CN107315907A - 一种动态环境下姿态可变的人体剂量仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种动态环境下姿态可变的人体剂量仿真方法。包括建立虚拟人三维模型，包括人体组织和器官；采用在组织、器官模型内均匀分布的监测点对组织和器官进行描述，将监测点与人体器官和组织进行绑定；建立人员作业姿态动作的骨骼动画，将骨骼动画与器官进行绑定,监测点随着作业过程的骨骼动画进行位置变换；计算人体组织或器官的吸收剂量；计算一个计算时间步长下的人体有效剂量；将作业过程中，每个离散时间步长下的组织或器官吸收剂量以及人体有效剂量累加，获取人员在整个作业过程中接受的剂量结果。本发明同时兼顾人体姿态变换与动态辐射环境条件，进行人体辐射剂量计算仿真，建模方法更灵活、高效，计算更简便，结果更可靠。

Description

一种动态环境下姿态可变的人体剂量仿真方法

技术领域

本发明涉及的是一种人体辐射剂量仿真方法。具体地说是一种对动态核设施辐射环境下人员作业过程进行人体剂量评估的一种动态环境下姿态可变的人体剂量仿真方法。

背景技术

核辐射直接损害工作人员的人身安全，对人体剂量的准确评估是保障人员安全的重要环节，尤其在核设施维修、应急和退役拆除等情况下，人员处于辐射环境中，由于辐射的存在，极大地增加了人员作业难度。工作人员在执行作业任务之前，必须在ALARA(as lowas reasonably achievable)原则下进行人员剂量分析。因此建立灵活有效的个人剂量计算方法，实现人员剂量的准确评估是保障工作人员辐射安全的关键。由于核设施具有高放射性、高复杂性的特点，无法利用实际场景进行人员培训以及安全分析，目前，世界上不同地区的研究者均考虑利用仿真技术进行危险环境下的安全分析工作，其已被证明是一种安全、高效和低成本的研究方式。因此，灵活、准确的人体剂量计算仿真对人员安全分析十分重要。

现有人体剂量计算仿真方法大多将人体简化成一个点，利用点模型计算人体剂量，或者采用站姿，将人体器官简化为一个点，器官位置采用相对骨盆高度进行剂量计算，采用点方式过于简化，忽略了人体姿态变化对人体剂量的影响，计算结果精度较差。另一种方式是将人体模型体素化，采用站姿进行剂量计算，能够获得较高计算精度，但计算时间较长。然而实际辐射场中人处于各种不同的姿态，并且辐射环境是动态的，现有人体剂量计算仿真方法无法同时兼顾以上两种情况，从而影响人体剂量评估的效率和准确性。

从上面的分析可以看出，核设施辐射环境下的人体剂量计算仿真对人员安全的研究分析十分重要。然而目前人体剂量计算仿真方法存在精度不足或设计复杂且操作不便等问题，更没有兼顾人体姿态变换与动态辐射环境条件的人体辐射剂量计算仿真方法。

综上所述，开发出一套准确、高效的针对动态环境下考虑人体姿态的人体剂量计算仿真软件对人员辐射安全分析及辐射方案设计具有重要的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确、高效的动态环境下姿态可变的人体剂量仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)建立虚拟人三维模型，包括人体组织和器官；

(2)采用在组织、器官模型内均匀分布的监测点对组织和器官进行描述，将监测点与人体器官和组织进行绑定；

(3)建立人员作业动作的骨骼动画，将骨骼动画与器官进行绑定，监测点随着作业过程的骨骼动画进行位置变换；

(4)计算人体组织或器官的吸收剂量；

(5)计算一个计算时间步长Δt下的人体有效剂量E，

依次遍历计算所有组织和器官的吸收剂量率，一个时间步长下人体有效剂量E由下式计算

式中，W_R为辐射权重因子；为按组织或器官T平均计算的来自辐射R的吸收剂量率；W_T表示器官或组织T的组织权重因子；Δt为剂量计算时间步长；

(6)将作业过程中，每个离散时间步长下的组织或器官吸收剂量以及人体有效剂量累加，获取人员在整个作业过程中接受的剂量结果。

所述计算人体组织或器官的吸收剂量具体包括：

1)执行人员作业过程仿真，获取描述某组织或器官T的监测点集合，获取集合中第一个监测点作为待处理监测点，并获取相应坐标；

2)采用点核方法计算待处理监测点位置处的剂量值

式中，r是点核与待处理监测点的距离；E为光子能量；C(E)为伽马光子通量-剂量转换因子；S(E)是点核强度；B(E，t(E))是累积因子；t(E)是伽马光子从点核到待处理监测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程

式中，i空间区域编号；μ_i(E)为在能量为E时，光子在空间区域i的质量减弱系数；d_i为点核与待处理监测点的连线在区域i中的几何距离，

总的剂量率值为

3)依次遍历器官或组织T的所有监测点，T的剂量率值由该组织或器官包含的所有监测点剂量值率的平均值表示

式中，m为T的监测点数量，R_j是第j个监测点处的吸收剂量率。

本发明提供了一套针对于动态辐射环境下的人体剂量计算，建立作业人员人体模型，进行作业过程模拟，然后对人员作业姿态模拟变换，进行人体剂量计算的一种动态环境下姿态可变的人体剂量计算仿真方法。本发明的有益效果在于：

本发明同时兼顾人体姿态变换与动态辐射环境条件，进行人体辐射剂量计算仿真，建模方法更灵活、高效，计算更简便，结果更可靠。

附图说明

图1人体剂量计算仿真方法结构框图；

图2人体剂量计算程序框图；

图3监测点建模示意图；

图4骨骼动画与组织、器官绑定示意图。

其中，图3、4中，器官上的正方形代表器官的监测点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

本发明的软件是以Visual Studio 2010为平台，采用C++编写的，其主要功能为：。

连接好系统后，输入放射源、屏蔽环境参数，点击开始剂量评估按钮，然后通过用鼠标、键盘控制虚拟人执行作业操作，人体各个组织、器官的吸收剂量率与作业时间的曲线图自动绘制，同时各个组织、器官的吸收剂量以及人体有效剂量结果显示在对话框中。

本发明可以对核设施辐射环境下人员作业过程进行人体剂量计算仿真。计算流程为：

(1)建立虚拟人三维模型，包括人体组织和器官；

(2)采用在组织、器官模型内均匀分布的监测点对组织和器官进行描述，设置器官T的第j个监测点ID号为T_j，将监测点与人体器官和组织进行绑定(图3)；

(3)建立人员作业姿态动作的骨骼动画，将骨骼动画与器官进行绑定(图4),监测点随着作业过程的骨骼动画进行位置变换；

(4)计算人体组织或器官的吸收剂量:

1)执行人员作业过程仿真，获取描述某组织或器官T的监测点集合，查找ID号为T₁监测点的坐标；

2)采用点核方法计算监测点T₁位置处的剂量率值

式中，r是点核与T₁的距离；E为光子能量；C(E)为伽马光子通量-剂量转换因子；S(E)是点核强度；B(E，t(E))是累积因子；t(E)是伽马光子从点核到T₁穿过所有屏蔽材料的平均自由程

式中，i空间区域编号；μ_i(E)为在能量为E时，光子在空间区域i的质量减弱系数；d_i为点核与T₁的连线在区域i中的几何距离。

总的剂量值率为

3)依次遍历该器官或组织T的所有监测点ID号，组织或器官T的剂量值率可由T包含的所有监测点剂量值率的平均值表示

式中，m为组织或器官T的监测点数量，是ID号为T_j的监测点处的吸收剂量率。

(5)计算人体有效剂量：

依次遍历计算所有组织和器官的吸收剂量率，人体有效剂量E可由下式计算

式中，W_R为辐射权重因子；为按组织或器官T平均计算的来自辐射R的吸收剂量率；W_T表示器官或组织T的组织权重因子；Δt为剂量计算时间步长。

(6)将作业过程中，每个离散时间步长下的组织或器官吸收剂量以及人体有效剂量累加，获取人员在整个作业过程中接受的剂量结果。

Claims (2)

1.一种动态环境下姿态可变的人体剂量仿真方法，其特征在于：

(1)建立虚拟人三维模型，包括人体组织和器官；

(2)采用在组织、器官模型内均匀分布的监测点对组织和器官进行描述，将监测点与人体器官和组织进行绑定；

(3)建立人员作业姿态动作的骨骼动画，将骨骼动画与器官进行绑定，监测点随着作业过程的骨骼动画进行位置变换；

(4)计算人体组织或器官的吸收剂量；

(5)计算一个计算时间步长Δt下的人体有效剂量E，

依次遍历计算所有组织和器官的吸收剂量率，一个时间步长下人体有效剂量E由下式计算

<mrow> <mi>E</mi> <mo>=</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mi>T</mi> </munder> <msub> <mi>W</mi> <mi>R</mi> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mi>T</mi> </msub> <msub> <mover> <mi>D</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mi>T</mi> <mo>.</mo> <mi>R</mi> </mrow> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> </mrow>

式中，W_R为辐射权重因子；为按组织或器官T平均计算的来自辐射R的吸收剂量率；W_T表示器官或组织T的组织权重因子；Δt为剂量计算时间步长；

(6)将作业过程中，每个离散时间步长下的组织或器官吸收剂量以及人体有效剂量累加，获取人员在整个作业过程中接受的剂量结果。

2.根据权利要求1所述的一动态环境下姿态可变的人体剂量仿真方法，其特征在于所述的计算人体组织或器官的吸收剂量具体包括：

1)执行人员作业过程仿真，获取描述某组织或器官T的监测点集合，获取集合中第一个监测点作为待处理监测点，并获取相应坐标；

2)采用点核方法计算待处理监测点位置处的剂量值

<mrow> <mover> <mi>D</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>,</mo> <mi>E</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>E</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>E</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>B</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>E</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>(</mo> <mi>E</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>E</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </msup> <mrow> <mn>4</mn> <msup> <mi>&amp;pi;r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> </mrow>

式中，r是点核与待处理监测点的距离；E为光子能量；C(E)为伽马光子辐射效应转换因子；S(E)是点核强度；B(E,t(E))是累积因子；t(E)是伽马光子从点核到待处理监测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程

<mrow> <mi>t</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>E</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>&amp;mu;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>E</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>d</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow>

式中，i空间区域编号；μ_i(E)为在能量为E时，光子在空间区域i的质量减弱系数；d_i为点核与待处理监测点的连线在区域i中的几何距离；

总的剂量率值为

<mrow> <mover> <mi>D</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mn>0</mn> <msub> <mi>E</mi> <mi>max</mi> </msub> </msubsup> <mi>d</mi> <mi>E</mi> <mo>&amp;Integral;</mo> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>V</mi> </msub> <mi>D</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>r</mi> <mo>,</mo> <mi>E</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mrow>

3)依次遍历该器官或组织T的所有监测点，T的剂量率值该组织或器官包含的所有监测点剂量值率的平均值表示

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式中，m为T的监测点数量，R_j是第j个监测点处的吸收剂量率。