一种辐射防护中基于GPU加速的体素人体模型剂量评估加速方法

摘要

本发明公开了一种辐射防护中基于GPU加速的体素人体模型剂量评估加速方法，与常规方法不同之处在于：结合CPU复杂逻辑和事物等串行计算，使用图形处理器(Graphic Processor Unit,GPU)处理剂量计算中体素当量剂量，该过程存在数据量大、数据相关性低、数据有相同的执行程序，并行度和计算密度高等特点。因而通过GPU，可以让更多的计算单元并行执行，缩短计算时间，提高计算效率，实现体素人体模型剂量实时计算效果。

主权项

一种辐射防护中基于GPU加速的体素人体模型剂量评估加速方法，其特征在于：使用了CPU与GPU联合进行剂量计算，对于一些具有并行条件的处理过程使用GPU进行加速处理，而复杂逻辑和事务处理串行计算仍然采用CPU；实现步骤包括：(1)在CPU平台上形成体素人体模型参数；体素人体模型参数包括体素序列、器官名和ID与U号对应关系和体素精度；(2)选定用于确定体素剂量的GPU，为GPU分配存储空间，向GPU传送步骤(1)中的体素人体模型参数的计算数据，需要传送的数据包括体素序列、器官名和ID与U号对应关系和体素精度；(3)利用GPU并行计算体素人体模型每个体素的剂量，对于器官离散化的体素，让体素标识与线程标识一一对应，体素剂量位置的通量与通量剂量转换因子的乘积；剂量累加过程中将体素标识与线程标识一一对应，查找器官体素对应的剂量，将器官每个体素的剂量进行累加再平均；体素模型的剂量计算精确性在于，体素人体模型的人体器官是体素化的，由大量的小长方体体素组成，每个体素包含器官代号和材料组成；剂量评估是在此模型基础上，分别计算每个体素的吸收剂量，利用GPU并行计算每个体素的剂量，最后将所有体素剂量平均即为器官吸收剂量，由下式表示：${\bar{D}}_T=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{D}_{T,j}---\left(1\right)$其中，为组织T吸收剂量，D_T,j为该器官体素j的吸收剂量，N为该器官包含的体素数目；体素人体模型的体素通量的获取是通过计算体素的中心坐标，再从辐射场网格中查找出最近邻的网格，该网格的通量表示为该体素的通量；器官的吸收剂量是组成每个体素位置的通量的均值，与该器官在通量下的转换因子乘积的结果；器官吸收剂量计算就转化为获取该器官每个体素的通量上来；体素模型的体素是按照一定的规律排列的，体素填充顺序为先X轴，再Y轴，最后Z轴，按照体素的填充顺序对所有体素依次编号来遍历，每个体素对应一个器官U号，表示其为组成该器官的体素；为了利用GPU的并行数据处理功能，加快计算速度，对体素模型每个体素分配一个线程进行计算，计算体素剂量时，首先获取体素位置，根据位置查询通量，在利用通量剂量转换因子，得到体素剂量：D_T,j＝φ_j(x,y,z)*CF    (2)其中，φ_j(x,y,z)为体素j处(x,y,z)的通量，CF为通量剂量转换因子；剂量累加过程中将体素标识与线程标识一一对应，对在同一个器官的体素，并行转换出体素剂量，然后对器官所有体素剂量进行累加，其中，D_T,和为组织T剂量和值。