不同迭代重建算法在眼眶CT中的适用性研究

目的:探讨不同迭代重建算法在眼眶CT中的应用价值。方法:回顾性收集2024年1月至2024年3月首都医科大学附属北京同仁医院行眼眶CT检查的31例患者,分别使用混合迭代重建算法(iDose4)和全模型迭代重建算法(IMR)技术对图像进行标准算法和骨算法重建,对比分析不同重建算法图像的平均CT值、噪声(SD)、信噪比(SNR)、对比度噪声比(CNR)以及图像质量主观评分;采用随机区组方差分析比较不同算法重建图像间的客观指标差异;采用多个相关样本的秩和检验比较不同算法重建图像的主观评分差异。结果:不同标准算法重建图像的CT值、噪声、SNR、CNR差异均有统计学意义,与iDose4相比,IMR标准算法重建图像噪声降幅达25%~67%,SNR增加1.3~1.5倍,CNR增加2~3倍;与iDose4相比,IMR骨算法重建图像噪声降幅达70%~96%,SNR增加5~15倍,CNR增加4~31倍;不同骨算法及标准算法的图像质量评分差异均有统计学意义,标准算法IMR1-Brain Routine组评分最高5(4,5),骨算法iDose43 YD组评分最高5(5,5);两名观察者评分的一致性较强,加权Kappa系数0.644~1。结论:眼眶CT中推荐使用混合迭代重建技术iDose4 Level 3重建骨算法图像,使用全模型迭代重建技术IMR Level1重建标准算法图像。

螺旋金属燃料多物理耦合分析方法与概念设计研究

螺旋金属燃料具有导热系数高、导热路径短、强制旋流交混的特点,可实现更高的堆芯功率密度,进而减小堆芯体积,提高反应堆的安全性和经济性。本文介绍了上海交通大学反应堆热工水力实验室建立的螺旋金属燃料热工水力、中子物理、力学特性分析方法及多物理耦合分析框架。在热工水力方面,基于自研仪器实现了交混及沸腾临界行为精细化测量,建立了三维及精细化子通道分析方法;在中子物理方面,建立了适用于特殊能谱、复杂几何的截面及稳瞬态中子物理特性的分析方法;在力学方面,基于分子动力学方法建立了U-Zr合金燃料基础热物性模型,并开展了辐照条件下螺旋棒宏观力学特性研究。基于热工-物理-力学多物理分析和优化,提出了螺旋金属燃料组件及堆芯设计,具有无硼化、堆芯功率密度高、体积小、换料周期长的特点。

三维可变形圆化多面体离散单元法

为真实模拟岩体的变形特性与运动形态,将圆化多面体离散元法与有限单元法结合,提出一种三维可变形圆化多面体离散单元法。该方法既能真实表征块体的不规则特征,又降低了接触判断的难度,同时能准确反映块体的变形特性。在求解切向接触力时,将接触判断对象从接触对简化为单元整体,显著提高了计算效率。为分析块体变形特性,在块体离散单元内部划分有限元网格,将最外层有限元网格作为最小接触单元。采用直接平均法,将接触力转化为等效节点力,并采用非线性有限单元法实现对单元变形特性的精确模拟,克服了圆化多面体无法反映单元变形的缺陷。通过5个算例论证了新方法在捕捉单元变形、运动形态以及其力学特征等方面的准确性和高效性。

散射波模拟方法及影响因素分析

在复杂地质条件下,特别是小断层和裂缝发育的情况下,通常无法利用反射波进行准确探测。将小构造引起的散射波用于地震勘探,有利于提高小尺度离散地质体勘查资料的信噪比和分辨率。本文从理论模拟方法出发,分别推导用于描述散射波传播的时距曲线方程和基于Born近似的波动方程;利用快速步进法对程函方法的求解,通过设计相应的模拟测试,对散射波描述的精度与影响因素进行分析。测试结果表明,传统的时距曲线方程可以给出准确的散射波满足的时距关系,但结合程函方程对其进行成像时并不准确;而基于Born近似的波动方程可以实现对散射波的准确模拟。此外,Born近似中引入的散射体和散射势的假设对最终的模拟结果影响并不大;在保证正演稳定的前提下,子波主频越高,对散射波的描述越准确。

基于半精度浮点数优化与OpenMP的地震数值模拟

研究地震波场的传播特征是地震勘探的基础,利用有限差分法求解波动方程进行地震正演,其优势在于占用内存低、计算速度快、易于实现。但在三维情况下,计算量和数据量会急剧增加,传统串行地震数值模拟将无法满足计算效率的需求。因此,本文提出一种基于半精度浮点数优化与OpenMP的三维波动方程地震数值模拟方法,该方法首先利用半精度浮点数对地震常用的浮点型数据进行优化;其次利用应用程序接口OpenMP在多核CPU下通过以分割波场计算区域的方式实现并行计算;在保证计算结果满足精度需求的同时,能有效提高三维地震数值模拟的计算效率,并减少近一半的内存需求。通过数值试验证明该方法的有效性和实用性。

基于改进PSO和CHNN的无人机路径鲁棒性优化

当前无人机路径规划通过机器学习和深度学习以及进化算法和智能算法的融合运用来实现。针对无人机在不同城市之间的路径鲁棒性优化的问题,现有的单一神经网络模型在一定程度上达不到最优解,并且会出现局部寻优的情况,导致优化效果达不到最大化。研究了一种运用改进粒子群算法结合连续性Hopfield神经网络模型的寻优迭代,通过改进粒子群算法中的惯性权重,控制粒子运动速度,在所有粒子进行更新的过程中,每个单独粒子均有独立的搜索和寻优能力。结果表明IPSO CHNN神经网络模型可以有效避免局部最优解,并且相较于传统的HNN对无人机路径鲁棒性的优化效果更好。

复合材料层压板冲击后压缩全过程仿真分析

针对复合材料层压板低速冲击数值模拟中将冲击和压缩过程割裂计算的问题,建立了将冲击和压缩两个过程统为一体的数值模拟方法。分别采用显式分析和隐式分析模拟冲击和压缩过程,将层压板冲击后的损伤数据、应力应变数据、位移数据等作为下一步的初始输入进行压缩模拟,并采用三维Hashin失效判据来判断复合材料的初始破坏,并对破坏后的复合材料进行刚度折减,来模拟损伤演化。采用试验标准建立有限元模型对所建立的数值模拟方法进行验证,计算结果与试验对比表明:失效模式一致,剩余强度相对误差满足工程要求。

基于空间网格划分的地杂波建模新方法

雷达型空空导弹具有全天候、全空域作战能力,具有较强的低空下视能力。在导弹下视攻击时,地面多普勒杂波会影响导引头对真实目标的检测。针对高重频脉冲多普勒雷达导引头,提出了一种基于空间网格划分建立地杂波模型的新方法,以天线波束指向为中心,围绕天线主瓣在三维空间划分网格,之后计算投影到地面的网格面积,根据雷达方程建立回波信号模型。通过理论推导,给出了影响地杂波强度的主要因素,包括导弹距地面高度、导引头波束擦地角和地面反射率等。最后通过建立数字仿真模型验证了方法的正确性。该方法可以在保证杂波形态一样的同时减少仿真时间。

门式抗浮框架作用下上方开挖既有盾构隧道响应解析解

上方开挖卸载导致既有盾构隧道结构产生上浮,易引发结构渗漏水、开裂等病害。竖井开挖联合门式框架技术是限制上方开挖引起既有隧道上浮的一种有效控制措施,但是目前仍缺少相应的理论方法用于指导门式抗浮框架的设计。为此,提出了既有隧道结构响应的解析解,可以实现竖井和基坑开挖阶段既有隧道结构纵向和横截面变形计算,并给出了相关的计算流程。通过与工程实例和三维数值模拟结果进行对比,验证了解析解的可靠性。通过典型算例计算和参数敏感性分析讨论了门式抗浮框架的作用机理以及既有隧道埋深和竖井开挖尺寸等因素的影响规律。结果表明:门式抗浮框架在基坑开挖阶段可以有效控制上方开挖引起的既有隧道变形,控制效果与既有隧道上方剩余覆土厚度密切相关,剩余覆土越小控制效果越明显;门式抗浮框架的作用效果主要取决于抗浮板与土体之间的作用力,抗拔桩与土体的作用力对既有隧道变形影响较小。

基于遗传算法的大型矩形压力容器刚强度优化设计

为了解决矩形压力容器承压能力较差、应力状态较复杂、结构优化设计难度高的难题,利用遗传算法可自适应调整搜索方向这一特性,开展了某矩形特征水洞试验段的刚强度优化设计。厘清了该工程问题的约束条件,开展了结构初步设计,采用手动迭代开展了结构优化设计;并在完成参数化建模与仿真、构建代理模型、建立优化设计流程的基础上,基于遗传算法开展了该水洞试验段的结构优化设计。该方法与初步设计结果相比,减重34.98%;与手动迭代优化设计结果相比,减重10.49%。

基于冲压CAE仿真技术的顶盖降本工艺研究

以某车型顶盖冲压工艺开发为例,按照传统冲压工艺设计无法满足小冲压线生产,通过对传统冲压工艺创新设计,并利用AutoForm数值模拟软件对新工艺进行分析论证,优化CAE分析的参数,使冲压CAE分析结果满足指标要求,最终使需要在大冲压线生产的零件实现在小冲压线生产,达到降本增效及绿色冲压生产的目的。

椎体强化术后恢复高度对邻近椎体的影响:一项有限元分析

背景:椎体压缩骨折是当前骨科领域中常见的疾病,椎体强化术后邻近椎体发生再骨折是一个不可忽视的问题,这对患者的正常生活产生了严重的影响。目的:旨在利用CT图像,建立不同恢复高度的椎体强化后模型。采用有限元分析的方法得出不同恢复高度下邻近椎体的应力情况,并进一步探讨椎体强化术后伤椎高度恢复的重要性。方法:建立并验证了胸腰椎(T_(11)-L3)有限元模型,并在此基础上构建了4种不同恢复高度(100%,80%,60%,40%)的L1术后有限元模型,其中骨水泥容量随着恢复高度的变化而变化。具体模型如下:Model 1为正常恢复高度的术后模型,骨水泥容量为8.3 mL;Model 2为L1前部高度切除20%,后凸角变为10.41°的术后模型,骨水泥容量为6.9 mL;Model 3为L1前部高度切除40%,后凸角变为20.17°的术后模型,骨水泥容量为4.7 mL;Model 4为L1前部高度切除60%,后凸角变为28.85°的术后模型,骨水泥容量为3.6 mL。对术后模型进行评估时,施加了7Nm的力矩和500N的轴向力,记录并分析L2上终板和T12下终板的峰值应力,以及L2和T12松质骨的峰值应力。结果与结论:①L2上终板、T12下终板、L2松质骨、T12松质骨各工况的最高峰值应力都出现在Model 1和Model 4,特别是T12下终板(除后伸工况外),前屈、左右侧弯和左右旋转工况都在Model 4达到了最高峰值应力,应力分别为50.3,33.1,44.9,34.3,31.9 MPa;②根据邻近椎体终板和松质骨的峰值应力,排除Model 1和Model 4两个模型后,大部分工况的最小峰值应力都是出现在Model 2模型上,且Model 2模型出现最小峰值应力的情况占据了66.6%,尤其是在L2的上终板和松质骨(除后伸工况外),最小峰值应力都是出现在了Mode 2上;③因此将恢复高度控制在原高度的100%和40%左右是比较危险的恢复高度,对邻近椎体的影响较大;将恢复高度控制在原高度的80%左右可能是一个较为理想的选择;恢复高度在原高度的80%左右,邻近椎体所承受的应力较小,从而减小了患者发生邻近椎体再骨折的风险。

带变系数时间分数阶扩散方程一个新的非协调高阶逼近格式高精度分析新模式

基于时间高阶L2-1_(σ)格式和空间EQ_(1)^(rot)非协调有限元方法,对带有变系数的一类时间分数阶扩散方程进行了高效数值分析.首先,证明全离散逼近格式的解在能量模意义下的无条件稳定性.然后,利用该元的特殊性质,并将插值算子和投影算子相结合,导出了采用传统估计无法导出的超逼近结果.此外,利用插值后处理技术,呈现了整体超收敛估计.最后,借助数值实验,验证了理论分析的正确性.

聚苯胺改性Ti_(3)C_(2)(OH)_(2)抗氧化性的第一性原理计算研究

Ti_(3)C_(2)(OH)_(2)的抗氧化性和结构稳定性不佳极大地限制了其实际应用推广。本工作通过第一性原理计算方法,对比研究了Ti_(3)C_(2)(OH)_(2)、聚苯胺(PANI)和PANI/Ti_(3)C_(2)(OH)_(2)复合材料的表面氧吸附行为。计算结果表明,Ti_(3)C_(2)基体上-OH官能团改变了活性吸附位点,并一定程度上改善了Ti_(3)C_(2)基体的抗氧化性和结构稳定性。Ti_(3)C_(2)(OH)_(2)与PANI复合后,表面PANI的氧吸附活性较高,而Ti_(3)C_(2)(OH)_(2)的氧吸附能大幅度降低。经Bader电荷计算发现,复合后从PANI端到Ti_(3)C_(2)(OH)_(2)发生了电子转移,从而保护了后者。因此,PANI改性Ti_(3)C_(2)(OH)_(2)复合材料可以通过牺牲表面PANI来保护Ti_(3)C_(2)(OH)_(2)基体,进而提高其结构稳定性和抗氧化性能。本工作对于提高MXene体系抗氧化性能、结构和电化学稳定性具有一定的理论指导意义。

Zakharov-Rubenchik方程组的格子Boltzmann方法

Zakharov-Rubenchik方程组常用于描述非线性介质中高、低频波间相互作用的波耦合现象。本文针对该方程组的数值求解问题,构建了一种格子Boltzmann方法的D1Q3演化模型,并利用Chapman-Enskog展开和多尺度分析技术,推导出了各个方向的平衡态分布函数和修正函数的具体表达式,从而将所建的演化模型准确恢复到宏观方程组。最后,通过数值算例证明了该方法的有效性。

4DCT成像与重建方法综述

本文概述过去20多年四维CT(4DCT)相关成像技术的发展,对4DCT的概念、扫描模式以及重建算法做了比较详细的介绍。文章归纳总结4DCT的5大类重建算法,评估各类算法的优势、劣势和关键技术问题,并对主要文献中的重建方法进行统计分析,拟展示目前4DCT重建算法的研究方向和未来的发展趋势。

基于PnI的全数字PET成像软件

传统正电子发射断层成像(PET)系统采用模拟电路对信号进行处理,通过符合电路实现符合事件甄别,软件算法多集中于处理投影数据和图像数据,损失了生成图像前的大量信息,算法可扩展性相对较差。全数字PET系统利用精确采样和全数字处理带来硬件极简化和软件极大化的设计理念,将更多操作交由软件算法完成,具有过程数据完整、算法丰富且替换优化方便的特点。把探测器和算法当作“积木”,即插即成像(PnI)平台构建成像协议层、成像算法层和成像设备层,实现了成像过程定义、成像算法扩展和多种设备定义,从而支持动物、临床和各种应用专用型全数字PET系统的搭建。而且,全数字PET配合PnI平台可以将信息挖掘的入口从图像层面提前到闪烁脉冲数据层面,支持更多算法的灵活接入。基于以上背景,本文综述PnI即插即成像软件的研究进展,具体说明全数字PET系统结构、成像过程、软件架构以及应用案例,旨在提高科学家搭建数字PET科研仪器的灵活性,为开发快速高效搭建不同PET系统与软件算法提供参考。

埃尔米特梁单元的分块对角与高阶质量矩阵

埃尔米特梁单元常用的集中质量矩阵,是由挠度自由度对应的一致质量矩阵元素通过行求和或节点积分构造.然而,数值结果表明该集中质量矩阵在求解包含自由端的梁振动问题时,会出现频率精度掉阶现象.本文首先从保障质量矩阵最优收敛性的数值积分精度出发,分别针对三次和五次梁单元,发展了质量矩阵的梯度增强节点积分方案.利用梯度增强节点积分方案,可以得到具有分块对角形式的单元质量矩阵,而其组装的整体质量矩阵除边界节点外仍然呈现对角形式.对于两种单元,其分块对角质量矩阵分别具有4阶最优精度和6阶次优精度.再者,将标准一致质量矩阵和具有同阶精度的梯度增强节点积分质量矩阵进行优化组合,建立了具有超收敛特性的高阶质量矩阵.最后,通过数值算例系统验证了三次和五次单元的分块对角与高阶质量矩阵的频率计算精度.

基于风险地图的城市物流无人机路径规划研究

近年来物流无人机技术迅猛发展,但城市低空空域的复杂性、电磁环境的干扰以及城市内居民的生命财产安全都对物流无人机在城市的推广提出挑战。在此背景下,研究评估无人机运行综合风险并生成的风险地图,以无人机运输安全性、经济性和路径平滑程度为目标规划无人机全局路径,并增加对无人机航线保护区结构的约束。在原始NSGA III算法的基础上对航路点选择机制、交叉和变异操作进行改进,使算法更适应路径规划的需求。实验证明,模型能有效地避开禁飞区,确保路径的多样性、经济性和安全性,为物流运输经营者和低空空域监管方提供高质量、多样化的备选路径,满足不同决策者需求,为无人机城市物流活动的安全高效运行提供有效的解决方案。

基于XGBoost算法的人—虎共存区域风险等级划分

以2014—2019年珲春地区红外相机拍摄的东北虎数据为基础,基于XGBoost算法构建了虎出没区域风险等级划分模型。由模型检验可知:模型的准确率为93.51%,精确率为93.85%,召回率为93.08%,F1值为93.31%,Cohen s Kappa统计系数为90.2%。研究结果表明:基于XGBoost算法构建的人-虎共存区域风险等级划分模型分类效果好、预测准确度高,运用该模型对人-虎共存区域进行风险等级划分是可行的。