進(jìn)行危險(xiǎn)環(huán)境下的安全分析工作，其已被證明是一種安全、高效和低成本的研究方式。因此，靈活、準(zhǔn)確的人體劑量計(jì)算仿真對(duì)人員安全分析十分重要。

現(xiàn)有人體劑量計(jì)算仿真方法大多將人體簡(jiǎn)化成一個(gè)點(diǎn)，利用點(diǎn)模型計(jì)算人體劑量，或者采用站姿，將人體器官簡(jiǎn)化為一個(gè)點(diǎn)，器官位置采用相對(duì)骨盆高度進(jìn)行劑量計(jì)算，采用點(diǎn)方式過于簡(jiǎn)化，忽略了人體姿態(tài)變化對(duì)人體劑量的影響，計(jì)算結(jié)果精度較差。另一種方式是將人體模型體素化，采用站姿進(jìn)行劑量計(jì)算，能夠獲得較高計(jì)算精度，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。然而實(shí)際輻射場(chǎng)中人處于各種不同的姿態(tài)，并且輻射環(huán)境是動(dòng)態(tài)的，現(xiàn)有人體劑量計(jì)算仿真方法無法同時(shí)兼顧以上兩種情況，從而影響人體劑量評(píng)估的效率和準(zhǔn)確性。

從上面的分析可以看出，核設(shè)施輻射環(huán)境下的人體劑量計(jì)算仿真對(duì)人員安全的研究分析十分重要。然而目前人體劑量計(jì)算仿真方法存在精度不足或設(shè)計(jì)復(fù)雜且操作不便等問題，更沒有兼顧人體姿態(tài)變換與動(dòng)態(tài)輻射環(huán)境條件的人體輻射劑量計(jì)算仿真方法。

綜上所述，開發(fā)出一套準(zhǔn)確、高效的針對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境下考慮人體姿態(tài)的人體劑量計(jì)算仿真軟件對(duì)人員輻射安全分析及輻射方案設(shè)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種準(zhǔn)確、高效的動(dòng)態(tài)環(huán)境下姿態(tài)可變的人體劑量仿真方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

(1)建立虛擬人三維模型，包括人體組織和器官；

(2)采用在組織、器官模型內(nèi)均勻分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)組織和器官進(jìn)行描述，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)與人體器官和組織進(jìn)行綁定；

(3)建立人員作業(yè)動(dòng)作的骨骼動(dòng)畫，將骨骼動(dòng)畫與器官進(jìn)行綁定，監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著作業(yè)過程的骨骼動(dòng)畫進(jìn)行位置變換；

(4)計(jì)算人體組織或器官的吸收劑量；

(5)計(jì)算一個(gè)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)δt下的人體有效劑量e，

依次遍歷計(jì)算所有組織和器官的吸收劑量率，一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)下人體有效劑量e由下式計(jì)算

式中，wr為輻射權(quán)重因子；為按組織或器官t平均計(jì)算的來自輻射r的吸收劑量率；wt表示器官或組織t的組織權(quán)重因子；δt為劑量計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)；

(6)將作業(yè)過程中，每個(gè)離散時(shí)間步長(zhǎng)下的組織或器官吸收劑量以及人體有效劑量累加，獲取人員在整個(gè)作業(yè)過程中接受的劑量結(jié)果。

所述計(jì)算人體組織或器官的吸收劑量具體包括：

1)執(zhí)行人員作業(yè)過程仿真，獲取描述某組織或器官t的監(jiān)測(cè)點(diǎn)集合，獲取集合中第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為待處理監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并獲取相應(yīng)坐標(biāo)；

2)采用點(diǎn)核方法計(jì)算待處理監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處的劑量值

式中，r是點(diǎn)核與待處理監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離；e為光子能量；c(e)為伽馬光子通量-劑量轉(zhuǎn)換因子；s(e)是點(diǎn)核強(qiáng)度；b(e，t(e))是累積因子；t(e)是伽馬光子從點(diǎn)核到待處理監(jiān)測(cè)點(diǎn)穿過所有屏蔽材料的平均自由程

式中，i空間區(qū)域編號(hào)；μi(e)為在能量為e時(shí)，光子在空間區(qū)域i的質(zhì)量減弱系數(shù)；di為點(diǎn)核與待處理監(jiān)測(cè)點(diǎn)的連線在區(qū)域i中的幾何距離，

總的劑量率值為

3)依次遍歷器官或組織t的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)，t的劑量率值由該組織或器官包含的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)劑量值率的平均值表示

式中，m為t的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，rj是第j個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的吸收劑量率。

本發(fā)明提供了一套針對(duì)于動(dòng)態(tài)輻射環(huán)境下的人體劑量計(jì)算，建立作業(yè)人員人體模型，進(jìn)行作業(yè)過程模擬，然后對(duì)人員作業(yè)姿態(tài)模擬變換，進(jìn)行人體劑量計(jì)算的一種動(dòng)態(tài)環(huán)境下姿態(tài)可變的人體劑量計(jì)算仿真方法。本發(fā)明的有益效果在于：

本發(fā)明同時(shí)兼顧人體姿態(tài)變換與動(dòng)態(tài)輻射環(huán)境條件，進(jìn)行人體輻射劑量計(jì)算仿真，建模方法更靈活、高效，計(jì)算更簡(jiǎn)便，結(jié)果更可靠。

附圖說明

圖1人體劑量計(jì)算仿真方法結(jié)構(gòu)框圖；

圖2人體劑量計(jì)算程序框圖；

圖3監(jiān)測(cè)點(diǎn)建模示意圖；

圖4骨骼動(dòng)畫與組織、器官綁定示意圖。

其中，圖3、4中，器官上的正方形代表器官的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述：

本發(fā)明的軟件是以visualstudio2010為平臺(tái)，采用c++編寫的，其主要功能為：。

連接好系統(tǒng)后，輸入放射源、屏蔽環(huán)境參數(shù)，點(diǎn)擊開始劑量評(píng)估按鈕，然后通過用鼠標(biāo)、鍵盤控制虛擬人執(zhí)行作業(yè)操作，人體各個(gè)組織、器官的吸收劑量率與作業(yè)時(shí)間的曲線圖自動(dòng)繪制，同時(shí)各個(gè)組織、器官的吸收劑量以及人體有效劑量結(jié)果顯示在對(duì)話框中。

本發(fā)明可以對(duì)核設(shè)施輻射環(huán)境下人員作業(yè)過程進(jìn)行人體劑量計(jì)算仿真。計(jì)算流程為：

(1)建立虛擬人三維模型，包括人體組織和器官；

(2)采用在組織、器官模型內(nèi)均勻分布的監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)組織和器官進(jìn)行描述，設(shè)置器官t的第j個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)id號(hào)為tj，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)與人體器官和組織進(jìn)行綁定(圖3)；

(3)建立人員作業(yè)姿態(tài)動(dòng)作的骨骼動(dòng)畫，將骨骼動(dòng)畫與器官進(jìn)行綁定(圖4),監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著作業(yè)過程的骨骼動(dòng)畫進(jìn)行位置變換；

(4)計(jì)算人體組織或器官的吸收劑量:

1)執(zhí)行人員作業(yè)過程仿真，獲取描述某組織或器官t的監(jiān)測(cè)點(diǎn)集合，查找id號(hào)為t1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)；

2)采用點(diǎn)核方法計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)t1位置處的劑量率值

式中，r是點(diǎn)核與t1的距離；e為光子能量；c(e)為伽馬光子通量-劑量轉(zhuǎn)換因子；s(e)是點(diǎn)核強(qiáng)度；b(e，t(e))是累積因子；t(e)是伽馬光子從點(diǎn)核到t1穿過所有屏蔽材料的平均自由程

式中，i空間區(qū)域編號(hào)；μi(e)為在能量為e時(shí)，光子在空間區(qū)域i的質(zhì)量減弱系數(shù)；di為點(diǎn)核與t1的連線在區(qū)域i中的幾何距離。

總的劑量值率為

3)依次遍歷該器官或組織t的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)id號(hào)，組織或器官t的劑量值率可由t包含的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)劑量值率的平均值表示

式中，m為組織或器官t的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量，是id號(hào)為tj的監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的吸收劑量率。

(5)計(jì)算人體有效劑量：

依次遍歷計(jì)算所有組織和器官的吸收劑量率，人體有效劑量e可由下式計(jì)算

式中，wr為輻射權(quán)重因子；為按組織或器官t平均計(jì)算的來自輻射r的吸收劑量率；wt表示器官或組織t的組織權(quán)重因子；δt為劑量計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)。

(6)將作業(yè)過程中，每個(gè)離散時(shí)間步長(zhǎng)下的組織或器官吸收劑量以及人體有效劑量累加，獲取人員在整個(gè)作業(yè)過程中接受的劑量結(jié)果。