尚雷明 李 廷 何 桃 龍鵬程 胡麗琴 吳宜燦 FDS團隊

（中國科學院核能安全技術研究所 合肥 230031）

基于并行技術的人體外照射實時精確劑量評估方法

尚雷明 李 廷 何 桃 龍鵬程 胡麗琴 吳宜燦 FDS團隊

（中國科學院核能安全技術研究所 合肥 230031）

為了精確評估核輻射環(huán)境下人體及器官受照劑量，FDS團隊基于中國高精度輻射虛擬人模型Rad-HUMAN發(fā)展了體素級人體外照射劑量評估方法。但由于計算量巨大，現有計算流程和計算方法難以滿足虛擬仿真對劑量評估實時性的要求。為了解決這一問題，本文借助OpenMP和MPI并行計算技術，發(fā)展了基于并行計算的體素級人體外照射劑量評估方法，實現了百萬量級體素外照射劑量實時計算。以加速器驅動鉛鉍冷卻反應堆堆頂包容小室內維修作業(yè)人體受照劑量評估為例的測試結果表明，該方法滿足了體素級劑量實時評估計算的需求，對考慮到器官劑量限制的人體外照射劑量實時精確評估有重要意義。

體素模型，實時劑量評估，精確劑量評估，并行計算，Rad-HUMAN

在核設施的運行階段，需要定期或不定期地對部件進行維修，在核設施退役之后，還需要對反應堆進行退役處理。活化部件產生的輻射，會對現場工作人員的身體健康造成極大威脅。根據 ALARA（As low as reasonably achievable，合理可行盡可能低）原則[1]，在人員進入輻射區(qū)域工作之前需要對人員的受照劑量進行預評估。為了精確評估輻射環(huán)境下人體及器官受照劑量情況，中國科學院核能安全研究所 FDS團隊提出了基于體素模型的外照射劑量精確評估方法，即利用中國高精度輻射虛擬人模型Rad-HUMAN[2-6]，分別計算組成每個器官的所有體素的吸收劑量，從而轉換為器官及人體受照劑量，以得到更加精確的評估結果[7-8]，并將該方法應用到核設施維修劑量評估中。但是，由于Rad-HUMAN模型體素數量巨大（約288億個），加之輻射場網格數量眾多（百萬量級），在計算單個時刻點人體受照劑量時十分耗時，難以滿足虛擬仿真過程中對人體受照劑量進行實時評估的需求。

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，多核系統(tǒng)和高性能計算標準的出現，使得相互不受執(zhí)行結果影響的串行代碼有了并行的可能。其中，OpenMP(Open multiple processing)被認為是共享內存并行計算的理想方法，而MPI(Message passing interface)則是分布式內存并行計算的主流編程模型。目前，這兩種并行模型已被廣泛應用到各類高性能計算應用中[9]。

本文在基于體素模型的人體輻射劑量精確評估方法的基礎上，對計算流程進行重新梳理，并利用OpenMP + MPI混合并行模型實現了普通PC計算環(huán)境下體素級人體及器官受照劑量的實時評估，滿足了虛擬輻射環(huán)境下人員漫游仿真器官及人體受照劑量精確實時評估的需求。該方法初步應用到加速器驅動鉛鉍冷卻反應堆堆頂包容小室內靶窗更換維修過程中人體受照劑量預評估中，得到了良好的實驗結果。

1 基于體素的人體劑量評估方法

本文采用的計算模型是 FDS團隊基于第三軍醫(yī)大學采集的“第二例中國數字化可視化人體數據集(Chinese visible human, CVH2)”，通過分割高分辨率人體全身彩色切片，利用三維重建技術構建而成的中國高精度輻射虛擬人模型Rad-HUMAN。該模型體素大小0.15 mm × 0.15 mm × 0.5 mm，體素數目～288億個，共分割人體器官或組織46個[10]，覆蓋了ICRP60號出版物中規(guī)定的30個輻射敏感的器官或組織[11]。為了滿足器官或組織劑量評估要求，本文采用 FDS團隊自主研發(fā)的多物理耦合分析自動建模軟件MCAM[12-18]，采用全身體素填充及重復結構描述方式，生成適合劑量計算的Rad-HUMAN計算模型，模型體素大小為3 mm × 3 mm × 3 mm，共計8,680,056個體素。在進行器官及人體受照劑量計算時，采用國際輻射防護委員會ICRP 74號報告建議的通量-劑量轉化方法實現人體劑量計算，即計算出自由空間的通量，通過 ICRP建議的通量-劑量轉換因子直接估算器官及人體受照劑量。計算公式如式1所示。

其中，DT為組織T的吸收劑量，DT,j為該器官體素j的吸收劑量，fluxj為體素j處的通量，CF為通量劑量轉換因子，m為該器官包含的體素數目[19]。這里所使用的通量值，采用了較為精確的蒙特卡洛數值模擬計算程序計算得到的停堆光子通量場數據。

在對人體器官受照劑量進行計算時，首先讀取各待計算器官的所有體素編號，再查詢該器官所有體素的通量值。具體計算流程如圖1所示。

2 人體劑量評估并行優(yōu)化

隨著科學計算需求的不斷提高，并行計算成為解決海量數據計算的重要手段。按照內存結構不同，并行計算可分為共享內存結構并行和分布內存結構并行兩大類。OpenMP被認為是共享內存結構并行計算的典型代表，MPI并行計算則是分布內存結構并行的代表[9]。本文利用上述OpenMP和MPI并行計算方法，在較少的時間開銷下解決大體量的計算。但是，只有當問題可以并行求解，相互之間沒有依賴關系時，并行計算才能實現。所以，需要對以上算法流程進行分析，提取出可并行的部分。本文從兩個方面對以上劑量計算流程進行優(yōu)化：(1)單器官或組織劑量并行優(yōu)化；(2)多器官或組織整體劑量并行優(yōu)化。

2.1 單器官或組織劑量并行優(yōu)化

根據圖1的計算流程可知，在對單個器官或組織進行劑量計算時，時間開銷最大的任務是獲取組成每個器官或組織的體素所處位置的通量值。通過MCAM轉換描述的Rad-HUMAN計算模型，記錄了每個體素在人體坐標系中的坐標。為了獲取各體素的通量值，需要將各體素的坐標換算為對應的輻射場坐標系（稱之為世界坐標系），再根據該體素的世界坐標系對應到由蒙特卡洛數值模擬計算程序計算得到的輻射場相應坐標范圍，從而讀取該坐標范圍內的通量值?？紤]到組成單個器官或組織的體素數量龐大，采用MPI集群并行處理會耗費大量的通信開銷，所以我們選用單機多核并行計算OpenMP來實現單個器官或組織的劑量并行計算，利用j個核的計算機進行并行計算的流程如圖2所示。

2.2 多器官或組織整體劑量并行優(yōu)化

以上是對單個器官或組織多個體素劑量計算的并行優(yōu)化，本節(jié)將對多個器官或組織的劑量計算進行并行優(yōu)化。在對整個人體進行劑量評估時，需要對46個器官或組織的當量劑量進行計算。而且，人體各器官或組織當量劑量的計算相互之間不產生依賴，直接并行計算完成后，匯總各器官的當量劑量即可?？紤]到單臺普通PC進行大規(guī)模計算時計算能力不足，且時間開銷比較大，我們引入MPI集群并行計算的方式，對多個器官或組織進行并行計算。即將各器官的劑量計算按器官依次分配到集群計算機上，集群上的每臺計算機則按 2.1中描述的OpenMP多核并行方式并行計算單個器官的劑量。在集群并行計算時，根據集群計算機計算處理的速度，動態(tài)調整各計算單元的任務分配。集群并行計算流程如圖3所示。

圖2 基于OpenMP的單器官或組織劑量并行計算Fig.2 Dose computing process of single organ or tissue based on OpenMP

圖3 多器官或組織劑量并行計算流程Fig.3 Dose computing process of multi organ or tissue based on MPI

根據以上計算得到的器官吸收劑量，利用ICRP103號報告中發(fā)布的人體器官輻射劑量權重加權得到人體有效劑量[19]，如公式2所示。

其中，i表示器官數量，wT表示組織權重因子，HT,i表示第i個器官當量劑量。

3 測試與討論

3.1 例題描述

為了驗證以上計算方法的正確性以及對實時性進行測試，本文選用了加速器驅動鉛鉍冷卻反應堆堆頂包容小室內散裂靶更換維修場景作為測試例題。

散裂靶是連接加速器和次臨界堆的關鍵部件。散裂靶接受高能質子轟擊，發(fā)生散裂反應產生中子，為次臨界堆提供中子源。本例題選擇液態(tài)鉛鉍有窗靶作為散裂靶件，散裂靶采用 T91鋼為靶窗材料。有窗靶件為現有液態(tài)靶件的主要設計形式。質子束與液態(tài)鉛鉍回路通過靶窗相互隔開，質子束穿透靶窗入射到液態(tài)鉛鉍中，轟擊鉛鉍原子核，產生中子。由于受到高能強流質子轟擊和強中子輻照，同時它上面沉積的大量核熱也需要冷卻，因而靶窗的壽命一般較短。靶窗設計更換周期為一年。在靶的更換過程中，除了遙操設備外，還需要必要的人工干預活動。在人工參與過程中的受照劑量必須在設計規(guī)定的劑量限制以下，同時必須保證維修工人受照劑量滿足ALARA原則。根據維修方案，工人必須進入堆頂包容小室內，完成散裂靶更換前小室內遙操設備滑軌、臨時屏蔽等基礎設施的搭建以及散裂靶更換完成之后相關設施的拆除工作。利用FDS團隊自主研發(fā)的核與輻射安全仿真系統(tǒng)RVIS[20-21]，我們搭建了散裂靶更換維修虛擬場景。

該案例將通過RVIS仿真工作人員在進入堆頂包容小室內按照設計的路線和工序完成遙操設備的基礎設施搭建，以及靶更換完成后，堆頂包容小室內劑量降低到人員允許進入水平以后基礎設施拆除工作。在工人工作過程中，需要實時評估工人有效劑量是否滿足規(guī)定的限制，同時考慮敏感器官的受照劑量。

為了評估人體及器官的輻射劑量，本例題采用大型集成中子學計算分析系統(tǒng) VisualBUS[22-23]計算得到光子通量場計算結果。

3.2 性能分析

該例題的實現采用普通PC作為硬件實驗平臺，配置為：操作系統(tǒng)Windows 7 64位，處理器Intel i5雙核四線程2.4 GHz，內存2 GB。為了驗證該方法的計算結果的正確性及實時性，本文首先選擇堆頂包容小室內靠近換熱器（坐標：1000 cm, 1000 cm, 4000 cm）的單個時刻點進行單機單線程、單機多線程和集群并行計算，其中，單機多核采用OpenMP模型進行計算，集群并行采用的計算機配置與單機多核并行的計算機配置一致。結果如表1所示。

表1 單時刻點計算結果及時間Tab. 1 Dose results and elapsed time of signal time

從表1中可以看出，采用單機多核與集群并行計算所得到的有效劑量和部分敏感器官當量劑量率結果一致，驗證了并行計算結果的正確性。

利用單機單核對單個時刻點人體受照劑量進行計算時，時間開銷為9.13 s，是實時仿真難以接受的計算時間；采用OpenMP實現的單機4核并行計算時間為2.57 s，同樣不能滿足實時的要求。在采用MPI和OpenMP混合的集群并行計算中，隨著集群計算機數量的增加，計算時間明顯下降，當集群計算機達到5個節(jié)點20核時，計算時間為0.66 s，滿足了實時計算的要求。

從表1的加速比來看，單機4核較之單機單核的加速比為3.56，并未達到理論上的4倍，這是因為多核之間的通信開銷會耗費計算時間；而2個節(jié)點4核的集群并行加速比為1.47；從圖4中可以看出，隨著節(jié)點和核數的增加，并行效率趨緩，其原因隨著節(jié)點的增多，節(jié)點之間的通信開銷越大，從而導致并行效率降低。

圖4 并行效率變化趨勢Fig.4 Tendency of parallel computing efficiency

4 結論

本文在 FDS團隊基于中國高精度輻射虛擬人模型Rad-HUMAN發(fā)展的基于體素的人體外照射劑量評估方法的基礎上，利用多核并行算法OpenMP和集群并行算法MPI，實現了單機多核、集群并行等算法，并對并行計算的劑量計算結果和時間開銷進行了比較分析。實驗證明，利用集群并行算法計算得到的人體受照劑量與不采用并行計算劑量結果一致。同時，當節(jié)點數量達到5個時，滿足了維修仿真對劑量計算實時性的要求。該算法目前已集成到FDS團隊發(fā)展的核與輻射安全仿真系統(tǒng)RVIS中，并初步應用于加速器驅動鉛鉍冷卻反應堆靶更換維修方案評估工作。

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Dose assessment method for real-time external radiation based on parallel technology

SHANG Leiming LI Ting HE Tao LONG Pengcheng HU Liqin WU Yican FDS Team
(Institute of Nuclear Energy Safety Technology, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Based on the accurately whole-body computational phantom of Chinese adult (Rad-HUMAN), an accuracy external radiation dose assessment method was developed for the purpose of radiation protection. Due to the large amount of calculation, the existing computing method of the method mentioned above cannot meet the real-time requirement of virtual simulation. Based on parallel technology, a voxel model-based parallel external radiation dose assessment method has been developed. The method has been used in the dose assessment of accelerator driven lead-bismuth cooled reactor target’s replace. The results showed that the proposed method could real-timely assess accurate radiation dose based on voxel model.

Voxel model, Real-time dose assessment, Parallel computing, Rad-HUMAN

TL75+2.2, TL72

10.11889/j.1000-3436.2014.rrj.32.040502

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA03040000)、國家自然科學基金(91026004)、國家ITER 973計劃2014GB1120001和安徽省高校自然科學基金資助項目(KJ2013B248)資助

尚雷明，1980年1月，2005年6月于安徽理工大學獲碩士學位，現為中國科學院合肥物質科學研究院在讀博士研究生

胡麗琴，博士，副教授，E-mail：liqin.hu@fds.org.cn

初稿2014-04-21；修回2014-05-12

CLCTL7+2.2, TL72