粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法

摘要

本发明涉及辐射防护领域，提供一种粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法，通过利用实验动物数字模型以及粒子运输模拟计算获得器官剂量转换因子，然后测量空气比释动能即可进行器官辐射剂量评估；解决了器官剂量难以直接测量的难题，达到了提高器官剂量评估便捷性以及准确性的技术效果。

权利要求

1.一种粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法，其特征在于，方法包括：对实验动物的序列断层图像进行预处理后形成序列断层图像数据集，利用所述序列断层图像数据集建立实验动物数字模型；

通过所述实验动物数字模型各个器官的颜色值获取各个器官的体素数量Tn，并利用所述各个器官的体素数量Tn获得各个器官的质量Mn；利用粒子输运模拟软件计算获取所述实验动物数字模型在不同粒子能量E以及不同照射几何条件G下的各个器官的能量沉积值Dn（G，E）；其中，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；G∈(LL，RL，DV，VD，ISO)；

根据各个器官的能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）；

根据各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）和自由空气比释动能Ka计算粒子外照射情况下的各个器官的器官辐射剂量O（n G，E）；其中，所述自由空气比释动能Ka通过辐射测量仪器测量获得，O（n G，E）=Ka×F（n G，E）。

2.如权利要求1所述的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法，其特征在于，通过以下公式利用所述各个器官的体素数量Tn以及各个器官的器官密度数据ρn获得各个器官的质量Mn；

，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；

‑3

其中，单位为g；器官密度数据ρn，单位为g cm ; 所述序列断层图像的数量为k，所述序列断层图像之间的厚度为i，且i≤0.2 cm；所述序列断层图像大小为l×h像素，像素分辨率为j×j，且j×j≤0.1 cm×0.1 cm。

3.如权利要求2所述的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法，其特征在于，通过以下公式利用能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）；

‑10

F（n G，E）=1.602×10 ×D（n G，E）/Mn×A/KE；其中，D（n G，E）为粒子能量E以及照射几何条件G下的实验动物器官的能量沉积值，单位为MeV；Mn为各个器官的质量，单位为g；A为粒子

2 2

源的截面积，单位为cm ；KE为粒子能量为E时的单位注量自由空气比释动能，单位为pGycm ；

且，

当G∈(LL，RL，DV，VD)，粒子源为矩形平面源时，A=XY；其中，矩形长为X㎝，宽为Y㎝，且X >k×i，Y>l×j, Y>h×j；

2

当G∈(LL，RL，DV，VD)，粒子源为圆形平面源时，A=πr ；其中，圆形直径为r㎝，且r >k×i, r >l×j，r>h×j；

2

当G为ISO，粒子源为球面源，且照射方向为朝向球面内部时，A=πR ；其中，球形直径为R㎝，且 ,  ， 。

4.如权利要求1所述的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法，其特征在于，当粒子能量为E≤0.3 MeV时，辐射测量仪器为自由空气电离室；当粒子能量为E>0.3 MeV时，辐射测量仪器为石墨空腔电离室。

5.如权利要求3所述的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法，其特征在于，所述粒子能量为E时的单位注量自由空气比释动能KE通过以下公式获得：KE=160.22×µtr/ρ×E，其中，µtr/ρ为粒子在空气中的质量能量转移系数，E为粒子能量；

当粒子为具有能谱分布特点的非单能粒子时，粒子能量E通过以下公式获取： ， 为份额为 的粒子能量E。

6.如权利要求5所述的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法，其特征在于，当入射粒子能量大于1MeV时，对其产生的所有次级粒子进行输运模拟，次级粒子截止能量设置为1KeV；

当粒子能量小于1MeV时，对粒子产生的次级粒子不进行输运模拟，入射粒子的损失能量就地沉积在次级粒子产生处。

7.如权利要求6所述的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法，其特征在于，当粒子能量大于0.1 MeV时，且待评估器官为体积＜1cm³的微小器官或组织时，仍进行次级粒子输运模拟，且粒子截止能量为1KeV。

8.一种粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估装置，其特征在于，所述装置包括实验动物数字模型建立模块、体素数量获取模块、器官剂量转换因子获取模块以及器官辐射剂量获取模块；

所述实验动物数字模型建立模块，用于对实验动物的序列断层图像进行预处理后形成序列断层图像数据集，利用所述序列断层图像数据集建立实验动物数字模型；

所述体素数量获取模块，用于通过所述实验动物数字模型各个器官的颜色值获取各个器官的体素数量Tn，并利用所述各个器官的体素数量Tn获得各个器官的质量Mn；利用粒子输运模拟软件计算获取所述实验动物数字模型在不同粒子能量E以及不同照射几何条件G下的各个器官的能量沉积值D（n G，E）；其中，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；G∈(LL，RL，DV，VD，ISO)；

所述器官剂量转换因子获取模块，用于根据各个器官的能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）；

所述器官辐射剂量获取模块，用于根据各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）和自由空气比释动能Ka计算粒子外照射情况下的各个器官的器官辐射剂量O（n G，E）；其中，所述自由空气比释动能Ka通过辐射测量仪器测量获得，O（n G，E）=Ka×F（n G，E）。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至7中任一所述的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法中的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一所述的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法。

说明书

粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法

技术领域

[0001] 本发明涉及辐射防护技术领域，涉及一种粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质。

背景技术

[0002] 随着电离辐射生物效应的深入研究，研究人员发现全身平均剂量并不能满足生物效应评价的需要；而电离辐射生物效应与剂量的关系，是辐射防护即辐射损伤医学处理的
重要理论基础。因此，研究人员通常利用实验动物（小鼠、大鼠、猴子等）来研究粒子外照射
条件下的器官辐射剂量与生物效应的关系。但是，由于不能在各个器官内部直接放置辐射
探测器，因此，器官辐射剂量很难用实验方法直接测量。

[0003] 在现有技术中，通过制作一个组织等效体模（如三维水箱）来粗略代表实验动物，然后将组织等效电离室放置于体模内部不同位置，测量体模内部不同位置的辐射剂量，进
而估计器官辐射剂量。虽然，完成了对实验动物的器官辐射剂量的估算，但是，具有的弊端
如下：

[0004] 1）需要进行等效体模制作，费时费力，增加检测成本；

[0005] 2）现有的等效体模几何结构简单，仅为单一物质（水或等效塑料）组成的立方体或者圆柱体，体模内并无各个器官组织；因此，无法体现各个器官组织的解剖形状与位置，造
成测量结果无法准确反映器官辐射剂量的大小以及变化规律的问题；

[0006] 3）测量周期长，测量步骤繁琐，导致测量效率较低。

[0007] 因此，亟需一种测量效率高的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法。

发明内容

[0008] 本发明提供一种粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质，通过利用实验动物数字模型以及粒子运输模拟计算获得器官剂量转
换因子，进而仅需测量空气比释动能即可进行实验动物器官辐射剂量评估；具有省时省力、
测量效率高、评估精确度高的技术效果。

[0009] 为实现上述目的，本发明提供的一种粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法，方法包括：

[0010] 对实验动物的序列断层图像进行预处理后形成序列断层图像数据集，利用所述序列断层图像数据集建立实验动物数字模型；

[0011] 通过所述实验动物数字模型各个器官的颜色值获取各个器官的体素数量Tn，并利用所述各个器官的体素数量Tn获得各个器官的质量Mn；利用粒子输运模拟软件计算获取所
述实验动物数字模型在不同粒子能量E以及不同照射几何条件G下的各个器官的能量沉积
值D（n G，E）；其中，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；G∈(LL，RL，DV，VD，ISO)；

[0012] 根据各个器官的能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）；

[0013] 根据各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）和自由空气比释动能Ka计算粒子外照射情况下的各个器官的器官辐射剂量O（n G，E）；其中，所述自由空气比释动能Ka通过辐射测
量仪器测量获得，O（n G，E）=Ka×F（n G，E）。

[0014] 进一步，优选的，通过以下公式利用所述各个器官的体素数量Tn以及各个器官的器官密度数据ρn获得各个器官的质量Mn；

[0015] ，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；

[0016] 其中，单位为g；器官密度数据ρn，单位为g cm‑3; 所述序列断层图像的数量为k，所述序列断层图像之间的厚度为i，且i≤0.2 cm；所述序列断层图像大小为l×h像素，像素分
辨率为j×j，且j×j≤0.1 cm×0.1 cm。

[0017] 进一步，优选的，通过以下公式利用能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）；

[0018] F（n G，E）=1.602×10‑10×D（n G，E）/Mn×A/KE；其中，D（n G，E）为粒子能量E以及照射几何条件G下的实验动物器官的能量沉积值，单位为MeV；Mn为各个器官的质量，单位为g；A为
2
粒子源的截面积，单位为cm ；KE为粒子能量为E时的单位注量自由空气比释动能，单位为
2
pGycm；且，

[0019] 当G∈(LL，RL，DV，VD)，粒子源为矩形平面源时，A=XY；其中，矩形长为X㎝，宽为Y㎝，且X >k×i，Y>l×j，Y>h×j；

[0020] 当G∈(LL，RL，DV，VD)，粒子源为圆形平面源时，A=πr2；其中，圆形直径为r㎝，且r >k×i, r >l×j，r>h×j；

[0021] 当G为ISO，粒子源为球面源，且照射方向为朝向球面内部时，A=πR2；其中，球形直径为R㎝，且 ,  ， 。

[0022] 进一步，优选的，当粒子能量为E≤0.3 MeV时，辐射测量仪器为自由空气电离室；当粒子能量为E>0.3 MeV时，辐射测量仪器为石墨空腔电离室。

[0023] 进一步，优选的，所述粒子能量为E时的单位注量自由空气比释动能KE通过以下公式获得：

[0024] KE=160.22×µtr/ρ×E，其中，µtr/ρ为粒子在空气中的质量能量转移系数，E为粒子能量；

[0025] 当粒子为具有能谱分布特点的非单能粒子时，粒子能量E通过以下公式获取：， 为份额为 的粒子能量E。

[0026] 进一步，优选的，当入射粒子能量大于1MeV时，对其产生的所有次级粒子进行输运模拟，次级粒子截止能量为1KeV；

[0027] 当入射粒子能量小于1MeV时，对其产生的次级粒子不进行输运模拟，入射粒子损失能量就地沉积在次级粒子产生处。

[0028] 进一步，优选的，当粒子能量大于0.1MeV时，且待评估器官为体积＜1cm³的微小器官或组织时，仍进行次级粒子输运模拟，且粒子截止能量为1KeV。

[0029] 为了解决上述问题，本发明还提供一种粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估装置，所述装置包括实验动物数字模型建立模块、体素数量获取模块、器官剂量转换因子获取
模块以及器官辐射剂量获取模块；

[0030] 所述实验动物数字模型建立模块，用于对实验动物的序列断层图像进行预处理后形成序列断层图像数据集，利用所述序列断层图像数据集建立实验动物数字模型；

[0031] 所述体素数量获取模块，用于通过所述实验动物数字模型各个器官的颜色值获取各个器官的体素数量Tn，并利用所述各个器官的体素数量Tn获得各个器官的质量Mn；利用粒
子输运模拟软件计算获取所述实验动物数字模型在不同粒子能量E以及不同照射几何条件
G下的各个器官的能量沉积值D（n G，E）；其中，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；G∈(LL，RL，DV，
VD，ISO)；

[0032] 所述器官剂量转换因子获取模块，用于根据各个器官的能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）；

[0033] 所述器官辐射剂量获取模块，用于根据各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）和自由空气比释动能Ka计算粒子外照射情况下的各个器官的器官辐射剂量O（n G，E）；其中，所
述自由空气比释动能Ka通过辐射测量仪器测量获得，O（n G，E）=Ka×F（n G，E）。

[0034] 为了解决上述问题，本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括：

[0035] 存储器，存储至少一个指令；及

[0036] 处理器，执行所述存储器中存储的指令以实现上述所述的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法中的步骤。

[0037] 为了解决上述问题，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有至少一个指令，所述至少一个指令被电子设备中的处理器执行以实现上述
所述的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法。

[0038] 本发明节省了建立生物体等效组织体模以及复杂的测量的步骤，仅需利用实验动物数字模型以及粒子运输模拟计算获得器官剂量转换因子，然后测量空气比释动能即可进
行实验动物器官辐射剂量评估；解决了器官剂量难以直接测量的难题，达到了提高器官剂
量评估便捷性以及准确性的技术效果。

附图说明

[0039] 图1为本发明一实施例提供的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法的流程示意图；

[0040] 图2为本发明一实施例提供的序列断层图像的预处理原理示意图；

[0041] 图3为本发明一实施例提供的粒子外照射几何条件原理示意图；

[0042] 图4为本发明一实施例提供的粒子外照射几何条件又一原理示意图；

[0043] 图5为本发明一实施例提供的实现粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估装置的原理示意图；

[0044] 图6为本发明一实施例提供的实现粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法的电子设备的内部结构示意图；

[0045] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

[0046] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0047] 现有技术中利用实验方法测量三维水箱不同位置处的辐射剂量来代表不同的器官辐射剂量，利用三维水箱代表生物体的方法较为简单粗糙，其测量得到的数值并不能真
实反映实际的器官辐射剂量。

[0048] 参照图1所示，为本发明一实施例提供的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法的流程示意图。该方法可以由一个装置执行，该装置可以由软件和/或硬件实现。

[0049] 在本实施例中，粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法包括S1 S4：~

[0050] S1、对实验动物的序列断层图像进行预处理后形成序列断层图像数据集，利用所述序列断层图像数据集建立实验动物数字模型。

[0051] 需要说明的是，所述序列断层图像的数量为k，所述序列断层图像之间的厚度i，且i≤0.2 cm；所述序列断层图像的像素分辨率为j×j，且j×j≤0.1 cm×0.1 cm。

[0052] 首先要获得质量比较高的实验动物的序列断层图像；如CT图片、MRI或者彩色解剖图片；需要说明的是，原始断层图像数量为k, k的大小应能够包括实验动物全身，而不只是
身体一部分。然后，对实验动物的序列断层图像进行预处理，进而生成三维数字模型。数字
模型可以为体素模型等；以小鼠的体素模型为例，采用Matlab7.0和Photoshop8.0 图像处
理软件软件对小鼠断层序列彩色解剖图片（其中，原始断层图像数量为k ，k =418张）进行
了图像配准、识别与分割，然后利用Visual C++ 与可视化工具包(VTK)编程对小鼠进行三
维重建，建立了一个体素精度为0.2 mm×0.2 mm×0.2 mm、体素数量为9,424,000的小鼠体
素模型。

[0053] 参照图2所示，为本发明一实施例提供的序列断层图像的预处理原理示意图。

[0054] 对实验动物的序列断层图像进行预处理即裁剪掉每张原始断层图像周围无用（即不包含器官组织）的像素。在具体的实施过程中，预处理的步骤包括：

[0055] ①将原始序列断层图像定义为A图像，其图像大小为L×H像素，裁剪掉无用像素后的序列断层图像定义为B图像，图像大小为l×h像素；

[0056] ②B图像左边界距离A图像左边界为x像素，B图像右边界距离A图像右边界距离为y像素；B图像上边界距离A图像上边界距离为u像素，B图像下边界距离A图像下边界距离为k
像素；其中x+h+y=H，u+l+k=L；

[0057] ③顺序读取A图像中第N(i，j)像素颜色值，其中u

[0058] ④建立l×h二维矩阵，将步骤③中读取的像素颜色值顺序赋予l×h矩阵中每个元素，形成裁剪后的图像B；

[0059] ⑤从第一张原始序列断层图像开始，重复上述① ④步骤，完成所有原始序列断层~
图像的裁剪；裁剪掉无用像素后，则实验动物数字模型总的像素（或体素）数量为k×l×h，
3
每个像素（或体素）的体积大小为i×j×j cm。

[0060] 对实验动物的序列数据集进行器官组织的识别与分割；其中，需要识别的器官组织至少包括：皮肤、骨骼、脑、眼睛体、心脏、肺、肝、脾、胃、胰腺、大肠、小肠、性腺、膀胱、肌
肉。器官组织总数量用T表示。利用MATLAB软件对已经预处理过的原始序列断层图像进行自
动分割，采用阈值法分割，将尺寸大的器官阈值范围设定大，尺寸小的器官阈值范围设定
小，以防止像素点的错位。

[0061] 对于器官组织的识别与分割之后，需要将识别出的不同器官组织用不同的颜色进行填充，填充的颜色值为C（n a，b，c），其中n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；a， b， c分别代表
RGB色空间中的红色R、绿色G、蓝色B的整数分量值；且0≤a≤255，0≤b≤255，0≤c≤255。例
如，皮肤用颜色值C（1 20，30，76）填充，骨骼用颜色值C（2 230，2，45）填充。

[0062] 总之，利用实验动物的断层图像进行预处理后，形成实验动物的序列数据集，通过器官组织的识别与分割，三维重建等过程，建立能够真实反映实验动物体型及器官组织解
剖形状和位置的三维体素模型。

[0063] S2、通过所述实验动物数字模型各个器官的颜色值获取各个器官的体素数量Tn，并利用所述各个器官的体素数量Tn获得各个器官的质量Mn；利用粒子输运模拟软件计算获
取所述实验动物数字模型在不同粒子能量E以及不同照射几何条件G下的各个器官的能量
沉积值D（n G，E）。其中，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数； G∈(LL，RL，DV，VD，ISO)。

[0064] 具体地说，LL表示粒子外照射几何方式为左侧向、RL表示粒子外照射几何方式为右侧向、VD表示粒子外照射几何方式为腹背向、DV表示粒子外照射几何方式为背腹向、ISO
表示粒子外照射几何方式为各项同性。

[0065] 根据各个器官的颜色值获取各个器官的体素数量Tn；并通过所述各个器官的体素数量Tn以及各个器官的器官密度数据ρn获得各个器官的质量Mn；其中，
，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数，单位为g；器官密度数据ρn，单位为
‑3
g cm 。

[0066] 需要说明的是，计算每个器官的体素数量Tn，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数。根据各个器官的颜色值获取各个器官的体素数量Tn的方法为：从断层图像数据集第一张图像的
第1个像素开始，遍历实验动物数字模型所有k×l×h个像素的颜色值，如果颜色值属于某
个器官组织C（n a，b，c），则对该器官的体素数进行累加，直至得到每个器官的体素数量Tn。

[0067] 为实验动物数字模型赋予物理属性(即元素组成与密度值)，进而获得各个器官的质量。由于器官的密度是由化学元素组成和元素质量百分比决定的，进而影响到器官的质
量。所以元素组成与器官质量计算相关。更为重要的是，元素组成要尽量真实反映动物器官
的实际元素组成，才能在后续的器官辐射剂量计算时，获得准确的器官剂量值。因此，对于
不同的器官组织，赋予不同的元素组成和密度值。器官组织的元素组成用Yn{(e1，p1)，(e2，
p2)，(e3，p3)，… (ei，pi)}表示；其中，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；ei表示某个化学元素，
pi表示该化学元素的质量百分比，且p1+p2+p3…+pi=1。每个器官的密度为ρn，n∈(1，2，3…
‑3
T)，T为器官总数，单位为g cm 。

[0068] 例如，皮肤的物理属性为：Y1{(C，32%)，(H，45%)，(O，22%)，(N，1%)}，其密度值为ρ1=3
1.04 g cm‑。

[0069] 通过所述各个器官的体素数量Tn以及各个器官的器官密度数据ρn获得各个器官的质量Mn；各个器官组织的质量为 ，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；单
位为g。

[0070] 在具体的实施过程中，为了使实验动物器官剂量尽可能反映出人体器官剂量变化规律，实验动物数字模型的物理属性应与人体物理属性保持一致，因此所有器官组织的元
素组成及密度值取自国际辐射单位与测量委员会（ICRU）44及ICRU46号报告。

[0071] S3、根据各个器官的能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）。其中，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；G∈(LL，RL，DV，VD，ISO)。

[0072] 利用能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子‑10
F（n G，E）；其中，F（n G，E）=1.602×10 ×D（n G，E）/Mn×A/KE； D（n G，E）为粒子能量E以及照射
几何条件G下的实验动物器官的能量沉积值，单位为MeV；Mn为各个器官的质量,单位为g；A
2
为粒子源的截面积，单位为cm ；KE为粒子能量为E时的单位注量自由空气比释动能，单位为
2
pGy cm ；在具体的实施过程中，对于粒子源的截面积A，当光子源为矩形平面源时，A=XY；当
2 2
光子源为圆形平面源时，A=πr；当光子源为球面源时，A=πR。

[0073] 在具体的实施过程中，粒子输运模拟软件可以为蒙特卡罗程序。粒子外照射中的粒子可以为质子、电子、光子、中子和α粒子等。在本实施例中，粒子外照射为光子外照射。

[0074] 图3和图4为本发明一实施例提供的粒子外照射几何条件原理示意图，参照图3和图4所示，为了获得不同照射几何条件下各个器官辐射剂量，为实验小鼠设置不同照射几何
条件G，G∈(LL，RL，DV，VD，ISO)；其中，LL表示粒子外照射几何方式为左侧向、RL表示粒子外
照射几何方式为右侧向、VD表示粒子外照射几何方式为腹背向、DV表示粒子外照射几何方
式为背腹向、ISO表示粒子外照射几何方式为各项同性。

[0075] 在具体的实施过程中，当G∈(LL，RL，DV，VD)，粒子源为矩形平面源时，A=XY；其中，矩形长为X㎝，宽为Y㎝，且X >k×i，Y>l×j，Y>h×j；

[0076] 当G∈(LL，RL，DV，VD)，粒子源为圆形平面源时，A=πr2；其中，圆形直径为r㎝，且r >k×i， r >l×j，r>h×j；

[0077] 当G为ISO，粒子源为球面源，且照射方向为朝向球面内部时，A=πR2；其中，球形直径为R㎝，且 ,  ， 。

[0078] 当实际照射方式不能完全符合LL，RL，DV或VD时，利用ISO照射几何的器官剂量转换因子来计算器官剂量。

[0079] 为了获得不同光子能量照射情况下实验动物器官剂量的值，光子的能量E分别设置为：0.01、0.015、0.02、0.03、0.04、0.05、0.06、0.08、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、
0.8、1、2、4、6、8 、10MeV。

[0080] 在具体的实施过程中，当粒子能量为E≤0.3 MeV时，辐射测量仪器为自由空气电离室；当粒子能量为E>0.3 MeV时，辐射测量仪器为石墨空腔电离室。

[0081] 在一个具体的实施例中，当粒子为具有能谱分布特点的非单能粒子时，粒子能量E通过以下公式获取： ， 为份额为 的粒子能量E。也就是说，如果光子为
具有能谱分布特点的非单能光子时，需要先获得光子的平均能量作为粒子能量E。

[0082] 在一个具体的实施例中，在光子在实验动物体内输运模拟过程中，为了兼顾模拟计算效率和计算精度，光子在实验动物体内输运模拟方法设定如下：1）当光子能量<1MeV
时，对康普顿效应、光电效应产生的次级电子不进行输运模拟，入射光子损失的能量就地沉
积在效应发生处；2）如果电子对效应发生，将产生一对能量0.511MeV、飞行方向相反的湮灭
光子，原入射光子剩余的能量则就地沉积在发生电子对效应的位置处；3）若光子能量小于
4keV，则认为此光子输运历史结束，它所携带的能量沉积在当前位置。

[0083] 另外，当入射粒子能量大于1MeV时，对其产生的所有次级粒子进行输运模拟，次级粒子截止能量设置为1KeV。对于光子外照射的场景而言，当光子能量大于1MeV时，对其产生
的所有次级电子进行详细输运模拟，次级电子截止能量为1KeV。

[0084] 但是，在具体的实施过程中，为了在不影响计算结果精度的前提下，提高模拟计算效率，当粒子能量小于1MeV时，对其产生的次级粒子不进行输运模拟，入射粒子的损失能量
就地沉积在次级粒子产生处。作为本实施例的改进，当粒子能量大于0.1MeV时，且待评估器
官为体积＜1cm³的微小器官或组织时，仍进行次级粒子输运模拟，且粒子截止能量为1KeV。
另外，当待检测器官为皮肤时，皮肤器官虽然不属于微小器官，但是为了提高模拟效率，仍
然对光子产生的所有次级电子进行详细输运模拟，且电子截止能量为1KeV。

[0085] S4、根据各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）和自由空气比释动能Ka计算粒子外照射情况下的各个器官的器官辐射剂量O（n G，E）；其中，所述自由空气比释动能Ka通过辐射
测量仪器测量获得，O（n G，E）=Ka×F（n G，E）。

[0086] 进一步的，所述粒子能量为E时的单位注量自由空气比释动能KE通过以下公式获得：KE=160.22×µtr/ρ×E，其中，µtr/ρ为粒子在空气中的质量能量转移系数，E为粒子能量。
KE的计算值如表1所示：

[0087] 表1 单能光子每单位注量的空气比释动能KE

[0088]

[0089] 通过F（n G，E）计算公式，即可得到实验动物某个器官的器官剂量转换因子。如表2所示为不同能量光子外照射下情况下，不同照射几何的实验动物小鼠心脏的器官剂量转换
因子F（G，E）。

[0090] 表2小鼠心脏吸收剂量与自由空气比释动能之间的转换因子

[0091]

[0092] 通过辐射测量仪器测量获得自由空气比释动能Ka，并根据各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）和自由空气比释动能Ka计算粒子外照射情况下的器官辐射剂量O（n G，E）；其
中，O（n G，E）=Ka×F（n G，E）。

[0093] 本发明的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法与传统利用实验方法测量三维水箱不同位置处的辐射剂量来代表不同的器官剂量相比，在光子能量以1.25MeV前向
照射场景下，以三维水箱15cm 深处的剂量实测值代表心脏器官剂量；本发明所获得的心脏
辐射剂量与上述实测值相比，精度提高达到30%以上；表明与利用三维水箱代表生物体相
比，本发明达到了提升实验动物器官辐射剂量评估精度的技术效果。

[0094] 如图5所示，本发明提供一种粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估装置500，本发明可以安装于电子设备中。根据实现的功能，该粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估
装置500可以所述装置包括实验动物数字模型建立模块510、体素数量获取模块520、器官剂
量转换因子获取模块530以及器官辐射剂量获取模块540。本发明所述模块也可以称之为单
元，是指一种能够被电子设备处理器所执行，并且能够完成固定功能的一系列计算机程序
段，其存储在电子设备的存储器中。

[0095] 在本实施例中，关于各模块/单元的功能如下：

[0096] 所述实验动物数字模型建立模块510，用于对实验动物的序列断层图像进行预处理后形成序列断层图像数据集，利用所述序列断层图像数据集建立实验动物数字模型；

[0097] 所述体素数量获取模块520，用于通过所述实验动物数字模型各个器官的颜色值获取各个器官的体素数量Tn，并利用所述各个器官的体素数量Tn获得各个器官的质量Mn；利
用粒子输运模拟软件计算获取所述实验动物数字模型在不同粒子能量E以及不同照射几何
条件G下的各个器官的能量沉积值D（n G，E）；其中，n∈(1，2，3…T) ，T为器官总数；G∈(LL，
RL，DV，VD，ISO)；

[0098] 所述器官剂量转换因子获取模块530，用于根据各个器官的能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）；

[0099] 所述器官辐射剂量获取模块540，用于根据各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）和自由空气比释动能Ka计算粒子外照射情况下的各个器官的器官辐射剂量O（n G，E）；其中，
所述自由空气比释动能Ka通过辐射测量仪器测量获得，O（n G，E）=Ka×F（n G，E）。本发明的粒
子外照射实验动物器官辐射剂量评估装置500通过利用实验动物数字模型以及粒子运输模
拟计算获得器官剂量转换因子，然后测量空气比释动能即可进行实验动物器官辐射剂量评
估；解决了器官剂量难以直接测量的难题，达到了提高器官剂量评估便捷性以及准确性的
技术效果。

[0100] 如图6所示，本发明提供一种粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法的电子设备6。

[0101] 该电子设备6可以包括处理器60、存储器61和总线，还可以包括存储在存储器61中并可在所述处理器60上运行的计算机程序，如粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估程序
62。

[0102] 其中，所述存储器61至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、移动硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如：SD或DX存储器等）、磁性存储器、磁盘、光盘
等。所述存储器61在一些实施例中可以是电子设备6的内部存储单元，例如该电子设备6的
移动硬盘。所述存储器61在另一些实施例中也可以是电子设备6的外部存储设备，例如电子
设备6上配备的插接式移动硬盘、智能存储卡（Smart Media Card， SMC）、安全数字（Secure 
Digital， SD）卡、闪存卡（Flash Card）等。进一步地，所述存储器61还可以既包括电子设备
6的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器61不仅可以用于存储安装于电子设备6
的应用软件及各类数据，例如粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估程序的代码等，还可
以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

[0103] 所述处理器60在一些实施例中可以由集成电路组成，例如可以由单个封装的集成电路所组成，也可以是由多个相同功能或不同功能封装的集成电路所组成，包括一个或者
多个中央处理器（Central Processing unit，CPU）、微处理器、数字处理芯片、图形处理器
及各种控制芯片的组合等。所述处理器60是所述电子设备的控制核心（Control Unit），利
用各种接口和线路连接整个电子设备的各个部件，通过运行或执行存储在所述存储器61内
的程序或者模块（例如粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估程序等），以及调用存储在所
述存储器61内的数据，以执行电子设备6的各种功能和处理数据。

[0104] 所述总线可以是外设部件互连标准（peripheral component interconnect，简称PCI）总线或扩展工业标准结构（extended industry standard architecture，简称EISA）
总线等。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。所述总线被设置为实现所述存
储器61以及至少一个处理器60等之间的连接通信。

[0105] 图6仅示出了具有部件的电子设备，本领域技术人员可以理解的是，图6示出的结构并不构成对所述电子设备6的限定，可以包括比图示更少或者更多的部件，或者组合某些
部件，或者不同的部件布置。

[0106] 例如，尽管未示出，所述电子设备6还可以包括给各个部件供电的电源（比如电池），优选地，电源可以通过电源管理装置与所述至少一个处理器60逻辑相连，从而通过电
源管理装置实现充电管理、放电管理、以及功耗管理等功能。电源还可以包括一个或一个以
上的直流或交流电源、再充电装置、电源故障检测电路、电源转换器或者逆变器、电源状态
指示器等任意组件。所述电子设备6还可以包括多种传感器、蓝牙模块、Wi‑Fi模块等，在此
不再赘述。

[0107] 进一步地，所述电子设备6还可以包括网络接口，可选地，所述网络接口可以包括有线接口和/或无线接口（如WI‑FI接口、蓝牙接口等），通常用于在该电子设备6与其他电子
设备之间建立通信连接。

[0108] 可选地，该电子设备6还可以包括用户接口，用户接口可以是显示器（Display）、输入单元（比如键盘（Keyboard）），可选地，用户接口还可以是标准的有线接口、无线接口。可
选地，在一些实施例中，显示器可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及OLED
（Organic Light‑Emitting Diode，有机发光二极管）触摸器等。其中，显示器也可以适当的
称为显示屏或显示单元，用于显示在电子设备6中处理的信息以及用于显示可视化的用户
界面。

[0109] 应该了解，所述实施例仅为说明之用，在专利申请范围上并不受此结构的限制。

[0110] 所述电子设备6中的所述存储器61存储的粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估程序62是多个指令的组合，在所述处理器60中运行时，可以实现：

[0111] 对实验动物的序列断层图像进行预处理后形成序列断层图像数据集，利用所述序列断层图像数据集建立实验动物数字模型；

[0112] 通过所述实验动物数字模型各个器官的颜色值获取各个器官的体素数量Tn，并利用所述各个器官的体素数量Tn获得各个器官的质量Mn；利用粒子输运模拟软件获取所述实
验动物数字模型在不同粒子能量E以及不同照射几何条件G下的各个器官的能量沉积值Dn
（G，E）；其中，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；G∈(LL，RL，DV，VD，ISO)；

[0113] 根据各个器官的能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）；

[0114] 根据各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）和自由空气比释动能Ka计算粒子外照射情况下的各个器官的器官辐射剂量O（n G，E）；其中，所述自由空气比释动能Ka通过辐射测
量仪器测量获得，O（n G，E）=k×F（n G，E）。

[0115] 具体地，所述处理器60对上述指令的具体实现方法可参考图1对应实施例中相关步骤的描述，在此不赘述。需要强调的是，为进一步保证上述粒子外照射实验动物器官辐射
剂量评估程序的私密和安全性，上述数据库可用处理数据存储于本服务器集群所处区块链
的节点中。

[0116] 进一步地，所述电子设备6集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。所述计算机可读
介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬
盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read‑Only Memory）。

[0117] 本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质可以是非易失性的，也可以是易失性的，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时
实现：对实验动物的序列断层图像进行预处理后形成序列断层图像数据集，利用所述序列
断层图像数据集建立实验动物数字模型；

[0118] 通过所述实验动物数字模型各个器官的颜色值获取各个器官的体素数量Tn，并利用所述各个器官的体素数量Tn获得各个器官的质量Mn；利用粒子输运模拟软件获取所述实
验动物数字模型在不同粒子能量E以及不同照射几何条件G下的各个器官的能量沉积值Dn
（G，E）；其中，n∈(1，2，3…T)，T为器官总数；G∈(LL，RL，DV，VD，ISO)；

[0119] 根据各个器官的能量沉积值D（n G，E）和各个器官的质量Mn获得各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）；

[0120] 根据各个器官的器官剂量转换因子F（n G，E）和自由空气比释动能Ka计算粒子外照射情况下的各个器官的器官辐射剂量O（n G，E）；其中，所述自由空气比释动能Ka通过辐射测
量仪器测量获得，O（n G，E）=Ka×F（n G，E）。

[0121] 具体地，所述计算机程序被处理器执行时具体实现方法可参考实施例粒子外照射实验动物器官辐射剂量评估方法中相关步骤的描述，在此不赘述。

[0122] 在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的
划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式。

[0123] 所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个
网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目
的。

[0124] 另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单
元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能模块的形式实现。

[0125] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

[0126] 因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的
含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附关联图标记视为限
制所涉及的权利要求。

[0127] 本发明所指区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链(Blockchain)，本质上是一个去中心化的数据库，是一串使用
密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一批次网络交易的信息，用于验
证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。区块链可以包括区块链底层平台、平台产品
服务层以及应用服务层等。

[0128] 此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第二等词语用
来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

[0129] 最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的
技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。