[发明专利]一种任意形状放射源的辐射剂量仿真方法

权利要求书

1.一种任意形状放射源的辐射剂量仿真方法，其特征是包括如下步骤：

(1)在三维建模软件中建立物体的三维几何模型并导出，作为初始输入；

(2)读取物体三维模型文件，获取物体的网格模型；

(3)空间剖分；

(4)采用长方体对物体模型粗近似；

(5)采用三角形面片对物体模型表面精近似；

(6)采样生成点核；

(7)采用点核方法进行伽马辐射剂量计算；

空间剖分具体包括：

3.1)选取大于物体的轴对齐长方体几何空间作为初始分割体，设定粗近似分割阈值和精近似分割阈值，采用二叉树方式划分几何空间，初始划分空间作为树根，每次划分以垂直于最长轴且位于最长轴中心的面作为分割面，将初始分割体平均划分为两个子体；

3.2)分割一次之后，判断两个子体是否与物体网格相交，如果子体没有与物体网格相交，不进一步细分；反之，在下一次分割中进一步细分逼近物体表面；

3.3)更新新生成的两个子体的邻居，如果长方体A与长方体B有一面接触，则称A和B互为邻居，每当一个长方体被分割后，该长方体被删除，与该长方体相邻的邻居以及新生成的两个子体重新计算相邻的邻居，重复步骤3.1)～3.3)直至达到事先确定的粗近似分割阈值；

所述采用长方体对物体模型粗近似具体包括：

4.1)确定物体外部的长方体即外部体：选取一面位于初始分割空间边界处的一个长方体，该长方体一定属于外部体，该长方体的连通邻居同样属于外部体，其中连通邻居定义为，若A、B互为邻居，并且B不属于边界体，则B是A的连通邻居；如果B属于边界体，则B是A的非连通邻居；

4.2)依次查找外部体的连通邻居，查找出所有外部体，剔除外部体后，剩余部分为边界体和位于物体内部的长方体即内部体，边界体和内部体共同构成物体的粗近似模型；

所述采用三角形面片对物体模型表面精近似具体包括：

5.1)获取边界体集合BV，选取边界体的棱与物体有3、4、5、6个交点时的情况作为典型相交情况，进行物体表面近似，其中边界体的每条棱与物体相交点最多为1个，整个边界体总交点数最多为6个；

5.2)如果BV不为空，则从中选取一个边界体B，并将B从BV中移除；

5.3)判断B是否属于五种典型相交情况，若属于，则生成分割截面三角形，之后回到步骤2)处理下一个边界体；若不属于，判断B与物体表面交点个数是否小于3，若小于，则忽略B，回到步骤5.2)处理下一个边界体；若大于3，判断B是否达到精近似分割阈值，若达到，整个B作为物体的一部分，之后回到步骤5.2)处理下一个边界体，若没有达到，按照空间剖分步骤的方式进一步细分，产生为两个新长方体C、D，若C或D中没有属于外部体的邻居，则将其放入边界体集合BV，否则将其存入外部体集合，之后回到步骤5.2)处理下一个边界体；

5.4)重复以上步骤，直到边界体集合为空；

三角形分割截面生成方法为：

截面三角形构成规则需满足以下两个条件：(1)三角形之间无重叠，并且具有公共顶点；(2)记边界体上标记物体外部方向的标志点为G，距离G最近的边界体上交点为P₁，G和P₁构成向量与构成截面的三角形法线V_n夹角应小于90度，即截面三角形不进行实际分割操作，只是用作识别物体内外的一个边界；

1)查找边界体上位于物体外部的标志点G，该点一定属于外部体棱上或面上的一点；

2)记边界体与物体交点集合为Points，其含有n个元素，在Points中查找距离G最近的交点B作为分割截面三角形的公共顶点，向量指向物体外部；

3)与需要构建的截面三角形法线夹角小于90度，记三角形法线为nor，则点乘将B放在Points的首位，利用冒泡排序算法，对其他交点进行排序，排序规则为其中P_j和P_j+1是Points中相邻的两个元素，为三角形ΔBP_jP_j+1的法线；

4)生成截面三角形ΔBP_jP_j+1，j＝1，2，…，n-1，并计算每个截面三角形法线为

所述采样生成点核具体包括：

6.1)输入放射源强度，材料信息，设置点核密度为DL；

6.2)在每个内部体中随机均匀生成采样点作为点核位置，第i个内部体内的采样点个数N_i＝DL×V_i，其中V_i为该内部体的体积；

6.3)记第k个边界体被截面三角形分割后，属于物体内部的体积为V_k，则其内部生成点核数量为N_k＝DL×V_k，采样过程中只有位于物体内部部分的采样点为有效采样点，在有效采样位置生成一个点核，若采样点位于物体外部则舍弃，重复以上步骤直至点核数量为N_k；

边界体内采样点有效性识别方法为：

分割截面三角形将边界体分隔为两部分，一部分属于物体内部，记为SI，另一部分位于物体外部，记为SO，以采样点为起点，向方向引发一条射线，若射线与分割截面三角形相交或者与SI的边界面相交，则该采样点位于物体内部，在采样点位置生成一个点核，否则，采样点位于物体外部，舍弃；

所述采用点核方法进行伽马辐射剂量计算具体包括：

输入探测点位置，采用点核方法进行辐射剂量计算，辐射剂量D的计算公式如下：

式中，V是所建立物体精近似模型的体积；g为边界体和内部体的数量和；n_i是精近似模型第i个长方体内的点核数量；m为能量个数；E为光子能量；C为伽马光子辐射效应转换因子；S是放射源强度；B是累积因子，从ANSI/ANS-6.4.3以及G-P拟合公式获得；P(E)为放射源发射能量为E的光子概率；t是伽马光子从点核到探测点穿过所有屏蔽材料的平均自由程；r_ij是第i个长方体中第j个点核到探测点的距离；

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为点核与探测点的连线在区域i中的几何距离；

最终，探测点处辐照剂量计算完成。