人体MCNP重复结构辐射计算模型可视化方法
赵凯2，王文，范言昌，程梦云，龙鹏程1，胡丽琴1，吴宜灿，FDS团队
（1.中国料学院核能安全技术研突所，安徽合肥2300312.合肥师范学院公共计算机教学部，安款合肥230601）
摘要：人体体素模型包含体家数目巨大，在应用MCNP（MouteCarloN-ParticleTransport Code）进行剂的人体辑射计算模型可视化方法，该方法通过MCNP输人文件中的栅元措述获取相局材料的体素信 量计算中通常采用重复结构形式，但是却存在儿何正确性校验困难等问题，本文研究一种快速和准确息，对其赋予三维坐标值并深度合并，在保持几何形状不变的前提下，成功构建器官模型，实现了对其进行三维显示与交互.测试结果验证了该方法对于人体重复结构计算模型几何校验的正确性与高 效性.
关键词：体素：模型：MCNP：重复结构：可视化
中国分类号：TL371 文章标志码：A文章编号：0258-0918（2013)04-0438-05
Visualizationof theHumanRadiation Computation PhantomDescribed by MCNPRepeatedStructure
ZHAO Kai²-" WANG Wen' FAN Yan-chang' CHENG Meng-yun²* LONG Peng-cheng HU Li-qin' WU Yi-can? FDS Team
(1. Institute of Nucleer Eneng Safety Technology Chinse Acaemy of Seienees Helei Anhui 2at31 China2. Iastitute of Publie Computer Hefei Normal University Hefei Anhui 230601 China)
Abstraet; The human voxel phantoms which have a large number of voxels often usedrepeated structure in MCNP (Monte Carlo N-Partiele Transport Code) for its geometrydeseription. However it could bring difficulty in the human geometry verification. Afaster and more aceurate method is put forward in this paper for the visualization. The material voxels are got through the cell numbers in the input file. Then every voxel ofcertain material is sssigned with a three-dirmensional position so as to be deeply merged.Finally the organ models are construeted without the shape changed which could becasily interacted in three-dimensional display. As a result the experiment shows itscorrectness and high-performance for verifying the geometry of the human putational
Key words: voxel;phantom; MCNP;repeated structure; visualization phantom described by repeated structure
剂量，模型精度的高低直接影响其剂量计算的元被定义为人体的最大包围盒并由Universe 结合来评估人体器官在一定条件下的辐射吸收准确程度.人体影像数据，如计算机断层扫描（CT）、核磁共振成像（MRI）、人体彩色切片，因为包含细微的人体器官信息而被广泛应用于构建人体计算模型0-.这些影像数据因为包含 巨量的不同体素，常常使用几何重复单元来描述，其描述栅元简单，易于实现，这种人体重复结构形式的描述方法在MCNP（MonteCarloN-Particle Transport Code）蒙卡程序中应用广述手写麻烦、易错，几何信息不能直观显示.另 泛.但是用户在使用过程中会遇到输人文件描一方面，MCNP对几何描述要求严格，包括器官在内的儿何信息都必须准确描述面且不允许几何之间存在干涉、交叉.同时在输人文 件的可视化方面，MCNP自带的Plot程序功能简单，执行效率较低，因此，输人文件的正确性无法及时检查，影响用户的使用效率.
本文针对人体计算模型的MCNP重复结构输人文件，提出一种基于体素合并的模型显 示方法，实验测试及对结果的分析验证了该方法可以较快速度实现对全身几何模型的显示，有效应用到MCNP针对人体体素模型的几何正确性校验、科学可视化等研究领域-5
1方法与实现
1.1材料体素矩阵提取
MCNP重复结构技术最主要目的是能够在多次出现的任意几何结构中只描述一次册元 和曲面，重复结构技术扩展了MCNP栅元的概念，用户可以指定栅元被一种叫Universe的填充.Universe是一个网格或一批栅元几何，集合中的任意概元，对应人体计算模型-来 单独的一个Universe只被描述一次，拷贝填充说，指定一个包围人体器官的大正方体作为第一个翻元，应用一个具有无限多重复体素体素指定其特定的Universe号，对输人文件 的网格卡（LAT）进行填充，并且对每一位置的
在本文采用的MCNP输人文件中，1号糖号为1的2号概元填充.若2号栅元Lat网格卡定文形式为：
1-y：0-7:01m：0=77f1=1]
式中；w，，h--体素的宽、长、高；a被填 充的Universe号矩阵.
Ia虽然记录了不同几何位置的Universe号，但是并不代表被可视化的材料.因此在栅元的描述中，应把与之相应的 Universe号找到，并把该Universe号所在栅元的材料号作为因子替换掉Ia1中的Universe号.
若某一Universe卡中栅元N的描述为：
式中：N为概元号，M为Universe号为U（u=U）的栅元对应的材料号，p为密度.
定义β为材料号组成的体索矩阵，其值可以经过替换后得到，即材料体素矩阵
1.2材料体素的位置矩阵描述
经过上述变换后，B中记录了分辨率为w×IXh的材料的儿何分布情况.体素数据量巨大，很难直接对其进行三维显示，并且即使施显示成功，其效果与交互能力也会大大降低.为了简化材料体素的描述，这里假设每个体素 具有3个方向的位置坐标，并且相邻的体素可以根据坐标关系进行合并.
因此，材料矩阵β需根据体素的位置进行位置变换.变换后这种材料的位置矩阵| 在高度为h处的坐标矩阵可以描述为如下形式：
(1)
(2)
β|=Replace(|αll M）1-u（3)
(4)
然具有可以继续合并的可能.因为体素矩阵量较大，不能简单地搜索遍历.本文在研究上对生成的位置矩阵构建了索引映射向量：，按照不同方向合并要求，对位置矩阵重新排序.
1.3材料体素的深度合并
假设某种材料第：个体索的位置为（x，y，z.），定义单位体素为一长方体，该长方体起点和终点为其一条对角线上两个点（x，y，z:）和（xy，z）此单位体素可以记作u=v （x，y(y，），其中xx1，ya“yn1，=z1.
I，则y中体素的排序索引为y 若排序后生成对应方向的体素序列矩阵为r，且
同时定义长方体u和v之间的合并规则：
(9)
u （xyxy）（5)
其中，规定：为排序因子，其点乘代表：的每一元素需要和Y中的元素做点乘运算.y>x>z表示排序要求为y方向合并，即合并优先权y>r>z.>r>y情形类似，为z方获取另外两个坐标方向上的位置矩阵. 向优先合并.按照排序后索引位置的颜序即可
为了实现合并后的体素数目最少，需要在位置矩阵中三个方向遍历并对相邻的体素进行合并.定义三个方向合并时体素垒标的应该满足的约束条件如下：
若满足r坐标方向合并条件，则
(6)
若满足y坐标方向合并条件，则
2应用实例与分析
(7)
若干大小不等的长方体，进而构成了不同材料 每一种材料信息在上述合并中均被表示为的几何体，按照不同的材料加以着色区别便可以实现不同材料的可视化效果，本文利用面（Shells）构造实体技术以及合并后面的去功能 显示材料的实体.
若满足x坐标方向合并条件，则
(8)
x=x，y=yz 1=x体素合并就是从中读取指定材料体素的位置坐标，按照某一坐标方向的约束条件执行体素合并.某一坐标方向上体素合并的算 法可以描述如图1所示，
FDS团队自主研发的多物理精合分析自动建模软件MCAM，实现了CAD模型、TRIPOLI、Geant4、FLUKA等辐射输运计算 CT等影像数据到SuperMC、MCNP、PHITS、模型的自动转换，支持辐射防护和医学物理等领城的研究与应用分析工作.基于MCAM6.0平台可以很容易实现MCNP重复结构输人文件的可视化.本文算法实现与测试均在 一台IntelCoreT双核i5-2400、主频率为3.10 GHz 的处理器，NVIDIA GeForce GT420显存为1G的显卡，8G的内存，64位Win7操作系统的PC上进行.
2.1Rad-HUMAN计算模型可视化
基于中国可视人数据集，FDS团队成功构建了一例高精度的中国成年女性辐射虚拟人模型Rad-HUMAN.该数据集来源于一具捐献辨率为3872×2048，大约288亿个体素.由 中国女性遗体，包含3636张彩色切片数据，分解剖专业人员根据解剖知识，精确分割出46种
图1某一坐标方向上材料体素的合并算法Fig. 1 Material voxel mergencealgorithm along coordinates
上述合并方法给出了位置矩阵在某一坐标方向的合并策略.但是在另外两个坐标方向仍
器官和组织.基于MCAM6.0平台分别生 成上述切片数据不同体素大小的MCNP输人文件.
官视为不同的材料进行体素合并与可视化，并 对处理及显示时间等参数进行了统计，具体测试结果如表1所示，图2为Rad-HUMAN的原始彩色切片和MCNP模型横断面、冠状面和矢状面对比图
因为数据量巨大，重须解决其快速和准确的可视化难题，高效的验证输人文件的几何正确性.本文采用上述体素合并方法，把不同器
表1不同体素大小输入文件的合并参数
Table 1 Mergence parameters mong different voxel size
体素分辨率 体素大小/mm 合并前总数 合井后总数 减少百分比 时间/min164 79 539 3X3x3 6983 284 086EZ5 95.36% 5.02123 59 405 4X4X4 161919 94.49% 3.9899 82 48 324 6X6X6 SX9xS 1539 648 885600 94236 93.87% 93.12% 2.63 1.5270 40 34 231 270 7X7X7 549780 60 925 43 999 92.00% 1.3662 30 202 8X8×8 375720 30632 91.85% 0.8555 26 180 9X9X9 257 400 23 691 90.80% 0.7349 24 162 10X10×10 190512 17925 90.59% 0.63
图2Rad-HUMAN的原始彩色切片和MCNP模型横断面、冠状面和矢状面对比图Fig. 2Comparison of the transverse， sagittal and coronal plane
因为采样的处理限制了生成的MCNP模型的精度，使得可合并的体素数目也随着减少（表1）.但是在应用领域允许范围内，合并
可以达到器官表示个数减少90%以上，平均花费时间约2分钟.在可视化效果方面，本文按照采样后体素大小为3mm×3mm×3mm，
生成MCNP模型，并选取了横断面、冠状面和料模型，需要经过布尔运算才可以得到材料外矢状面进行了对比.对于MCNP模型三个方围面的真实拓扑结构，基于目前个人计算机性向的切面依次为其在Z、Y、X坐标方向的切能，输入文件可视化的实时性会有所降低.但面.面Rad-HUMAN的原始切片数据只含有是，这种体素合并方法可以达到材料表面体素2所示，MCNP模型切面轮可以较好地吻合 横断面，故面需重构其冠状面和矢状面，如图原始彩色切片数据，并且内部器官可以完整地显示.如图3所示，为MCNP模型依次去除空可以看出MCNP模型具有较好的器官分离效 气、皮肤及其他组织、肌肉、骨骼后的器官模型，果，人体器官的显示清晰、正确、完整.
的最大合并，使得某一种材料几何体可以由最 少的长方体来构成，其表示面的个数不会多于真实外围拓扑结构形式的材料模型.在辐射防护领域，该方法有助于快速准确的检查人体模型各器官的位置和几何结构：相关器官的有效分离有助于计算模型属性的个性化重编辑，其 研究结果具有重要的应用前景.
另一方面，这种由长方体形式来描述的材
图3Rad-HUMAN的MCNP器官模型Fig.3Rad-HUMAN MCNP organ models
2.2CT病例计算模型可视化
CT数据广泛应用于医学物理领域帮助病人诊断疾病.但是其软组织人工识别较为困素进行了大量合并，使得生成的模型易于分离和检查，并且该可视化方法在MCAM6.0平台下具有较好的显示速度及交互性能.在放射治
测试例题来源于一例周围型肺癌病人的CT片，共110张，体素原始大小为0.85mm×难，不易展现人体器官或组织详细信息.本文0.85mm×3mm，分辨率为512×512.基于采用体素合并方法对输人文件中不同材料的体 MCAM6.0平台，生成采样后体素大小为2mm×2mm×3mm的重复结构计算模型.应用本文的研究方法，输入文件可视化用时约3分钟.下图MCNP模型ZY、X坐标方向切面对比效果（图CT的计算模型相关材料信息，有效地评估人 为原始的CT切片、重构的冠状面和矢状面与疗等应用中，本方法可以准确及时地校验基于4）.从中可以看出采样后模型的精确性稍微降体器官适时辐射吸收剂量，具有广泛的应用低，但是构建的MCNP模型相对于CT的二维灰价值.度图像可以较为准确地展现相关的材料信息.
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