空间辐射剂量及屏蔽效应研究

为分析空间辐射剂量及屏蔽效应,建立空间辐射剂量Monte Carlo评估方法.建立了符合空间辐射点点分布均匀、处处各向同性的抽样方法,并实现了基于体元的人体屏蔽模型.计算了3种屏蔽厚度下质子空间辐射的器官当量剂量和有效剂量分布,分析了不同厚度的屏蔽效果.结果表明,器官当量剂量在100～200 MeV之间存在高峰,有效剂量在200 MeV左右存在高峰;随能量增加,次级粒子有效剂量贡献增大,重粒子增长速度最快;提出了加大眼晶体和性腺屏蔽厚度,开发新型辐射屏蔽材料的建议.     

中国成年男性精细眼模型

人眼晶状体是一种辐射敏感器官,建立精细的人眼模型对于精确评估晶状体的受照剂量及辐射风险非常重要。该文基于中国成年男性眼睛的特征参数建立了精细眼模型,该模型包含眼睑、巩膜、脉络膜、视网膜、晶状体、虹膜、角膜、玻璃体和房水9个主要结构。在此精细眼模型的基础上,利用MCNP模拟程序计算多种照射情形下晶状体的电子剂量转换系数,并与相关文献中的结果进行对比。结果表明:当电子能量在0.6~1.2MeV之间时,计算结果与其他文献中的结果差异较大,相对偏差最高可达98%,该模型为准确评估中国成年男性晶状体剂量提供了参考。     

人体头部3层介质中的电磁分布

为了解手机辐射的高频电磁波对人体头部的作用效果,作者通过对人体头部构建3层介质模型,利用解析法研究了电磁波入射到人体头部模型时在每层介质内的能量损耗情况.然后,根据具体的电磁环境计算了电场强度的分布.结果表明,不同的组织器官由于其电磁参数不同,对电磁波吸收后的电场强度分布曲线也随之不同.     

IMRT治疗计划的多目标优化问题

针对形调强放射治疗(IMRT)治疗计划逆向设计的需要,建立了IMRT治疗计划的多目标优化模型.该模型将病灶和健康组织辐照剂量作为约束条件,以剂量均匀性和健康组织与病灶的剂量梯度差作为目标函数.以该模型为基础,采用遗传算法实现了IMRT治疗计划系统优化.经实例计算,获得的剂量分布和病灶形状相比具有较好适形性,且健康组织剂量和病灶组织剂量有很大差别,治疗增益比高.此外,采用的遗传算法能较快收敛,实例计算证明了该模型的适用性和算法的有效性.     

Monte Carlo方法在放射治疗计划剂量计算中的应用

为了在放射治疗计划系统中的临床应用,探讨Monte Carlo剂量计算方法。应用已经建立Monte Carlo虚拟源模型,针对一例食道肿瘤病例,完成该食道癌患者放射治疗计划各个射野的剂量计算,并进行了计划设计。研究发现,高剂量区与计划靶区(PTV)保持了很好的适形,关键器官的照射量很小,得到了很好的保护。结果表明,用Monte Carlo虚拟源剂量计算模型生成的剂量分布符合临床放射治疗的实施原则,治疗计划靶区得到了高剂量照射,危险器官受照剂量远低于耐受剂量。由于该模型的精确性,完全可以替代现有的解析型剂量计算模型。     

基于MCNP的BNCT人体头部剂量分布计算

根据中国人的头部特性,利用MCNP程序对国际上普遍采用的Synder人体头部模型进行修正,建立了具有中国人特征的用于BNCT的人体头部模型.依据该人头体模分别计算了基于微型中子源反应堆所提供的快中子、超热中子和热中子进行治疗时的头部剂量分布,并对计算结果进行了分析,这为我国即将展开的BNCT临床治疗研究提供了依据.     

关于人体表面和非均质组织剂量计算的修正算法

作者对射线束三维人体剂量计算问题，介绍了有关人体表面弯曲和组织密度不均匀修正的算法，该算法通过建立仿真人体矩阵，克服计算中不便查找人体信息的困难，能避免在获取人体信息时发生差错，较好地解决了人体剂量的计算问题。     

大亚湾海域马尾藻对放射性核素110mAg 迁移转化的数值模拟

应用潮波方程和扩散方程计算出放射性核素110 mAg在大亚湾的浓度分布,使用库室模型描述海洋生态系统动力学微分方程组,建立了海洋生物库室简化模型,得出大亚湾海域马尾藻对放射性核素110 mAg的迁移转化在各网格处达到动态平衡时的浓度规律. 模拟结果与实测数据基本一致,说明模型的建立及参数的选取是恰当的. 该方法为预测核电站废水排放中放射性核素的对海洋生物的影响提供了科学依据.     

基于经皮能量传输的人工肛门括约肌生物电磁相容性研究

针对人工肛门括约肌的生物电磁相容性问题,通过对人体断层照片进行图像分割实现了组织的划分和识别,建立了包含40种生物组织的人体电磁模型.运用时域有限差分法,计算了经皮能量传输系统对生物组织产生的辐射剂量,获得了人体不同组织在该电磁场中的比吸收率分布情况,并根据国际人体电磁安全标准对其进行了深入分析.仿真结果表明,经皮能量传输系统在发射功率为1.5W,谐振频率为358kHz的实验环境下对人体组织具有良好的生物相容性.     

中国参考人数字体素体模及其在辐射防护领域的应用

人体内辐射剂量的精确模拟计算需要建立精确模拟人体各种组织器官的人体模型。该文依据中国数字人项目的人体彩色切片照片数据,建立了中国参考人数字体素体模。它采用数百万至上千万个立方体体素描述了79种组织和器官,满足ICRP(International Commission on Radiologi-cal Protection)2007年建议书中组织权重因子的技术要求,并反映了中国人体貌特征,为得到适用于中国人的剂量学参数提供了技术基础。该文详述了中国参考人数字体素体模的建立过程,并将中国参考人男性数字体素体模分别应用在外照射剂量学和内照射剂量学的研究中。该研究对于促进我国人员辐射剂量评价工作具有一定的积极意义和应用价值。     

高强度聚焦超声治疗中基于电阻抗相对变化的组织温度监测技术

高强度聚焦超声(HIFU)通过聚焦超声的声热效应对肿瘤组织进行局部快速的热疗,是一种非侵入性的无创肿瘤治疗新技术,而其治疗过程中温度监测是HIFU治疗中剂量精准控制的关键.本文基于HIFU的声传播基本原理,建立了HIFU治疗和组织电阻抗测量的模型,数值模拟了治疗过程中焦域的声场、温度场和电导率分布,并通过电势和电流密度分布的变化,计算了模型的电阻抗的整体变化,结果表明在一个规定的HIFU声功率作用下,组织模型的电阻抗相对变化和治疗时间呈线性关系,其电阻抗相对变化率和HIFU声功率也呈线性关系.按照仿真条件,建立了HIFU治疗和电阻抗实时测量的联合实验系统,在不同声功率和治疗时间条件下,对组织模型的电阻抗相对变化进行了测量,实验结果和理论仿真结果基本一致.研究结果证明用电阻抗相对变化进行HIFU治疗中焦域温度监控的可行性,为其疗效检测和剂量控制提供了新方法.     

单极手机天线电磁辐射的数值模拟

在建立手机辐射的电磁模型和分层球型人脑模型基础上,利用时域有限差分法计算了900 MHz频率时单极手机天线作用下人脑内比吸收率的分布,重点讨论了在不同通话情况下手机距人体头部不同距离时人脑中比吸收率的分布情况。计算结果表明:手机距人体头部越近人脑内比吸收率值越大,当戴有金属边框眼镜或在金属壁旁通话时,人脑内比吸收率会有不同程度的增加。     

女性航天员空间辐射防护需求分析

为了保障女性航天员的健康和安全,需要对其空间辐射风险进行评估与分析,并提出合理有效的防护建议.文中建立了符合中国女性航天员体征特点的空间辐射剂量计算模型.利用Monte Carlo方法,分别计算了0 g/cm²和5 g/cm²铝屏蔽条件下,不同能量的质子、碳离子和铁离子在女性各组织器官中的剂量分布情况.结合空间辐射环境能谱,对不同飞行任务期间女性航天员的空间辐射防护需求进行了分析.结果表明：对于中长期飞行、载人登月以及深空探索等任务,应针对女性的性器官做相应的局部防护,同时加强空间辐射防护新方法和新技术的研究.     

关于X和γ射线束楔形板剂量的修正算法

利用加速器治疗肿瘤时，通常要在射线束的路径上加入楔形板以改变平野的剂量分布，作者研究了用衰减系数法计算加楔形板后的剂量修正算法，即通过测量楔形板的材料衰减系数，再根据楔形板剖面的尺寸大小，建立插值算法以计算射线穿透楔形板的路径长度，从而准确地计算射线楔衰减因子修正平野的剂量。     

几各组织与器官的非线性动力学简化模型

对几各人体组织及器官的非线性动力学模型进行了简要叙述。利用非线性动力系统理论分析方法,对根据生理学、病理学与力学知识建立的组织与器官的非线性模型进行了理论分析,能预见组织与器官的规则与非规则的生理运动特性。     

HIFU焦域的温度分布模拟及其疗效分析

高强度聚焦超声(HIFU)是一种非侵入性、对正常组织无损伤且不易引起癌细胞转移的肿瘤治疗手段,对其治疗过程中的疗效以及肿瘤周围正常组织破坏情况的监测是实现HIFU治疗剂量精准控制的关键.本文首先从HIFU局部组织加热出发,建立了HIFU治疗系统模型,利用有限元数值模拟了HIFU焦域的声场以及温度场分布,并研究了换能器参数、超声功率、治疗时间对焦域温度分布的影响.结果表明,随着治疗时间的增长,焦点温度上升,逐渐形成椭球状的焦域;在达到治疗疗效时,即焦域径向±0.4 mm椭球范围内的组织温度达到了343 K(70℃)时,随着换能器结构系数(半径/焦距)的减小,所需要的治疗时间增长,所形成的焦域不断扩大,其轴向宽度与径向宽度比值增大,焦域变得细长,焦点处的温度逐渐降低.本研究对已知结构系数的聚焦换能器的焦域温度场仿真,可以为HIFU治疗中的温度估计和监控提供新方法,也可为疗效评估和剂量控制提供新技术.     

聚焦超声消融肝癌时大血管位置对热场分布的影响

采用有限元方法研究了聚焦超声消融肝脏肿瘤时，大血管存在于肿瘤附近不同位置对温度分布以及热剂量分布的影响．建立基于大血管对流效应的生物传热模型，基于不同的加热方案进行3-D温度瞬态仿真．仿真针对四种情况进行计算：模型中无血管，血管分别距离肿瘤1mm、2mm、3mm．仿真结果表明使用聚焦超声进行快速加热可以使能量集中在目标治疗区域．但是当肿瘤组织的近距离内（1mm）存在大血管且加热时间较长时（〉2s），肿瘤组织靠近血管的边界部分仍然会受到大血管冷却效应的影响，这种影响会导致肿瘤治疗不彻底．当肿瘤距离大血管3ram以上时，大血管在聚焦超声治疗中的冷却效应不再明显．     

飞机客舱中人体辐射散热的实验与模拟

辐射散热是人体显热散热的重要途径,决定着人体的热舒适和飞机客舱内流场的分布,是分析和设计健康舒适客舱环境的重要因素.针对客舱中人员的辐射散热问题,在简化的半机舱模型中通过实验研究自然对流状态下单体坐姿仿真人体辐射散热;并选择CFD提供的DTRM、DO、S2S辐射模型进行数值预测.研究显示默认划分射线数量的DTRM模型可以精确预测人体各部位的辐射换热量,但创建射线文件比较消耗计算机资源,单核运算最大消耗25%的CPU进程,计算时间相对适中.DO模型的计算精度强烈依靠经度角和纬度角的划分,计算时间偏长,但不需要消耗瞬时大量的CPU进程.相比前两者,在计算时间和人体壁面网格数量(表面束的划分)方面,S2S辐射模型有较大的优势.结果表明CFD具有精确预测人体辐射散热的能力,可为以后室内环境研究者提供方法和参考.     

Monte Carlo方法在核辐射医学中的应用

在放射性治疗(外照射或内照射)疑难病症(如癌症)及重症病过程中,病体所受剂量及其分布是治疗过程中必须考虑的问题。当射线进入人体后各部分受到的剂量必须要进行理论计算。射线在人体内的反应机制是光子和电子偶合输运过程,非常复杂,一般数值方法难于求解。Monte Carlo方法是解决本类问题十分有效的方法。该文将Monte Carlo方法应用到核辐射医学中,叙述了两种体内剂量场分布的Monte Carlo计算方法:沉积能量法和通量转换法。为了提高计算效率,给出了几种实用的技巧。最后,介绍了一个应用实例。     

一种电子输运的矢量化Monte Carlo模拟方法

给出了一种采用SSE（Streaming SIMD Extensions)技术实现矢量化模拟电子在人体组织中输运的蒙特卡罗方法，并对一个计算放疗剂量分布的蒙卡特罗代码DPM进行了实施，将DPM模拟电子的方式由原来的一个个顺序模拟改为一次模拟4个电子，这4个电子进行同一个动作时，这部分程序可借助于SSE指令实现并行处理。计算结果显示，在不增加任何硬件成本的情况下，可以提高计算电子剂量分布的速度1．8倍左右。