CN109523586A - 一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法及系统，方法包括：S1、对图片集进行三维重建和二维转换得到配准后的图片集；S2、对配准后的图片集中的图片进行器官分割；S3、对分割后的图片集进行三维重建，对生物体内部器官进行三维透视重建；S4、运行得到生物体的体素模型的截面图和3D重建图；S5、计算得到源和靶之间的内、外照射剂量率转换因子；S6、将计算得到内、外照射剂量率转换因子代入剂量率计算公式，计算得到生物体的总剂量率。本发明所提供的方法及系统，可用于建立生物体的体素模型，对生物体的辐射剂量率进行估算，提高生物体剂量率估算值的确定性。
Description
技术领域
本发明涉及剂量率估算技术领域，具体涉及一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法及系统。
背景技术
随着社会对保护生态环境的重视，电离辐射对非人类物种(除人类以外的生物)的影响也日益受到人们的关注。国际原子能机构(IAEA)、联合国院子辐射效应委员会(UNSCEAR)、国际放射防护委员会(ICRP)均先后发表专门出版物讨论和叙述这一问题。我国在2003年发布的《放射性污染防治法》和2018年实施的《核安全法》中都有对保护非人类物种的要求。
国际上的非人类物种辐射剂量和辐射效应评估方法及模型分别有：欧盟的ERICA、美国的RESRAD-BIOTA、英国的R&D128、D-Max、加拿大的AECL approach、荷兰的LAKECOB、法国的EDEN2、CATEAUR等，目前应用最为广泛的欧盟的ERICA程序和美国的RESRAD-BIOTA程序。
欧盟ERICA程序中按照生物栖息环境的不同将生物分为淡水、海洋和陆地生物。每种类型下按照植物所属科属和生长阶段的不同进行进一步的划分，共将生物分为了40类。其生物模型均以椭球体代表，并假设球体中密度、元素组成、核素均匀分布，生物体的大小可以通过变化椭球体的轴长来改变。美国RESRAD-BIOTA程序中将生物按照栖息环境分为了四类：水生动物、滨岸动物、陆地动物和陆地植物四类，生物模型按照体型大小进行划分，分为了8种类型，生物体型也采用椭球体进行代表。此外ICRP在2008年出版的108号报告中定义了的12种参考生物，生物的形状均采用均匀椭球体代表。
用均匀的椭球体代表参考生物进行剂量率估算，不区分组织器官，不仅忽略了椭球体与生物实际体型之间的差异，而且对敏感器官的密度、元素组成、核素分布以及器官在体内分布的位置所造成的剂量率影响也未加考虑，这将会导致生物体剂量率估算值的不确定性以及对辐射影响的估计不足。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法及系统，建立生物体的体素模型，对生物体的辐射剂量率进行估算，为生物体的辐射影响评价提供更加接近真实情况、区分各个组织器官的精细模型。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，包括：
S1、通过扫描设备，根据预设间隔厚度对生物体进行扫描，获得所述生物体不同切面的图片集，对所述图片集进行三维重建和二维转换得到配准后的图片集；
S2、对所述配准后的图片集中的图片进行器官分割，得到分割后的图片集；
S3、对所述分割后的图片集进行三维重建，对所述生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小；
S4、根据蒙特卡洛软件的输入文件格式要求编写输入文件，运行得到所述生物体的体素模型的截面图和3D重建图；
S5、分别以水体和所述生物体的各部分器官为源，编写输入文件，运行得到所述水体和所述生物体的各个器官对所述生物体的各器官的内、外照射能量吸收分数，分别将其代入内、外照射剂量率转换因子计算公式，计算得到源和靶之间的内、外照射剂量率转换因子；
S6、将计算得到内、外照射剂量率转换因子代入剂量率计算公式，计算得到所述生物体的总剂量率。
进一步，如上所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，步骤S1包括：
将生物体放置在相关设备上，通过CT扫描或核磁共振技术，按照间隔厚度为1.25mm对所述生物体进行扫描，获得所述生物体不同切面的图片集，通过所述扫描设备自带的三维重建系统进行三维重建后，按照矢状位、冠状位和轴状位进行二维图像分离，得到配准后的图片集。
进一步，如上所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，步骤S2包括：
通过Photoshop软件对所述配准后的图片集中的图片进行手动分割，对所述生物体进行相邻器官间的模糊边界分割；
通过MATLAB软件采用阈值法分割法对手动分割后的图片进行自动分割，得到分割后的图片集；
步骤S3包括：
通过MATLAB软件对所述分割后的图片集进行三维重建，通过Amira软件对所述生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小。
进一步，如上所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，步骤S5中，所述内照射剂量率转换因子计算公式为：
所述外照射剂量率转换因子公式为：
其中，DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；5.76×10-4为从MeV/s到μJ/h的转换系数；ν为辐射类型，包括α、β和γ粒子；Ek为ν粒子辐射类型的第k种能量，单位MeV；Yk为放射性核素每次衰变时能量为Ek的ν粒子的产额，最大为100％；Mi为源组织/器官i的质量，单位kg；Mj为靶组织/器官j的质量，单位kg；为源组织/器官i中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数；Mm为外部源环境介质m的质量，单位kg；为外部源环境介质m中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数。
进一步，如上所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，步骤S6中，所述剂量率计算公式为：
其中，为靶组织/器官j所受到来自于体内源组织/器官i中能量为Ek的ν粒子辐射的加权剂量率，单位μGy·h-1；为外部源环境介质m对生物靶组织/器官j的加权剂量率，单位μGy·h-1；DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；Ci为源组织/器官i中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg鲜重；Cm为外部环境介质m中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg或Bq/L；wR,v为辐射权重因子，内照射对α辐射取10，低能β辐射取3，非低能β和γ辐射取1，外照射对非低能β和γ辐射取1，不考虑α和低能β；R为生物在该环境介质中的居留因子。
一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，包括：
扫描配准模块，用于通过扫描设备，根据预设间隔厚度对生物体进行扫描，获得所述生物体不同切面的图片集，对所述图片集进行三维重建和二维转换得到配准后的图片集；
分割模块，用于对所述配准后的图片集中的图片进行器官分割，得到分割后的图片集；
三维重建检测模块，用于对所述分割后的图片集进行三维重建，对所述生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小；
运行模块，用于根据蒙特卡洛软件的输入文件格式要求编写输入文件，运行得到所述生物体的体素模型的截面图和3D重建图；
第一计算模块，用于分别以水体和所述生物体的各部分器官为源，编写输入文件，运行得到所述水体和所述生物体的各个器官对所述生物体的各器官的内、外照射能量吸收分数，分别将其代入内、外照射剂量率转换因子计算公式，计算得到源和靶之间的内、外照射剂量率转换因子；
第二计算模块，用于将计算得到内、外照射剂量率转换因子代入剂量率计算公式，计算得到所述生物体的总剂量率。
进一步，如上所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，所述扫描配准模块具体用于：
将生物体放置在相关设备上，通过CT扫描或核磁共振技术，按照间隔厚度为1.25mm对所述生物体进行扫描，获得所述生物体不同切面的图片集，通过所述扫描设备自带的三维重建系统进行三维重建后，按照矢状位、冠状位和轴状位进行二维图像分离，得到配准后的图片集。
进一步，如上所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，所述分割模块具体用于：
通过Photoshop软件对所述配准后的图片集中的图片进行手动分割，对所述生物体进行相邻器官间的模糊边界分割；
通过MATLAB软件采用阈值法分割法对手动分割后的图片进行自动分割，得到分割后的图片集；
所述三维重建检测模块具体用于：
通过MATLAB软件对所述分割后的图片集进行三维重建，通过Amira软件对所述生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小。
进一步，如上所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，所述内照射剂量率转换因子计算公式为：
所述外照射剂量率转换因子公式为：
其中，DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；5.76×10-4为从MeV/s到μJ/h的转换系数；ν为辐射类型，包括α、β和γ粒子；Ek为ν粒子辐射类型的第k种能量，单位MeV；Yk为放射性核素每次衰变时能量为Ek的ν粒子的产额，最大为100％；Mi为源组织/器官i的质量，单位kg；Mj为靶组织/器官j的质量，单位kg；为源组织/器官i中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数；Mm为外部源环境介质m的质量，单位kg；为外部源环境介质m中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数。
进一步，如上所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，所述剂量率计算公式为：
其中，为靶组织/器官j所受到来自于体内源组织/器官i中能量为Ek的ν粒子辐射的加权剂量率，单位μGy·h-1；为外部源环境介质m对生物靶组织/器官j的加权剂量率，单位μGy·h-1；DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；Ci为源组织/器官i中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg鲜重；Cm为外部环境介质m中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg或Bq/L；wR,v为辐射权重因子，内照射对α辐射取10，低能β辐射取3，非低能β和γ辐射取1，外照射对非低能β和γ辐射取1，不考虑α和低能β；R为生物在该环境介质中的居留因子。
本发明的有益效果在于：本发明所提供的方法及系统，建立生物体的体素模型，对生物体的辐射剂量率进行估算，考虑到生物体各器官各方面所造成的剂量率影响，为生物体的辐射影响评价提供更加接近真实情况、区分各个组织器官的精细模型，提高生物体剂量率估算值的确定性。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法的流程示意图；
图2为本发明实施例一中提供的鲤鱼体素模型与EIRCA模型和RESRAD-BIOTA模型的外照射平均DCC值对比图；
图3为本发明实施例一中提供的鲤鱼体素模型与EIRCA模型和RESRAD-BIOTA模型的外照射平均剂量率对比图；
图4为本发明实施例一中提供的鲤鱼体素模型与EIRCA模型和RESRAD-BIOTA模型的内照射平均DCC值对比图；
图5为本发明实施例一中提供的鲤鱼体素模型与EIRCA模型和RESRAD-BIOTA模型的内照射平均剂量率对比图；
图6为本发明实施例二中提供的淡水蟹体素模型与EIRCA模型和RESRAD-BIOTA模型的外照射平均DCC值对比图；
图7为本发明实施例二中提供的淡水蟹体素模型与EIRCA模型和RESRAD-BIOTA模型的外照射平均剂量率对比图；
图8为本发明实施例二中提供的淡水蟹体素模型与EIRCA模型和RESRAD-BIOTA模型的内照射平均DCC值对比图；
图9为本发明实施例二中提供的淡水蟹体素模型与EIRCA模型和RESRAD-BIOTA模型的内照射平均剂量率对比图；
图10为本发明实施例中提供的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，包括：
S1、通过扫描设备，根据预设间隔厚度对生物体进行扫描，获得生物体不同切面的图片集，对图片集进行三维重建和二维转换得到配准后的图片集；
将生物体放置在相关设备上，通过CT扫描或核磁共振技术，按照间隔厚度为1.25mm对生物体进行扫描，获得生物体不同切面的图片集，通过扫描设备自带的三维重建系统进行三维重建后，按照矢状位、冠状位和轴状位进行二维图像分离，得到配准后的图片集。
扫描获取的图片集经过二维→三维重建→二维转换之后，得到配准后的二维图片集。
S2、对配准后的图片集中的图片进行器官分割，得到分割后的图片集；
通过Photoshop软件对配准后的图片集中的图片进行手动分割，对生物体进行相邻器官间的模糊边界分割；
通过MATLAB软件采用阈值法分割法对手动分割后的图片进行自动分割，得到分割后的图片集。
对已配准过的图片进行器官分割，分割的效果好坏将直接影响体素模型建立的质量，因此该阶段采用手动+自动相结合的方式进行器官分割。首先，利用Photoshop对图片进行手动分割，重点针对相邻器官间的模糊边界分割；其次，利用MATLAB软件对已经手动处理过的图片进行自动分割，采用阈值法分割，将尺寸大的器官阈值范围设定大，尺寸小的器官阈值范围设定小，以防止像素点的错位。
S3、对分割后的图片集进行三维重建，对生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小；
通过MATLAB软件对所述分割后的图片集进行三维重建，通过Amira软件对所述生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小。
S4、根据蒙特卡洛软件的输入文件格式要求编写输入文件，运行得到生物体的体素模型的截面图和3D重建图；
S5、分别以水体和生物体的各部分器官为源，编写输入文件，运行得到水体和生物体的各个器官对生物体的各器官的内、外照射能量吸收分数，分别将其代入内、外照射剂量率转换因子计算公式，计算得到源和靶之间的内、外照射剂量率转换因子；
内照射剂量率转换因子计算公式为：
外照射剂量率转换因子公式为：
其中，DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；5.76×10-4为从MeV/s到μJ/h的转换系数；ν为辐射类型，包括α、β和γ粒子；Ek为ν粒子辐射类型的第k种能量，单位MeV；Yk为放射性核素每次衰变时能量为Ek的ν粒子的产额，最大为100％；Mi为源组织/器官i的质量，单位kg；Mj为靶组织/器官j的质量，单位kg；为源组织/器官i中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数；Mm为外部源环境介质m的质量，单位kg；为外部源环境介质m中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数。
S6、将计算得到内、外照射剂量率转换因子代入剂量率计算公式，计算得到生物体的总剂量率。
剂量率计算公式为：
其中，为靶组织/器官j所受到来自于体内源组织/器官ii中能量为Ek的ν粒子辐射的加权剂量率，单位μGy·h-1；为外部源环境介质m对生物靶组织/器官j的加权剂量率，单位μGy·h-1；DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；Ci为源组织/器官i中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg鲜重；Cm为外部环境介质m中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg或Bq/L；wR,v为辐射权重因子，内照射对α辐射取10，低能β辐射取3，非低能β和γ辐射取1，外照射对非低能β和γ辐射取1，不考虑α和低能β；R为生物在该环境介质中的居留因子。
如图1所示，一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，包括：
S101、挑选出一个有代表性的生物个体，测量并记录其详细尺寸和重量，冰冻后，通过扫描设备，根据预设间隔厚度对生物体进行扫描，获得生物体不同切面的灰度图的图片集，对图片集进行三维重建和二维转换后得到配准后的图片集；
S102、对配准后的图片集中的图片分别采用Photoshop软件和MATLAB软件进行器官分割，获得分割后的图片集；
S103、对分割后的图片集进行二维重建，对生物体内部器官进行二维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小，对模型的质量进行修正；
S104、利用MATLAB软件将分割好的图片集转换为MCNP输入文件格式，根据蒙特卡洛软件的输入文件格式要求输入图片集文件，运行得到体素模型的截面图和3D重建图；
S105、分别以水体和生物体的各部分器官为源，编写输入文件，运行得到水生和生物体的各个器官对生物体的各个器官的内、外照射能量吸收分数，分别将其代入内、外照射剂量率转换因子计算公式，计算得到源和靶之间的内、外照射剂量率转换因子；
S106、将计算得到的内、外照射剂量率转换因子代入剂量率计算公式，计算得到生物体的总剂量率。
实施例一
以鲤鱼剂量率估算为例，建立一种鲤鱼的体素模型，用于鲤鱼的辐射剂量率估算。为鲤鱼的辐射影响评价提供更加接近真实情况、区分各个组织器官的精细模型。为达到以上目的，包括如下步骤：
(1)图片集获取及配准
将生物体放置在相关设备上，通过核磁共振技术，按照间隔厚度为1.25mm进行扫描获得生物体不同切面的图片集。利用扫描设备自带的三维重建系统进行三维重建，然后在此基础上按照矢状位、冠状位、轴状位进行二维图像分离，经过二维→三维重建→二维转换之后，得到配准后的二维图片集。
(2)图像分割
对已配准过的图片进行器官分割，分割的效果好坏将直接影响体素模型建立的质量，因此该阶段采用手动+自动相结合的方式进行器官分割。首先，利用Photoshop对图片进行手动分割，重点针对相邻器官间的模糊边界分割；其次，利用MATLAB软件对已经手动处理过的图片进行自动分割，采用阈值法分割，将尺寸大的器官阈值范围设定大，尺寸小的器官阈值范围设定小，以防止像素点的错位。
(3)MATLAB、Amira三维重建检验
采用MATLAB软件对已分割的图片集进行三维重建，分别对比鲤鱼模型与卵巢模型。采用Amira软件对鲤鱼内部器官进行三维透视重建，确定其与实际器官之间的差异大小，防止模型出现严重失真。
(4)MCNP三维体素模型建模
采用的蒙特卡洛软件为MCNP，由于体素模型中体素单元过多，同时受到MCNP输入文件格式的限制，因此采用重复结构来描述体素单元。鲤鱼模型体素总个数为512×512×74，体素大小为1mm×1mm×1.25mm。按照MNCP要求编写输入文件，运行得到鲤鱼体素模型的截面图、3D重建图。
(5)剂量率估算
分别以水体和鲤鱼各部分器官为源，编写输入文件，运行得到水体和鲤鱼各个器官对鲤鱼各器官的内、外照射能量吸收分数，代入剂量率转换因子公式计算得到源和靶之间的剂量率转换因子。采用实验获得的生物器官和水体中的活度浓度，将其与计算得到源和靶之间的剂量率转换因子代入剂量率计算公式计算得到生物体的总剂量率。
(6)与ERICA和RESRAD-BIOTA的比较
将生物体各部分的活度浓度按照质量进行加权，得到生物体平均活度浓度。将生物体活度浓度、几何尺寸输入ERICA程序和RESRAD-BIOTA程序，运行得到生物体各部分的剂量率。将上述鲤鱼体素模型与ERICA和RESRAD-BIOTA方法运行得到的结果进行比较，对鲤鱼体素模型进行验证。通过对鲤鱼体素模型进行多方面的验证，如图2-5所示，验证结果如下：
A、对比模型的三维图与鲤鱼实际的形状，二者外形基本吻合；
B、体素模型模拟得到的能量为0.662MeV的γ外照射剂量率转换因子和剂量率与ERICA和RESRAD-BIOTA所得结果数量级相同，差值范围均在20％以内；
C、体素模型模拟得到的能量为0.9348MeV的β内照射的剂量率转换因子与ERICA和RESRAD-BIOTA所得剂量率转换因子和剂量率差值较大，相差约5倍。这是由于不同器官对核素浓集效应的差异造成。
上述提供的鲤鱼体素模型与EIRCA模型和RESRAD-BIOTA模型相比较，具有对器官进行精细区分，更加接近生物体的实际结构情况，能够更好的模拟生物体的实际受照，便于作出更加合理的辐射影响评价结果。
实施例二
以淡水蟹剂量率估算为例，建立一种淡水蟹的体素模型，用于淡水蟹的辐射剂量率估算。为淡水蟹的辐射影响评价提供更加接近真实情况、区分各个组织器官的精细模型。为达到以上目的，包括如下步骤：
(1)图片集获取及配准
将生物体放置在相关设备上，通过核磁共振技术，按照间隔厚度为1.25mm进行扫描获得生物体不同切面的图片集。利用扫描设备自带的三维重建系统进行三维重建，然后在此基础上按照矢状位、冠状位、轴状位进行二维图像分离，经过二维→三维重建→二维转换之后，得到配准后的二维图片集体。
(2)图像分割
对已配准过的图片进行器官分割，分割的效果好坏将直接影响体素模型建立的质量，因此该阶段采用手动+自动相结合的方式进行器官分割。首先，利用Photoshop对图片进行手动分割，重点针对相邻器官间的模糊边界分割；其次，利用MATLAB软件对已经手动处理过的图片进行自动分割，采用阈值法分割，将尺寸大的器官阈值范围设定大，尺寸小的器官阈值范围设定小，以防止像素点的错位。
(3)MATLAB、Amira三维重建检验
采用MATLAB软件对已分割的图片集进行三维重建，分别对比淡水蟹模型与卵巢模型。采用Amira软件对淡水蟹内部器官进行三维透视重建，确定其与实际器官之间的差异大小，防止模型出现严重失真。
(4)MCNP三维体素模型建模
本专利采用的蒙特卡洛软件为MCNP，由于体素模型中体素单元过多，同时受到MCNP输入文件格式的限制，因此采用重复结构来描述体素单元。淡水蟹模型体素总个数为4835100个，体素大小为0.4mm×0.4mm×1.25mm。按照MNCP要求编写输入文件，运行得到淡水蟹体素模型的截面图、3D重建图。经过三维重建后的生物体模型质量为106.49g，与淡水蟹的实际质量104.6g非常接近，说明了体素模型较为准确。
(5)剂量率估算
分别以水体和淡水蟹各部分器官为源，编写输入文件，运行得到水体和淡水蟹各个器官对淡水蟹各器官的内、外照射能量吸收分数，代入剂量率转换因子公式计算得到源和靶之间的剂量率转换因子。采用实验获得的生物器官和水体中的活度浓度，将其与计算得到源和靶之间的剂量率转换因子代入剂量率计算公式计算得到生物体的总剂量率。
(6)与ERICA和RESRAD-BIOTA的比较
将生物体各部分的活度浓度按照质量进行加权，得到生物体平均活度浓度。将生物体活度浓度、几何尺寸输入ERICA程序和RESRAD-BIOTA程序，运行得到生物体各部分的剂量率。将淡水蟹体素模型与ERICA和RESRAD-BIOTA方法运行得到的结果进行比较，对模型进行验证。如图6-9所示，通过对模型进行多方面的验证结果如下：
A、对比模型的三维图与淡水蟹实际的形状，二者外形基本吻合；
B、淡水蟹体素模型质量为106.49g，与淡水蟹的实际质量104.6g非常接近；
C、体素模型模拟得到的能量为0.662MeV的γ外照射剂量率转换因子和剂量率与ERICA和RESRAD-BIOTA所得结果数量级相同，差值约20％；
D、体素模型模拟得到的能量为0.9348MeV的β内照射的剂量率转换因子与ERICA和RESRAD-BIOTA所得剂量率转换因子和剂量率与二者差值较大，相差约6倍。
如图10所示，一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，包括：
扫描配准模块1，用于通过扫描设备，根据预设间隔厚度对生物体进行扫描，获得生物体不同切面的图片集，对图片集进行三维重建和二维转换得到配准后的图片集；
分割模块2，用于对配准后的图片集中的图片进行器官分割，得到分割后的图片集；
三维重建检测模块3，用于对分割后的图片集进行三维重建，对生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小；
运行模块4，用于根据蒙特卡洛软件的输入文件格式要求编写输入文件，运行得到生物体的体素模型的截面图和3D重建图；
第一计算模块5，用于分别以水体和生物体的各部分器官为源，编写输入文件，运行得到水体和生物体的各个器官对生物体的各器官的内、外照射能量吸收分数，分别将其代入内、外照射剂量率转换因子计算公式，计算得到源和靶之间的内、外照射剂量率转换因子；
第二计算模块6，用于将计算得到内、外照射剂量率转换因子代入剂量率计算公式，计算得到生物体的总剂量率。
扫描配准模块1具体用于：
将生物体放置在相关设备上，通过CT扫描或核磁共振技术，按照间隔厚度为1.25mm对生物体进行扫描，获得生物体不同切面的图片集，通过扫描设备自带的三维重建系统进行三维重建后，按照矢状位、冠状位和轴状位进行二维图像分离，得到配准后的图片集。
分割模块2具体用于：
通过Photoshop软件对配准后的图片集中的图片进行手动分割，对生物体进行相邻器官间的模糊边界分割；
通过MATLAB软件采用阈值法分割法对手动分割后的图片进行自动分割，得到分割后的图片集；
三维重建检测模块具体用于：
通过MATLAB软件对分割后的图片集进行三维重建，通过Amira软件对生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小。
内照射剂量率转换因子计算公式为：
外照射剂量率转换因子公式为：
其中，DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；5.76×10-4为从MeV/s到μJ/h的转换系数；ν为辐射类型，包括α、β和γ粒子；Ek为ν粒子辐射类型的第k种能量，单位MeV；Yk为放射性核素每次衰变时能量为Ek的ν粒子的产额，最大为100％；Mi为源组织/器官i的质量，单位kg；Mj为靶组织/器官j的质量，单位kg；为源组织/器官i中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数；Mm为外部源环境介质m的质量，单位kg；为外部源环境介质m中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数。
剂量率计算公式为：
其中，为靶组织/器官j所受到来自于体内源组织/器官i中能量为Ek的ν粒子辐射的加权剂量率，单位μGy·h-1；为外部源环境介质m对生物靶组织/器官j的加权剂量率，单位μGy·h-1；DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；Ci为源组织/器官i中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg鲜重；Cm为外部环境介质m中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg或Bq/L；wR,v为辐射权重因子，内照射对α辐射取10，低能β辐射取3，非低能β和γ辐射取1，外照射对非低能β和γ辐射取1，不考虑α和低能β；R为生物在该环境介质中的居留因子。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，其特征在于，包括：
S1、通过扫描设备，根据预设间隔厚度对生物体进行扫描，获得所述生物体不同切面的图片集，对所述图片集进行三维重建和二维转换得到配准后的图片集；
S2、对所述配准后的图片集中的图片进行器官分割，得到分割后的图片集；
S3、对所述分割后的图片集进行三维重建，对所述生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小；
S4、根据蒙特卡洛软件的输入文件格式要求编写输入文件，运行得到所述生物体的体素模型的截面图和3D重建图；
S5、分别以水体和所述生物体的各部分器官为源，编写输入文件，运行得到所述水体和所述生物体的各个器官对所述生物体的各器官的内、外照射能量吸收分数，分别将其代入内、外照射剂量率转换因子计算公式，计算得到源和靶之间的内、外照射剂量率转换因子；
S6、将计算得到内、外照射剂量率转换因子代入剂量率计算公式，计算得到所述生物体的总剂量率。
2.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，其特征在于，步骤S1包括：
将生物体放置在相关设备上，通过CT扫描或核磁共振技术，按照间隔厚度为1.25mm对所述生物体进行扫描，获得所述生物体不同切面的图片集，通过所述扫描设备自带的三维重建系统进行三维重建后，按照矢状位、冠状位和轴状位进行二维图像分离，得到配准后的图片集。
3.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，其特征在于，步骤S2包括：
通过Photoshop软件对所述配准后的图片集中的图片进行手动分割，对所述生物体进行相邻器官间的模糊边界分割；
通过MATLAB软件采用阈值法分割法对手动分割后的图片进行自动分割，得到分割后的图片集；
步骤S3包括：
通过MATLAB软件对所述分割后的图片集进行三维重建，通过Amira软件对所述生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小。
4.根据权利要求1所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，其特征在于，步骤S5中，所述内照射剂量率转换因子计算公式为：
所述外照射剂量率转换因子公式为：
其中，DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；5.76×10-4为从MeV/s到μJ/h的转换系数；ν为辐射类型，包括α、β和γ粒子；Ek为ν粒子辐射类型的第k种能量，单位MeV；Yk为放射性核素每次衰变时能量为Ek的ν粒子的产额，最大为100％；Mi为源组织/器官i的质量，单位kg；Mj为靶组织/器官j的质量，单位kg；为源组织/器官i中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数；Mm为外部源环境介质m的质量，单位kg；为外部源环境介质m中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数。
5.根据权利要求4所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算方法，其特征在于，步骤S6中，所述剂量率计算公式为：
其中，为靶组织/器官j所受到来自于体内源组织/器官i中能量为Ek的ν粒子辐射的加权剂量率，单位μGy·h-1；为外部源环境介质m对生物靶组织/器官j的加权剂量率，单位μGy·h-1；DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；Ci为源组织/器官i中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg鲜重；Cm为外部环境介质m中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg或Bq/L；wR,v为辐射权重因子，内照射对α辐射取10，低能β辐射取3，非低能β和γ辐射取1，外照射对非低能β和γ辐射取1，不考虑α和低能β；R为生物在该环境介质中的居留因子。
6.一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，其特征在于，包括：
扫描配准模块，用于通过扫描设备，根据预设间隔厚度对生物体进行扫描，获得所述生物体不同切面的图片集，对所述图片集进行三维重建和二维转换得到配准后的图片集；
分割模块，用于对所述配准后的图片集中的图片进行器官分割，得到分割后的图片集；
三维重建检测模块，用于对所述分割后的图片集进行三维重建，对所述生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小；
运行模块，用于根据蒙特卡洛软件的输入文件格式要求编写输入文件，运行得到所述生物体的体素模型的截面图和3D重建图；
第一计算模块，用于分别以水体和所述生物体的各部分器官为源，编写输入文件，运行得到所述水体和所述生物体的各个器官对所述生物体的各器官的内、外照射能量吸收分数，分别将其代入内、外照射剂量率转换因子计算公式，计算得到源和靶之间的内、外照射剂量率转换因子；
第二计算模块，用于将计算得到内、外照射剂量率转换因子代入剂量率计算公式，计算得到所述生物体的总剂量率。
7.根据权利要求6所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，其特征在于，所述扫描配准模块具体用于：
将生物体放置在相关设备上，通过CT扫描或核磁共振技术，按照间隔厚度为1.25mm对所述生物体进行扫描，获得所述生物体不同切面的图片集，通过所述扫描设备自带的三维重建系统进行三维重建后，按照矢状位、冠状位和轴状位进行二维图像分离，得到配准后的图片集。
8.根据权利要求6所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，其特征在于，所述分割模块具体用于：
通过Photoshop软件对所述配准后的图片集中的图片进行手动分割，对所述生物体进行相邻器官间的模糊边界分割；
通过MATLAB软件采用阈值法分割法对手动分割后的图片进行自动分割，得到分割后的图片集；
所述三维重建检测模块具体用于：
通过MATLAB软件对所述分割后的图片集进行三维重建，通过Amira软件对所述生物体内部器官进行三维透视重建，确定重建后的器官与实际器官之间的差异大小。
9.根据权利要求6所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，其特征在于，所述内照射剂量率转换因子计算公式为：
所述外照射剂量率转换因子公式为：
其中，DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；5.76×10-4为从MeV/s到μJ/h的转换系数；ν为辐射类型，包括α、β和γ粒子；Ek为ν粒子辐射类型的第k种能量，单位MeV；Yk为放射性核素每次衰变时能量为Ek的ν粒子的产额，最大为100％；Mi为源组织/器官i的质量，单位kg；Mj为靶组织/器官j的质量，单位kg；为源组织/器官i中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数；Mm为外部源环境介质m的质量，单位kg；为外部源环境介质m中每发射一次能量为Ek的ν粒子被靶组织/器官j吸收的能量吸收分数。
10.根据权利要求9所述的一种基于蒙特卡洛体素模型的剂量率估算系统，其特征在于，所述剂量率计算公式为：
其中，为靶组织/器官j所受到来自于体内源组织/器官i中能量为Ek的ν粒子辐射的加权剂量率，单位μGy·h-1；为外部源环境介质m对生物靶组织/器官j的加权剂量率，单位μGy·h-1；DCCi,j(Ek)为源组织/器官i中能量为Ek粒子辐射对靶组织/器官j的内照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；DCCm,j(Ek)为外部源环境介质m的第k种辐射对生物靶组织/器官j的外照射剂量转换因子，单位μGy·h-1/Bq·kg-1；Ci为源组织/器官i中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg鲜重；Cm为外部环境介质m中该核素A的活度浓度，单位Bq/kg或Bq/L；wR,v为辐射权重因子，内照射对α辐射取10，低能β辐射取3，非低能β和γ辐射取1，外照射对非低能β和γ辐射取1，不考虑α和低能β；R为生物在该环境介质中的居留因子。
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