CN107832545B - 一种基于体素的人体外照射剂量仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于体素的人体外照射剂量仿真方法。用3dsMax软件建立具有骨骼动画的虚拟人模型；初始化虚拟核辐射场中剂量分布数据；根据虚拟人的人体结构和骨骼结构，建立人体体素模型；分配人体模块，定义各个模块的权重和人体有效剂量计算公式；利用插值方法计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量；基于骨骼动画的人体受照剂量计算；各个模块的并行计算。本发明没有直接对虚拟人的三维模型进行体素化，步骤更加简便，体素模型能够伴随人体骨骼一起运动，实现实时剂量评价。

Description

一种基于体素的人体外照射剂量仿真方法

技术领域

本发明涉及的是一种对虚拟核辐射场中虚拟人运动过程中外照射剂量的仿真方法。

背景技术

核设施退役活动具有很高的放射性。因此，有必要通过虚拟仿真技术模拟核退役活动。在虚拟仿真过程中，评估工作人员可能的受照剂量，用于制定相应的辐射防护措施。目前国内外针对涉及核辐射危险的作业人员的外照射实时剂量评估主要是基于质点模型、碰撞模型、体素模型、数字模型。基于质点模型的剂量仿真评估将工作人员视为一个质点进行剂量计算，该方法的精确度较差。包围盒模型是基于游戏引擎的碰撞监测功能实现的，该方法没有考虑人体器官和组织对放射性的敏感性。体素模型将人体分解为大量的体素，用体素表示人体组织器官，从而实现人体外照射计算，该方法在放射性治疗上应用较多，体素数量多达百万量级，耗时过多。数学模型是用基本几何体描述人体各个组织器官，程序占用内存小，计算效率高，但是无法实现动态地计算人体运动过程的受照剂量。

综上所述，开发出一种准确、快速的计算虚拟人外照射剂量的仿真方法对核退役的辐射安全仿真具有重大的实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够准确、快速的模拟虚拟人外照射剂量的基于体素的人体外照射剂量仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)用3dsMax软件建立具有骨骼动画的虚拟人模型；

(2)初始化虚拟核辐射场中剂量分布数据；

(3)根据虚拟人的人体结构和骨骼结构，建立人体体素模型；

(4)分配人体模块，定义各个模块的权重和人体有效剂量计算公式；

(5)利用插值方法计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量；

(6)基于骨骼动画的人体受照剂量计算；

(7)各个模块的并行计算。

本发明还可以包括：

1、所述的根据虚拟人的人体结构和骨骼结构，建立人体体素模型具体包括：

根据虚拟人的人体结构和骨骼结构，将人体模型划分为12个模块：头为1个圆柱、颈为1个圆柱、胸为1个长方体、臀为1个长方体、上臂为2个圆柱、小臂为2个圆柱、大腿为2个圆柱、小腿为2个圆柱，

将这些模块分别体素化，即用体素集合表示这些基本几何体，体素的尺寸为2cm×2cm×2cm，

将体素从人体模型中抽离出来，将人体体素模型数字化，将数字模型存储在数据库或程序缓存中。

2、所述的分配人体模块，定义各个模块的权重和人体有效剂量计算公式具体包括：

根据人体组织器官的所在模块的位置和人体骨骼肌肉在各个模块中的质量分布，定义各个模块的权重大小，每个模块的权重为该模块中包含的所有组织器官权重之和，

根据虚拟人的模块，虚拟人的当量剂量和虚拟人的有效剂量分别由下式表示：

式中，D_B为模块的吸收剂量，W_R为辐射权重因子，W_B为人体模块权重因子。

3、所述的利用插值方法计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量具体包括：

利用反距离权重法计算一个体素单元的瞬时剂量率，人体每个模块的受照剂量是该模块中所有体素的平均值，人体的瞬时受照剂量率是所有模块的瞬时剂量率加权之和，人体的累积剂量是每个时刻人体的瞬时剂量率的累积，

一个体素的瞬时剂量率的具体公式如下：

式中，R_i是体素i的剂量率，j表示体素i相邻的第j个剂量点，dis_i,j是体素i到相邻剂量点j的距离，R′_i,j是体素i的相邻剂量点j的剂量率。

4、所述的基于骨骼动画的人体受照剂量计算包括，

以0.1s的时间间隔计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量，虚拟人在运动过程中，要保证体素模型与虚拟人的骨骼动画同步运动，首先，初始化具有骨骼动画的人体模型和从体素数据库读取体素数据，建立体素数字模型，使数字体素与人体模型相匹配；然后，当虚拟人行动的时候，体素模型要与人体模型时刻相匹配，计算一次人体受照剂量率，再计算累积剂量，计算结果记录到数据库；最后，直到虚拟人的行动终止。

本发明的主要特点体现在：

1、本发明根据虚拟人的人体结构和骨骼结构，将人体模型划分为12个模块：头(1个圆柱)，颈(1个圆柱)，胸(1个长方体)，臀(1个长方体)，上臂(2个圆柱)，小臂(2个圆柱)，大腿(2个圆柱)，小腿(2个圆柱)。

这些模块用圆柱体和长方体表示。这些模块与人体骨骼相匹配，可以伴随人体骨骼一起运动。根据这些模块的几何信息(法向量，尺寸)，将这些模块分别体素化，即用体素集合表示这些基本几何体。体素的尺寸为2cm×2cm×2cm。

如果在虚拟仿真程序中保留体素模型，这会导致虚拟仿真程序的卡顿。此外，在剂量评价方法中，只需要体素的几何信息和物理信息。将体素从人体模型中抽离出来，将人体体素模型数字化，将数字模型存储在数据库或程序缓存中。此时，人体模型依然具有角色动画，但是不再包括体素模型。在剂量评价过程中，我们从数据库获取体素信息，存储为缓存，进行剂量评价。这样有利于提高仿真程序的运行效率。

2、由于人体模型的体素尺寸(2cm×2cm×2cm)较大，无法精确表示所有的组织器官的形状和位置，所以设计了一个简化组织权重的方法。根据人体组织器官的所在模块的位置和人体骨骼肌肉在各个模块中的质量分布，定义各个模块的权重大小。每个模块的权重为该模块中包含的所有组织器官权重之和。

3、利用反距离权重法计算一个体素单元的瞬时剂量率，即一个体素的剂量是根据体素相邻的八个剂量点的插值计算得到的。人体每个模块的受照剂量是该模块中所有体素的平均值，人体的瞬时受照剂量率是所有模块的瞬时剂量率加权之和，人体的累积剂量是每个时刻人体的瞬时剂量率的累积。

反距离权重法认为与待求点最近的若干个参考点对待求点的贡献最大，其贡献与距离成反比。

4、虚拟人在虚拟环境中运动，需要实时计算虚拟人的受照剂量。以0.1s的时间间隔计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量。虚拟人在运动过程中，要保证体素模型与虚拟人的骨骼动画同步运动是关键。首先，初始化具有骨骼动画的人体模型和从体素数据库读取体素数据，建立体素数字模型，使数字体素与人体模型相匹配。然后，当虚拟人行动的时候，体素模型要与人体模型时刻相匹配，计算一次人体受照剂量率，再计算累积剂量，计算结果记录到数据库。最后，直到虚拟人的行动终止。

5、虚拟仿真中，不仅有各种动画和物理特效，还要有很多其他潜在计算和评估程序在运行。这些都对程序的效率有较高要求。人体体素的数量越多，计算时间越长，甚至会，导致帧速下降，影响虚拟仿真的效果。为了提高辐射场中受照剂量计算的效率，满足动态实时计算，采用了并行计算。每个模块的体素的剂量率计算使用一个线程，从而提高多人剂量评价的效率。

本发明开发了一种针对于虚拟核设施场景中，将虚拟人分解为多个模块并且用体素表示各个模块，定义虚拟人各个模块的权重，计算每个体素的受照剂量率，实时计算虚拟人受到的外照射剂量的仿真方法。

本发明的有益效果在于：

1、本发明实现了对具有骨骼模型的虚拟人进行体素化，步骤简便；

2、本发明实现了对虚拟人外照射剂量评价，计算速度快。

附图说明

图1虚拟人体素化流程图；

图2虚拟人模块权重定义示意图；

图3体素插值计算示意图；

图4虚拟人受照剂量监测流程图；

图5虚拟人模块的并行计算流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做进一步详细说明：

本发明属于核辐射安全仿真领域，主要是计算仿真核辐射环境下虚拟人外照射剂量。本发明包括：据虚拟人的人体结构和骨骼结构，建立人体体素模型；分配人体模块，定义各个模块的权重和有效剂量计算公式；利用插值方法计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量；基于骨骼动画的人体受照剂量计算；各个模块的并行计算。

本发明采用以下技术方案：

1、用3dsMax软件建立虚拟人模型。

在3dsMax软件建立虚拟人模型，同时制作虚拟人的骨骼动画。

2、初始化虚拟核辐射场中剂量分布数据。

首先，利用三维建模软件建立虚拟场景；然后，利用点核积分程序计算虚拟场景中辐射场的剂量分布，计算结果单独保存的数据库，方便重复使用。再从数据库中读取剂量分布数据，插入虚拟核设施场景。最后，剂量分布主要是用于后续的人体受照剂量评价和辐射剂量分布可视化提供数据支持。剂量分布数据中，剂量监测点是空间中等距离均匀分布的。

3、根据虚拟人的人体结构和骨骼结构，建立人体体素模型。

拟人体模是一种简化的人体构想模型，简便，制作方法较为简单。本发明方法是应用于虚拟仿真中的，所以也需要对虚拟人建立一个简化模型。本发明设计了一种基于BOMAB(BOttleMAnnikinABsorber)的简化人体体素模型，用于受照剂量评价和模拟体内放射性均匀分布情况，如图1所示。根据虚拟人的人体结构和骨骼结构，将人体模型划分为12个模块：头(1个圆柱)，颈(1个圆柱)，胸(1个长方体)，臀(1个长方体)，上臂(2个圆柱)，小臂(2个圆柱)，大腿(2个圆柱)，小腿(2个圆柱)。

这些模块用圆柱体和长方体表示。这些模块与人体骨骼相匹配，可以伴随人体骨骼一起运动。根据这些模块的几何信息(法向量，尺寸)，将这些模块分别体素化，即用体素集合表示这些基本几何体。体素的尺寸为2cm×2cm×2cm。

如果在虚拟仿真程序中保留体素模型，这会导致虚拟仿真程序的卡顿。此外，在剂量评价方法中，只需要体素的几何信息和物理信息。将体素从人体模型中抽离出来，将人体体素模型数字化，将数字模型存储在数据库或程序缓存中。此时，人体模型依然具有角色动画，但是不再包括体素模型。在剂量评价过程中，我们从数据库获取体素信息，存储为缓存，进行剂量评价。这样有利于提高仿真程序的运行效率。

人体体素数目要远远小于其它医学上百万级别的人体体素数量，所以可以提高计算效率。

4、分配人体模块，定义各个模块的权重和人体有效剂量计算公式。

由于人体模型的体素尺寸(2cm×2cm×2cm)较大，无法精确表示所有的组织器官的形状和位置，所以设计了一个简化组织权重的方法。根据人体组织器官的所在模块的位置和人体骨骼肌肉在各个模块中的质量分布，定义各个模块的权重大小，如图2所示。每个模块的权重为该模块中包含的所有组织器官权重之和。

体素模型的剂量计算精确性在于，在人体体素化的基础上分别计算每个体素的剂量，取平均值即为模块的吸收剂量，由下式表示：

式中，D_B为模块的吸收剂量，D_B,j为该模块中体素j的吸收剂量，n为该模块包含的体素数量。

人体剂量当量剂量计算公式如下：

式中，W_R是辐射权重因子，无量纲；D_T,R为按组织或器官T平均计算的吸收剂量率。

有效剂量计算公式如下：

式中，W_T是组织或器官T的权重因子，H_T是组织或器官T的当量剂量。

根据虚拟人的模块，虚拟人的当量剂量和虚拟人的有效剂量分别由下式表示：

式中，W_R为辐射权重因子，W_B为人体模块权重因子。

5、利用插值方法计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量。

利用反距离权重法计算一个体素单元的瞬时剂量率，即一个体素的剂量是根据体素相邻的八个剂量点的插值计算得到的，如图3所示。人体每个模块的受照剂量是该模块中所有体素的平均值，人体的瞬时受照剂量率是所有模块的瞬时剂量率加权之和，人体的累积剂量是每个时刻人体的瞬时剂量率的累积。

反距离权重法认为与待求点最近的若干个参考点对待求点的贡献最大，其贡献与距离成反比。一个体素的瞬时剂量率的具体公式如下：

式中，R_i是体素i的剂量率，j表示体素i相邻的第j个剂量点，dis_i,j是体素i到相邻剂量点j的距离，R′_i,j是体素i的相邻剂量点j的剂量率。

6、基于骨骼动画的人体受照剂量计算。

虚拟人在虚拟环境中运动，需要实时计算虚拟人的受照剂量。以0.1s的时间间隔计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量。虚拟人在运动过程中，要保证体素模型与虚拟人的骨骼动画同步运动是关键。

基于骨骼动画的人体受照剂量计算流程如图4所示。首先，初始化具有骨骼动画的人体模型和从体素数据库读取体素数据，建立体素数字模型，使数字体素与人体模型相匹配。然后，当虚拟人行动的时候，体素模型要与人体模型时刻相匹配，计算一次人体受照剂量率，再计算累积剂量，计算结果记录到数据库。最后，直到虚拟人的行动终止。

7、各个模块的并行计算。

虚拟仿真中，不仅有各种动画和物理特效，还要有很多其他潜在计算和评估程序在运行。这些都对程序的效率有较高要求。人体体素的数量越多，计算时间越长，甚至会，导致帧速下降，影响虚拟仿真的效果。为了提高辐射场中受照剂量计算的效率，满足动态实时计算，采用了并行计算。每个模块的体素的剂量率计算使用一个线程，从而提高多人剂量评价的效率。

并行计算流程如图5所示。首先，读取人体所有模块和体素。然后，一个线程负责计算一个模块，整个人体的体素分给12个线程进行计算。每个线程运行过程相同，获取体素局部坐标，转换为全局坐标，使用插值方法计算每个体素的剂量率，计算模块中所有体素的平均剂量率作为该模块的吸收剂量率。最后，将12个线程的计算结果加权求和得到瞬时人体剂量率。

Claims (4)

1.一种基于体素的人体外照射剂量仿真方法，包括如下步骤：

(1)用3dsMax软件建立具有骨骼动画的虚拟人模型；

(2)初始化虚拟核辐射场中剂量分布数据；

(3)根据虚拟人的人体结构和骨骼结构，建立人体体素模型；

(4)分配人体模块，定义各个模块的权重和人体有效剂量计算公式；

(5)利用插值方法计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量；

(6)基于骨骼动画的人体受照剂量计算；

(7)各个模块的并行计算；

其特征是，所述的根据虚拟人的人体结构和骨骼结构，建立人体体素模型具体包括：

根据虚拟人的人体结构和骨骼结构，将人体模型划分为12个模块：头为1个圆柱、颈为1个圆柱、胸为1个长方体、臀为1个长方体、上臂为2个圆柱、小臂为2个圆柱、大腿为2个圆柱、小腿为2个圆柱，

将这些模块分别体素化，即用体素集合表示这些基本几何体，体素的尺寸为2cm×2cm×2cm，

将体素从人体模型中抽离出来，将人体体素模型数字化，将数字模型存储在数据库或程序缓存中。

2.根据权利要求1所述的基于体素的人体外照射剂量仿真方法，其特征是所述的分配人体模块，定义各个模块的权重和人体有效剂量计算公式具体包括：

根据人体组织器官的所在模块的位置和人体骨骼肌肉在各个模块中的质量分布，定义各个模块的权重大小，每个模块的权重为该模块中包含的所有组织器官权重之和，

根据虚拟人的模块，虚拟人的当量剂量和虚拟人的有效剂量分别由下式表示：

式中，D_B为模块的吸收剂量，W_R为辐射权重因子，W_B为人体模块权重因子。

3.根据权利要求1所述的基于体素的人体外照射剂量仿真方法，其特征是所述的利用插值方法计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量具体包括：

利用反距离权重法计算一个体素单元的瞬时剂量率，人体每个模块的受照剂量是该模块中所有体素的平均值，人体的瞬时受照剂量率是所有模块的瞬时剂量率加权之和，人体的累积剂量是每个时刻人体的瞬时剂量率的累积，

一个体素的瞬时剂量率的具体公式如下：

式中，R_i是体素i的剂量率，j表示体素i相邻的第j个剂量点，dis_i，j是体素i到相邻剂量点j的距离，R′_i，j是体素i的相邻剂量点j的剂量率。

4.根据权利要求1所述的基于体素的人体外照射剂量仿真方法，其特征是所述的基于骨骼动画的人体受照剂量计算包括，

以0.1s的时间间隔计算虚拟人的瞬时受照剂量率和累积剂量，虚拟人在运动过程中，要保证体素模型与虚拟人的骨骼动画同步运动，首先，初始化具有骨骼动画的人体模型和从体素数据库读取体素数据，建立体素数字模型，使数字体素与人体模型相匹配；然后，当虚拟人行动的时候，体素模型要与人体模型时刻相匹配，计算一次人体受照剂量率，再计算累积剂量，计算结果记录到数据库；最后，直到虚拟人的行动终止。

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