基于并行技術(shù)的人體外照射實(shí)時(shí)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(tuán)隊(duì)

（中國科學(xué)院核能安全技術(shù)研究所 合肥 230031）

基于并行技術(shù)的人體外照射實(shí)時(shí)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(tuán)隊(duì)

（中國科學(xué)院核能安全技術(shù)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，F(xiàn)DS團(tuán)隊(duì)基于中國高精度輻射虛擬人模型Rad-HUMAN發(fā)展了體素級(jí)人體外照射劑量評估方法。但由于計(jì)算量巨大，現(xiàn)有計(jì)算流程和計(jì)算方法難以滿足虛擬仿真對劑量評估實(shí)時(shí)性的要求。為了解決這一問題，本文借助OpenMP和MPI并行計(jì)算技術(shù)，發(fā)展了基于并行計(jì)算的體素級(jí)人體外照射劑量評估方法，實(shí)現(xiàn)了百萬量級(jí)體素外照射劑量實(shí)時(shí)計(jì)算。以加速器驅(qū)動(dòng)鉛鉍冷卻反應(yīng)堆堆頂包容小室內(nèi)維修作業(yè)人體受照劑量評估為例的測試結(jié)果表明，該方法滿足了體素級(jí)劑量實(shí)時(shí)評估計(jì)算的需求，對考慮到器官劑量限制的人體外照射劑量實(shí)時(shí)精確評估有重要意義。

體素模型，實(shí)時(shí)劑量評估，精確劑量評估，并行計(jì)算，Rad-HUMAN

在核設(shè)施的運(yùn)行階段，需要定期或不定期地對部件進(jìn)行維修，在核設(shè)施退役之后，還需要對反應(yīng)堆進(jìn)行退役處理?；罨考a(chǎn)生的輻射，會(huì)對現(xiàn)場工作人員的身體健康造成極大威脅。根據(jù) ALARA（As low as reasonably achievable，合理可行盡可能低）原則[1]，在人員進(jìn)入輻射區(qū)域工作之前需要對人員的受照劑量進(jìn)行預(yù)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(xué)院核能安全研究所 FDS團(tuán)隊(duì)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(jì)算組成每個(gè)器官的所有體素的吸收劑量，從而轉(zhuǎn)換為器官及人體受照劑量，以得到更加精確的評估結(jié)果[7-8]，并將該方法應(yīng)用到核設(shè)施維修劑量評估中。但是，由于Rad-HUMAN模型體素?cái)?shù)量巨大（約288億個(gè)），加之輻射場網(wǎng)格數(shù)量眾多（百萬量級(jí)），在計(jì)算單個(gè)時(shí)刻點(diǎn)人體受照劑量時(shí)十分耗時(shí)，難以滿足虛擬仿真過程中對人體受照劑量進(jìn)行實(shí)時(shí)評估的需求。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，多核系統(tǒng)和高性能計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，使得相互不受執(zhí)行結(jié)果影響的串行代碼有了并行的可能。其中，OpenMP(Open multiple processing)被認(rèn)為是共享內(nèi)存并行計(jì)算的理想方法，而MPI(Message passing interface)則是分布式內(nèi)存并行計(jì)算的主流編程模型。目前，這兩種并行模型已被廣泛應(yīng)用到各類高性能計(jì)算應(yīng)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(chǔ)上，對計(jì)算流程進(jìn)行重新梳理，并利用OpenMP + MPI混合并行模型實(shí)現(xiàn)了普通PC計(jì)算環(huán)境下體素級(jí)人體及器官受照劑量的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)評估的需求。該方法初步應(yīng)用到加速器驅(qū)動(dòng)鉛鉍冷卻反應(yīng)堆堆頂包容小室內(nèi)靶窗更換維修過程中人體受照劑量預(yù)評估中，得到了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 基于體素的人體劑量評估方法

本文采用的計(jì)算模型是 FDS團(tuán)隊(duì)基于第三軍醫(yī)大學(xué)采集的“第二例中國數(shù)字化可視化人體數(shù)據(jù)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(shù)構(gòu)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?cái)?shù)目～288億個(gè)，共分割人體器官或組織46個(gè)[10]，覆蓋了ICRP60號(hào)出版物中規(guī)定的30個(gè)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(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的多物理耦合分析自動(dòng)建模軟件MCAM[12-18]，采用全身體素填充及重復(fù)結(jié)構(gòu)描述方式，生成適合劑量計(jì)算的Rad-HUMAN計(jì)算模型，模型體素大小為3 mm × 3 mm × 3 mm，共計(jì)8,680,056個(gè)體素。在進(jìn)行器官及人體受照劑量計(jì)算時(shí)，采用國際輻射防護(hù)委員會(huì)ICRP 74號(hào)報(bào)告建議的通量-劑量轉(zhuǎn)化方法實(shí)現(xiàn)人體劑量計(jì)算，即計(jì)算出自由空間的通量，通過 ICRP建議的通量-劑量轉(zhuǎn)換因子直接估算器官及人體受照劑量。計(jì)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(zhuǎn)換因子，m為該器官包含的體素?cái)?shù)目[19]。這里所使用的通量值，采用了較為精確的蒙特卡洛數(shù)值模擬計(jì)算程序計(jì)算得到的停堆光子通量場數(shù)據(jù)。

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

2 人體劑量評估并行優(yōu)化

隨著科學(xué)計(jì)算需求的不斷提高，并行計(jì)算成為解決海量數(shù)據(jù)計(jì)算的重要手段。按照內(nèi)存結(jié)構(gòu)不同，并行計(jì)算可分為共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)并行和分布內(nèi)存結(jié)構(gòu)并行兩大類。OpenMP被認(rèn)為是共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)并行計(jì)算的典型代表，MPI并行計(jì)算則是分布內(nèi)存結(jié)構(gòu)并行的代表[9]。本文利用上述OpenMP和MPI并行計(jì)算方法，在較少的時(shí)間開銷下解決大體量的計(jì)算。但是，只有當(dāng)問題可以并行求解，相互之間沒有依賴關(guān)系時(shí)，并行計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)。所以，需要對以上算法流程進(jìn)行分析，提取出可并行的部分。本文從兩個(gè)方面對以上劑量計(jì)算流程進(jìn)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(jù)圖1的計(jì)算流程可知，在對單個(gè)器官或組織進(jìn)行劑量計(jì)算時(shí)，時(shí)間開銷最大的任務(wù)是獲取組成每個(gè)器官或組織的體素所處位置的通量值。通過MCAM轉(zhuǎn)換描述的Rad-HUMAN計(jì)算模型，記錄了每個(gè)體素在人體坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。為了獲取各體素的通量值，需要將各體素的坐標(biāo)換算為對應(yīng)的輻射場坐標(biāo)系（稱之為世界坐標(biāo)系），再根據(jù)該體素的世界坐標(biāo)系對應(yīng)到由蒙特卡洛數(shù)值模擬計(jì)算程序計(jì)算得到的輻射場相應(yīng)坐標(biāo)范圍，從而讀取該坐標(biāo)范圍內(nèi)的通量值。考慮到組成單個(gè)器官或組織的體素?cái)?shù)量龐大，采用MPI集群并行處理會(huì)耗費(fèi)大量的通信開銷，所以我們選用單機(jī)多核并行計(jì)算OpenMP來實(shí)現(xiàn)單個(gè)器官或組織的劑量并行計(jì)算，利用j個(gè)核的計(jì)算機(jī)進(jìn)行并行計(jì)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(gè)器官或組織多個(gè)體素劑量計(jì)算的并行優(yōu)化，本節(jié)將對多個(gè)器官或組織的劑量計(jì)算進(jìn)行并行優(yōu)化。在對整個(gè)人體進(jìn)行劑量評估時(shí)，需要對46個(gè)器官或組織的當(dāng)量劑量進(jìn)行計(jì)算。而且，人體各器官或組織當(dāng)量劑量的計(jì)算相互之間不產(chǎn)生依賴，直接并行計(jì)算完成后，匯總各器官的當(dāng)量劑量即可?？紤]到單臺(tái)普通PC進(jìn)行大規(guī)模計(jì)算時(shí)計(jì)算能力不足，且時(shí)間開銷比較大，我們引入MPI集群并行計(jì)算的方式，對多個(gè)器官或組織進(jìn)行并行計(jì)算。即將各器官的劑量計(jì)算按器官依次分配到集群計(jì)算機(jī)上，集群上的每臺(tái)計(jì)算機(jī)則按 2.1中描述的OpenMP多核并行方式并行計(jì)算單個(gè)器官的劑量。在集群并行計(jì)算時(shí)，根據(jù)集群計(jì)算機(jī)計(jì)算處理的速度，動(dòng)態(tài)調(diào)整各計(jì)算單元的任務(wù)分配。集群并行計(jì)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(jì)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(jì)算流程Fig.3 Dose computing process of multi organ or tissue based on MPI

根據(jù)以上計(jì)算得到的器官吸收劑量，利用ICRP103號(hào)報(bào)告中發(fā)布的人體器官輻射劑量權(quán)重加權(quán)得到人體有效劑量[19]，如公式2所示。

其中，i表示器官數(shù)量，wT表示組織權(quán)重因子，HT,i表示第i個(gè)器官當(dāng)量劑量。

3 測試與討論

3.1 例題描述

為了驗(yàn)證以上計(jì)算方法的正確性以及對實(shí)時(shí)性進(jìn)行測試，本文選用了加速器驅(qū)動(dòng)鉛鉍冷卻反應(yīng)堆堆頂包容小室內(nèi)散裂靶更換維修場景作為測試?yán)}。

散裂靶是連接加速器和次臨界堆的關(guān)鍵部件。散裂靶接受高能質(zhì)子轟擊，發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)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(xiàn)有液態(tài)靶件的主要設(shè)計(jì)形式。質(zhì)子束與液態(tài)鉛鉍回路通過靶窗相互隔開，質(zhì)子束穿透靶窗入射到液態(tài)鉛鉍中，轟擊鉛鉍原子核，產(chǎn)生中子。由于受到高能強(qiáng)流質(zhì)子轟擊和強(qiáng)中子輻照，同時(shí)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(shè)計(jì)更換周期為一年。在靶的更換過程中，除了遙操設(shè)備外，還需要必要的人工干預(yù)活動(dòng)。在人工參與過程中的受照劑量必須在設(shè)計(jì)規(guī)定的劑量限制以下，同時(shí)必須保證維修工人受照劑量滿足ALARA原則。根據(jù)維修方案，工人必須進(jìn)入堆頂包容小室內(nèi)，完成散裂靶更換前小室內(nèi)遙操設(shè)備滑軌、臨時(shí)屏蔽等基礎(chǔ)設(shè)施的搭建以及散裂靶更換完成之后相關(guān)設(shè)施的拆除工作。利用FDS團(tuán)隊(duì)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(jìn)入堆頂包容小室內(nèi)按照設(shè)計(jì)的路線和工序完成遙操設(shè)備的基礎(chǔ)設(shè)施搭建，以及靶更換完成后，堆頂包容小室內(nèi)劑量降低到人員允許進(jìn)入水平以后基礎(chǔ)設(shè)施拆除工作。在工人工作過程中，需要實(shí)時(shí)評估工人有效劑量是否滿足規(guī)定的限制，同時(shí)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(xué)計(jì)算分析系統(tǒng) VisualBUS[22-23]計(jì)算得到光子通量場計(jì)算結(jié)果。

3.2 性能分析

該例題的實(shí)現(xiàn)采用普通PC作為硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(nèi)存2 GB。為了驗(yàn)證該方法的計(jì)算結(jié)果的正確性及實(shí)時(shí)性，本文首先選擇堆頂包容小室內(nèi)靠近換熱器（坐標(biāo)：1000 cm, 1000 cm, 4000 cm）的單個(gè)時(shí)刻點(diǎn)進(jìn)行單機(jī)單線程、單機(jī)多線程和集群并行計(jì)算，其中，單機(jī)多核采用OpenMP模型進(jìn)行計(jì)算，集群并行采用的計(jì)算機(jī)配置與單機(jī)多核并行的計(jì)算機(jī)配置一致。結(jié)果如表1所示。

表1 單時(shí)刻點(diǎn)計(jì)算結(jié)果及時(shí)間Tab. 1 Dose results and elapsed time of signal time

從表1中可以看出，采用單機(jī)多核與集群并行計(jì)算所得到的有效劑量和部分敏感器官當(dāng)量劑量率結(jié)果一致，驗(yàn)證了并行計(jì)算結(jié)果的正確性。

利用單機(jī)單核對單個(gè)時(shí)刻點(diǎn)人體受照劑量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，時(shí)間開銷為9.13 s，是實(shí)時(shí)仿真難以接受的計(jì)算時(shí)間；采用OpenMP實(shí)現(xiàn)的單機(jī)4核并行計(jì)算時(shí)間為2.57 s，同樣不能滿足實(shí)時(shí)的要求。在采用MPI和OpenMP混合的集群并行計(jì)算中，隨著集群計(jì)算機(jī)數(shù)量的增加，計(jì)算時(shí)間明顯下降，當(dāng)集群計(jì)算機(jī)達(dá)到5個(gè)節(jié)點(diǎn)20核時(shí)，計(jì)算時(shí)間為0.66 s，滿足了實(shí)時(shí)計(jì)算的要求。

從表1的加速比來看，單機(jī)4核較之單機(jī)單核的加速比為3.56，并未達(dá)到理論上的4倍，這是因?yàn)槎嗪酥g的通信開銷會(huì)耗費(fèi)計(jì)算時(shí)間；而2個(gè)節(jié)點(diǎn)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(diǎn)和核數(shù)的增加，并行效率趨緩，其原因隨著節(jié)點(diǎn)的增多，節(jié)點(diǎn)之間的通信開銷越大，從而導(dǎo)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(jié)論

本文在 FDS團(tuán)隊(duì)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(chǔ)上，利用多核并行算法OpenMP和集群并行算法MPI，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)多核、集群并行等算法，并對并行計(jì)算的劑量計(jì)算結(jié)果和時(shí)間開銷進(jìn)行了比較分析。實(shí)驗(yàn)證明，利用集群并行算法計(jì)算得到的人體受照劑量與不采用并行計(jì)算劑量結(jié)果一致。同時(shí)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量達(dá)到5個(gè)時(shí)，滿足了維修仿真對劑量計(jì)算實(shí)時(shí)性的要求。該算法目前已集成到FDS團(tuán)隊(duì)發(fā)展的核與輻射安全仿真系統(tǒng)RVIS中，并初步應(yīng)用于加速器驅(qū)動(dòng)鉛鉍冷卻反應(yīng)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(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA03040000)、國家自然科學(xué)基金(91026004)、國家ITER 973計(jì)劃2014GB1120001和安徽省高校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(KJ2013B248)資助

尚雷明，1980年1月，2005年6月于安徽理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)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