CN111128317A - 一种电离辐射组织等效材料配方设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电离辐射组织等效材料配方设计方法及系统，配方设计方法包括：S100、根据待模拟组织的不同物理性质和组织等效材料的不同使用场合因素，确定组织等效材料的高分子材料种类及原料；S200、根据不同元素的质量衰减系数曲线对组织等效材料的所有元素进行分类，将质量衰减系数近似的元素划为一类；S300、将每一类元素看作整体，确定组织等效材料的各类元素的比例；S400、对组织等效材料的每个元素进行调整，以使组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于预设百分比。本发明利用不同物质的质量衰减系数曲线进行拟合，可在一定能量范围内获得与待模拟组织组织等效性较好的配方。

Description

一种电离辐射组织等效材料配方设计方法及系统

技术领域

本发明涉及辐射防护技术领域，具体涉及一种电离辐射组织等效材料配方设计方法及系统。

背景技术

任何能模拟人体组织与电离辐射相互作用的物质都被称为(该电离辐射下该组织的)电离辐射组织等效材料，其主要用途是制作仿真人体物理模型。电离辐射组织等效材料从上世纪七十年代开始到现在，技术方案没有发生突破性变化，发展陷入停滞，已经影响到了仿真人体物理模型的发展，使仿真人体物理模型不能满足未来剂量学研究的需要。所以需要一种新型的电离辐射组织等效材料配方设计方法来简化设计步骤，扩充组织等效材料种类，适应仿真人体物理模型的发展。

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电离辐射组织等效材料配方设计方法及系统，。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电离辐射组织等效材料配方设计方法，所述配方设计方法包括：

(1)根据待模拟组织的不同物理性质和组织等效材料的不同使用场合因素，确定所述组织等效材料的高分子材料种类及原料；

(2)根据不同元素的质量衰减系数曲线对所述组织等效材料的所有元素进行分类，将质量衰减系数近似的元素划为一类；

(3)将每一类元素看作整体，确定所述组织等效材料的各类元素的比例；

(4)对所述组织等效材料的每个元素进行调整，以使所述组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于预设百分比。

进一步，如上所述的配方设计方法，步骤(1)中，确定的所述高分子材料可模拟所述待模拟组织的弹性或刚性，与所述待模拟组织的密度相对偏差小于5％，所述不同使用场合因素包括能量范围、辐照水平、温度和湿度。

进一步，如上所述的配方设计方法，步骤(2)中，所述不同元素包括H、C、N、O、Ca及其余在所述待模拟组织中质量分数小于1％的微量元素。

进一步，如上所述的配方设计方法，步骤(2)中，所述质量衰减系数曲线为质量衰减系数-γ射线能量双对数曲线。

进一步，如上所述的配方设计方法，所述将质量衰减系数近似的元素划为一类包括：在10keVγ或X射线能量下，将质量衰减系数相对偏差小于200％的元素归为一类。

进一步，如上所述的配方设计方法，步骤(3)包括：

将每一类元素看作整体，计算所述组织等效材料的每类元素的质量分数，同时调整所述组织等效材料的每类元素的质量分数，以使所述组织等效材料的每类元素的质量分数与目标材料的质量分数相同。

进一步，如上所述的配方设计方法，步骤(4)包括：

引入添加剂，通过调整添加剂的比例改变所述组织等效材料的质量衰减系数，以使所述组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于5％。

一种电离辐射组织等效材料配方设计系统，所述配方设计系统包括：

第一确定模块，用于根据待模拟组织的不同物理性质和组织等效材料的不同使用场合因素，确定所述组织等效材料的高分子材料种类及原料；

分类模块，用于根据不同元素的质量衰减系数曲线对所述组织等效材料的所有元素进行分类，将质量衰减系数近似的元素划为一类；

第二确定模块，用于将每一类元素看作整体，确定所述组织等效材料的各类元素的比例；

调整模块，用于对所述组织等效材料的每个元素进行调整，以使所述组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于预设百分比。

进一步，如上所述的配方设计系统，所述第二确定模块具体用于：

将每一类元素看作整体，计算所述组织等效材料的每类元素的质量分数，同时调整所述组织等效材料的每类元素的质量分数，以使所述组织等效材料的每类元素的质量分数与目标材料的质量分数相同。

进一步，如上所述的配方设计系统，，所述调整模块具体用于：

引入添加剂，通过调整添加剂的比例改变所述组织等效材料的质量衰减系数，以使所述组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于5％。

本发明的有益效果在于：本发明利用不同物质的质量衰减系数曲线进行拟合，可在一定能量范围内获得与待模拟组织组织等效性较好的配方。该方法使用简单，拟合效果好，可大大扩充组织等效材料种类，方便根据不同场景选取对应组织等效材料。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种电离辐射组织等效材料配方设计方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种电离辐射组织等效材料配方设计系统的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的不同元素的质量衰减系数-γ射线能量双对数曲线图；

图4为本发明实施例中提供的组织等效材料与软组织相对偏差曲线图。

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。

如图1所示，一种电离辐射组织等效材料配方设计方法，其特征在于，配方设计方法包括：

S100、根据待模拟组织的不同物理性质和组织等效材料的不同使用场合因素，确定组织等效材料的高分子材料种类及原料；

确定的高分子材料可模拟待模拟组织的弹性或刚性，与待模拟组织的密度相对偏差小于5％，不同使用场合因素包括能量范围、辐照水平、温度和湿度。

S200、根据不同元素的质量衰减系数曲线对组织等效材料的所有元素进行分类，将质量衰减系数近似的元素划为一类；

不同元素包括H、C、N、O、Ca及其余在待模拟组织中质量分数小于1％的微量元素。

质量衰减系数曲线为质量衰减系数-γ射线能量双对数曲线。

将质量衰减系数近似的元素划为一类包括：在10keVγ或X射线能量下，将质量衰减系数相对偏差小于200％的元素归为一类。

S300、将每一类元素看作整体，确定组织等效材料的各类元素的比例；

步骤S300包括：

将每一类元素看作整体，计算组织等效材料的每类元素的质量分数，同时调整组织等效材料的每类元素的质量分数，以使组织等效材料的每类元素的质量分数与目标材料的质量分数相同。

S400、对组织等效材料的每个元素进行调整，以使组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于预设百分比。

步骤S400包括：

引入添加剂，通过调整添加剂的比例改变组织等效材料的质量衰减系数，以使组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于5％。

该方法利用不同物质的质量衰减系数曲线进行拟合，可在一定能量范围内获得与待模拟组织组织等效性较好的配方。该方法使用简单，拟合效果好，可大大扩充组织等效材料种类，方便根据不同场景选取对应组织等效材料。

如图2所示，一种电离辐射组织等效材料配方设计系统，配方设计系统包括：

第一确定模块1，用于根据待模拟组织的不同物理性质和组织等效材料的不同使用场合因素，确定组织等效材料的高分子材料种类及原料；

分类模块2，用于根据不同元素的质量衰减系数曲线对组织等效材料的所有元素进行分类，将质量衰减系数近似的元素划为一类；

第二确定模块3，用于将每一类元素看作整体，确定组织等效材料的各类元素的比例；

调整模块4，用于对组织等效材料的每个元素进行调整，以使组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于预设百分比。

第二确定模块3具体用于：

将每一类元素看作整体，计算组织等效材料的每类元素的质量分数，同时调整组织等效材料的每类元素的质量分数，以使组织等效材料的每类元素的质量分数与目标材料的质量分数相同。

调整模块4具体用于：

引入添加剂，通过调整添加剂的比例改变组织等效材料的质量衰减系数，以使组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于5％。

实施例一

1)待模拟组织即软组织为弹性体，平均密度为1.03g/cm3，使用环境为实验室，放射源均为豁免源，γ射线能量范围为59.5keV—1330keV，剂量率较小。选择弹性聚氨酯为模拟软组织的高分子材料，原料种类为聚四氢呋喃、甲苯二异氰酸酯、对二邻氯苯胺甲烷。

2)利用不同元素的质量衰减系数，如表1所示，画出H、C、N、O、Ca及其余在人体脂肪、骨骼、肌肉组织中质量分数小于1％的微量元素(此处以P、Cl元素为例进行说明)质量衰减系数-γ射线能量双对数曲线，如图3所示。将10keVγ射线能量下，质量衰减系数相对偏差小于200％的元素归为一类，可将元素分为三类：H元素单独划分为一类，C、N、O元素划分为一类，Ca元素与P、Cl等微量元素划分为一类。

表1不同元素质量衰减系数

3)软组织元素比例及初步设计后材料元素比例见表2。

表2软组织元素比例及初步设计后材料元素比例

4)初步设计完成后，经计算可得，初步设计的组织等效材料的质量衰减系数比软组织略微偏小，需要引入添加剂调整单独每个元素的比例，增大质量衰减系数，添加剂选用三(2-羧乙基)膦，微调后的元素比例见表3。

H

C

N

O

Na

P

S

Cl

K

初步设计材料元素比例％

3～13

62～68

1～4

17～23

0～1

0～1

0～1

0～1

0～1

表3调整后材料元素比例

经计算，调整后的组织等效材料配方在10—2000keVγ射线能量范围内质量衰减系数与软组织的偏差见图4，由图4可得在30—2000keVγ射线能量范围内质量衰减系数与软组织的偏差小于5％，达到并超过了设计目标，从而完成了配方设计。

通过该方法可扩大原材料种类，快速设计多种组织等效材料，从而可以进一步提升组织等效材料的物理性质和组织等效性，提升仿真人体物理模型的质量。

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)

1.一种电离辐射组织等效材料配方设计方法，其特征在于，所述配方设计方法包括：

(1)根据待模拟组织的不同物理性质和组织等效材料的不同使用场合因素，确定所述组织等效材料的高分子材料种类及原料；

(2)根据不同元素的质量衰减系数曲线对所述组织等效材料的所有元素进行分类，将质量衰减系数近似的元素划为一类；

(3)将每一类元素看作整体，确定所述组织等效材料的各类元素的比例；

(4)对所述组织等效材料的每个元素进行调整，以使所述组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于预设百分比。

2.根据权利要求1所述的配方设计方法，其特征在于，步骤(1)中，确定的所述高分子材料可模拟所述待模拟组织的弹性或刚性，与所述待模拟组织的密度相对偏差小于5％，所述不同使用场合因素包括能量范围、辐照水平、温度和湿度。

3.根据权利要求1所述的配方设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述不同元素包括H、C、N、O、Ca及其余在所述待模拟组织中质量分数小于1％的微量元素。

4.根据权利要求1所述的配方设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述质量衰减系数曲线为质量衰减系数-γ射线能量双对数曲线。

5.根据权利要求1所述的配方设计方法，其特征在于，所述将质量衰减系数近似的元素划为一类包括：在10keVγ或X射线能量下，将质量衰减系数相对偏差小于200％的元素归为一类。

6.根据权利要求1所述的配方设计方法，其特征在于，步骤(3)包括：

将每一类元素看作整体，计算所述组织等效材料的每类元素的质量分数，同时调整所述组织等效材料的每类元素的质量分数，以使所述组织等效材料的每类元素的质量分数与目标材料的质量分数相同。

7.根据权利要求1所述的配方设计方法，其特征在于，步骤(4)包括：

引入添加剂，通过调整添加剂的比例改变所述组织等效材料的质量衰减系数，以使所述组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于5％。

8.一种电离辐射组织等效材料配方设计系统，其特征在于，所述配方设计系统包括：

第一确定模块，用于根据待模拟组织的不同物理性质和组织等效材料的不同使用场合因素，确定所述组织等效材料的高分子材料种类及原料；

分类模块，用于根据不同元素的质量衰减系数曲线对所述组织等效材料的所有元素进行分类，将质量衰减系数近似的元素划为一类；

第二确定模块，用于将每一类元素看作整体，确定所述组织等效材料的各类元素的比例；

调整模块，用于对所述组织等效材料的每个元素进行调整，以使所述组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于预设百分比。

9.根据权利要求8所述的配方设计系统，其特征在于，所述第二确定模块具体用于：

将每一类元素看作整体，计算所述组织等效材料的每类元素的质量分数，同时调整所述组织等效材料的每类元素的质量分数，以使所述组织等效材料的每类元素的质量分数与目标材料的质量分数相同。

10.根据权利要求8所述的配方设计系统，其特征在于，所述调整模块具体用于：

引入添加剂，通过调整添加剂的比例改变所述组织等效材料的质量衰减系数，以使所述组织等效材料在设计能量范围内质量衰减系数相对误差小于5％。

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