立体定向放射治疗小射野探测器研究进展

由于侧向带电粒子平衡的缺失、主光子源的遮挡,以及在小射野测量中可以选择的探测器有限,对现代放射治疗技术进行小野剂量学测定提出诸多挑战,这些挑战极大影响了剂量学的准确性。过量辐射事故表明对小野剂量学测定的适当方法了解不足。本综述介绍了目前适合在小野剂量学测量中应用的各类型探测器,包括微型电离室、半导体探测器、金刚石探测器、塑料闪烁体探测器、放射变色胶片、热释光探测器、放射光致发光玻璃探测器、光受激发光探测器、聚合物凝胶剂量计,为物理师在选择小野探测器时提供参考。

乳腺癌放射性心脏损伤及其预防措施的研究进展

放疗是降低乳腺癌局部复发率和死亡率的有效手段,然而,放射性心脏损伤的远期副作用风险不容忽视。特别是左乳放疗的患者,由于心脏在放疗射野内,其心脏损伤的风险更高,进而增加放射性心脏病的发生,最终影响远期生存率和生活质量。因此预防放射性心脏损伤尤为重要,主要措施包括使用先进的放疗技术,如调强放疗、容积调强弧形放疗、深吸气屏气下放疗、俯卧位放疗、质子束放疗等,或者优化心脏亚结构的放疗计划,进而降低心脏关键结构的照射剂量。本文将分别对乳腺癌放射性心脏损伤的病理生理机制、临床表现、危险因素、预防措施的研究进展进行综述。

基于滤波反步法的三相永磁同步电机伺服控制

为解决永磁同步电机的角度伺服控制问题.基于dq轴坐标系建立的电机控制模型,采用滤波反步法设计位置伺服控制器,通过稳定二阶滤波过程逼近虚拟控制量的导数,避免了常规反步法中对虚拟控制量解析求导的繁琐过程.通过设计滤波误差补偿环节,保证了滤波器输出信号对输入信号的跟踪精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项,保证了闭环跟踪误差的稳定性,并采用粒子群算法对控制器参数进行优化.最后,通过仿真实验结果表明了该算法的有效性,且具有较高的跟踪精度.

非共面野在早期非小细胞肺癌立体定向放射治疗方面的剂量学优势

目的探讨非共面野调强放疗(IMRT)在早期非小细胞肺癌(NSCLC)立体定向放射治疗(SBRT)方面的剂量学特点和优势。方法选取10例早期NSCLC患者,分别制定9野共面IMRT计划和9野非共面IMRT计划,其中非共面计划包括5个共面野和4个非共面野。比较两个计划的全肺V2.5、V5、V20、V25、全肺平均照射剂量Dmean、健侧肺平均照射剂量Dmean,其他危及器官的比较包括:脊髓、心脏、食道、气管、胸壁的最大照射剂量和胸壁V30照射体积。同时比较两个计划的靶区适型性指数(CI)和均匀性指数(HI)。结果非共面野技术降低了全肺V20的照射体积(P=0.001),并降低了健侧肺的平均照射剂量Dmean(P=0.001),但在全肺V5的照射体积方面非共面野高于共面野(P=0.002)。非共面技术降低了脊髓、食道、气管、胸壁最大照射剂量和胸壁V30的照射体积(P=0.026,0.001,0.026,0.008,0.016),只有心脏的最大照射剂量非共面野高于共面野但差异无统计学意义(P=0.296)。靶区的适型性指数非共面野技术更好(P=0.036),均匀性指数两者差异无统计学意义(P=0.254)。结论在早期NSCLC立体定向放射治疗中,非共面野技术能有效降低肺组织和其他大部分危及器官的照射剂量并提高了靶区适型性指数,有降低相应并发症发生的可能性,相比于共面野有一定的剂量学优势。

呼吸门控技术在肝癌大分割放射治疗方面的剂量学优势

目的探讨呼吸门控(Gating)技术在原发性肝癌大分割放射治疗方面的剂量学优势。方法回顾性分析2017年8月—2018年11月10例原发性肝癌患者介入治疗后应用呼气末3个连续时相实现门控式大分割放疗的患者资料。10例患者行4DCT定位扫描,通过呼吸波形重建10组呼吸时相序列,将图像传输至MIM6.7.6工作站。在MIM工作站中分别生成全时相最大密度投影(MIP-10)、全时相平均密度投影(Mean-10)、呼气末3时相最大密度投影(MIP-3)、呼气末3时相平均密度投影(Mean-3),其中MIP用于靶区勾画,Mean用于剂量计算。放疗医师在MIM工作站上勾画IGTV-10、IGTV-3,并外放生成CTV-10、CTV-3、PTV-10、PTV-3,比较靶区体积差异。靶区勾画完毕后将图像从MIM工作站传输至Eclipse治疗计划系统,分别制定条件相同的全时相计划(Plan-10)和呼气末3个连续时相门控计划(Plan-3),处方剂量给予50 Gy/10 f/2 weeks。比较靶区的HI和CI,危及器官的比较包括肝脏平均照射剂量Dmean、肝脏受到小于15 Gy的照射体积、小肠Dmax、结肠Dmax、胃Dmax、肾脏平均照射剂量Dmean、心脏Dmax、脊髓Dmax。结果呼气末3时相勾画的靶区体积在IGTV、CTV、PTV方面均小于全时相勾画的靶区体积,差异有统计学意义(P<0.05)。在制定的两组7野共面大分割放疗计划方面,3时相门控计划明显降低了各危及器官的照射剂量,差异有统计学意义(P<0.05)。同时两组计划的均匀性指数(HI)和适型性指数(CI)差异无统计学意义(P>0.05)。结论呼吸末3个连续时相的门控式靶区勾画和计划设计方式较全时相的选择相比缩小了IGTV、CTV、PTV靶区的体积,并在计划剂量学方面有明显优势,降低了危及器官的照射剂量,在肝癌大分割放疗方面值得被推广运用。

人工智能云技术在乳腺癌患者心脏亚结构自动勾画中的应用

目的:评估人工智能云技术勾画平台(AI Contour)在乳腺癌患者心脏亚结构自动勾画中的准确性和可行性。方法:选取10例进行乳腺癌放射治疗患者的血管增强CT作为研究对象。在AI Contour上分别采用手动勾画、自动勾画和自动勾画后手动修改模式来完成10例患者的心脏亚结构勾画,包括左心房、右心房、左心室、右心室。比较Dice相似性系数(DSC)、Jaccard系数(JC)、Hausdorf距离(HD)、质心偏差(CMD)、包容性系数(IncI)、敏感性指数(SI)、勾画时间。结果:以手动勾画为金标准,自动勾画与手动勾画各心脏亚结构的DSC>0.8,JC>0.6,HD<9 mm,CMD<5 mm,IncI>0.8,SI>0.7。自动勾画后手动修改进一步提高了勾画精度,其中JC>0.8。自动勾画时间与手动勾画时间为(85.50±6.06)s vs(1160.30±74.31)s,差异具有统计学意义(P<0.05)。自动勾画后手动修改总时间与手动勾画时间为(558.70±33.40)s vs(1160.30±74.31)s,差异具有统计学意义(P<0.05)。结论:通过比较发现自动勾画技术能以较高的精度完成乳腺癌患者左心房、右心房、左心室、右心室的勾画,节省了大量时间,自动勾画后手动修改能进一步提高各心脏亚结构的勾画精度,同时云勾画平台具有远程协作的优势,值得推广运用。

空间斯特林制冷机系统模型辨识与预测控制

为解决空间用大功率机械式斯特林制冷机系统的高精度控温问题,针对这一类具有时延特性的大时间常数温度控制系统,首先,文章提出一种基于继电模型辨识的闭环辨识方法,通过设计合理的辨识参数,采集系统的输入输出响应数据并通过最小二乘法拟合获得了系统的辨识模型,克服了传统开环辨识方法无法获得固定控温点附近辨识模型的不足;其次,基于辨识模型的阶跃响应数据建立预测模型,采用动态矩阵预测控制,通过滚动优化和反馈校正机制,对温度控制系统性能指标实现了最优控制。最后,通过搭建模型辨识及实验平台,验证了系统模型辨识的准确性可达到94%,对长波红外探测器60K控温点的控温稳定性可达到±10mK(3σ)的水平,该模型辨识与控制方法已经成功应用于多台星载红外相机的焦面制冷机控温系统并获得在轨验证。

永磁同步电机有限时间预设性能控制

为实现扰动作用下对永磁同步电机角位置伺服系统的高瞬态和稳态跟踪性能控制,本文提出一种具有预设性能约束的有限时间控制方法.首先,设计扰动观测器实现对负载力矩扰动的估计与补偿.其次,引入有限时间预设性能函数以保证角跟踪误差的动态性能,并通过可逆变换将受不等式约束的角位置跟踪误差转换为等效的无约束误差形式.然后,将有限时间指令滤波反步法应用于控制器设计中,不仅可以避免“微分爆炸”的现象,而且能够保证跟踪误差的有限时间内收敛.最后,通过仿真实验验证了该算法的有效性和对扰动的鲁棒性.

基于滤波反步法的欠驱动AUV三维路径跟踪控制

研究了欠驱动自主水下航行器(Autonomous underwater vehicle,AUV)的三维空间路径跟踪控制问题.针对基于虚拟向导建立的三维路径跟踪误差模型,采用滤波反步法设计跟踪控制器,通过二阶滤波过程获得虚拟控制量的导数,避免了直接对虚拟控制量解析求导的复杂过程,同时滤除了高频测量噪声,增加了系统对噪声的鲁棒性.通过设计滤波误差补偿回路,保证了滤波信号对虚拟控制量的逼近精度.基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒项,保证了闭环跟踪误差系统状态的渐近稳定.仿真结果表明了该控制器对噪声干扰具有一定的鲁棒性,能够实现对三维路径的精确跟踪.

基于反馈增益反步法欠驱动无人水下航行器三维路径跟踪控制

针对欠驱动无人水下航行器的三维空间路径跟踪控制问题.基于虚拟向导建立载体坐标系下的三维路径跟踪运动学误差模型,首先设计跟踪误差反馈增益形式的线性控制项镇定位置跟踪系统,避免计算虚拟控制量导数的复杂形式;然后基于反步法设计动力学控制器,通过合理的选择控制器参数消除了部分非线性项,简化了虚拟控制量的形式,同时避免了采用传统反步法设计控制器时存在的奇异值问题,基于李雅普诺夫稳定性理论设计鲁棒反馈补偿项,保证了闭环跟踪误差系统状态的一致最终有界.仿真实验表明本文设计控制器能够精确跟踪三维曲线路径,并对外界干扰具有较好的鲁棒性.

玻璃封装医用小型光纤光栅温度传感探头

针对体内测温、特别是肿瘤热疗体内温度实时监测对温度传感探头的体积、韧性和抗电磁干扰能力的要求,对医用小型光纤光栅温度传感探头进行了研究。提出了利用玻璃管封装短光纤布拉格光栅来有效避免应力引起的误差以及金属封装对电磁场分布的影响,同时提出用医用聚氨酯套管包裹探头及光纤来有效地保护探头及光纤并使其具备很好的韧性。封装后,探头截面直径为1mm、长度约为4mm。实验测量了稳定温度源在不同温度下探头的反射波长响应和温度变化时探头的响应时间,并测量了医用热疗机加热猪肉时肉内部的温度变化过程。结果表明,体温范围内探头反射波长与温度的线性相关系数可达0.999 95,温度传感精度为0.2℃,探头最大响应时间约为4s,并能实时监测医用热疗机加热猪肉时其内部的温度变化。

基于粒子群优化的自适应模糊制冷控制算法

为解决空间斯特林制冷机和探测器热负载不确定及存在变化的问题,提出了自适应模糊PID制冷控制;在空间环境中使用的斯特林制冷机参数会随着时间的变化而发生改变,探测器负载也会随着工作模式和工作时间的变化而变化,整个制冷系统涉及的变量多,参数非线性;采用传统的控制方法,在固定的单一条件、环境下得到的控制参数,环境和负载发生变化后容易性能变差甚至不稳定,控制精度和稳定性不能满足使用要求;设计了一种自适应斯特林制冷机控制器,通过综合自适应模糊PID控制的方法,采用粒子群优化算法调整控制参数以减小代价函数;通过仿真和试验验证算法的有效性和鲁棒性。

射波刀脊柱追踪系统治疗精度与感兴趣区的相关性研究

目的:研究不同感兴趣区节点的分布对射波刀脊柱追踪系统治疗精度的影响。方法:通过对Lucy头颈部仿真模体设定10种不同情况分别制定各自端到端验证计划。每个计划分别在ROI Height为40 mm、60 mm、80 mm的条件下进行摆位并投照,投照后对球方内胶片进行扫描分析。评估三种ROI分布下系统分析处理正交影像数据的时间、错误节点数(False Node)、X轴目标配对公差阈值(dxAB)、r轴目标配对公差阈值(drAB)以及照射在左右(left)、头脚(superior)、前后[ant(A/L)、ant(A/S)、anterior]方向的误差和总体误差(total)。结果:摆位阶段ROI范围越大,系统处理分析影像数据的时间越长,False Node的数量也随之增加(P<0.05),dxAB和drAB的差异无统计学意义。投照误差方面,40 mm组与60 mm组在最终的整体照射精度上无显著差异;80 mm组在ant(A/L)、ant(A/S)、anterior和total上的投照误差高于60 mm组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论:使用射波刀脊柱追踪系统时,应选择合适的ROI以覆盖脊柱区域。对于侧弯、驼背及动物实验的脊柱模型,放大ROI范围后脊柱追踪系统同样可以取得亚毫米级别的治疗精度。

基于神经网络反步法的移动机器人路径跟踪控制

为实现非完整轮式机器人的路径跟踪控制,设计基于反馈增益的反步法控制器,通过控制器参数设计消除了机器人动态误差模型中的部分非线性项,采用神经网络对模型不确定项进行补偿,并利用自适应鲁棒控制器在线补偿神经网络的估计误差,优化了神经网络的学习性能。仿真结果表明:设计的控制器参数易于调节,可实现轮式移动机器人对任意曲线路径的精确跟踪。

欠驱动水下航行器三维直线航迹跟踪控制

针对欠驱动水下航行器的三维直线航迹跟踪控制问题,基于虚拟向导建立了三维航迹跟踪误差模型,采用反馈增益反步法设计航迹跟踪控制器,通过合理选择控制器参数消除了部分非线性项,与传统反步法设计相比简化了虚拟控制量的形式,并且能够避免基于视线法设计导引律时存在固有奇异值点的问题.基于李雅普诺夫稳定性理论分析了闭环跟踪误差系统的渐近稳定性.最后将设计的控制器应用于欠驱动水下航行器进行仿真实验,结果表明控制器具有精确的三维航迹的跟踪能力,并对外界干扰和模型参数不确定性具有较好的鲁棒性.

基于模型识别的高精度制冷控制策略

遥感相机中需要对焦面组件进行高精度的制冷控制以保证高质量的成像效果,因此基于模型识别进行焦面高精度制冷控制策略的设计;制冷系统在硬件上设计特定的二级放大机制以获得高精度测温数据,实现数字化增量式PID控制算法优化以获得高精度控温效果;系统采用脉冲管制冷机作为控制对象,结合继电反馈识别方式与高阶模型,使用最小二乘拟合方法获得制冷系统过程模型;模型的建立保证了控制算法参数的准确性与控温的精确度,这与传统的PID调参手段相比,大大降低了时间成本,提升了系统的控温精度;通过实验结果表明,本系统的控温精度为±27mk,受到干扰后在6分钟内回稳,实现了高精度高稳定度的制冷控制。

具有PID反馈增益的自主水下航行器反步法变深控制

本文针对海底地形测绘时自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,AUV)的变深控制问题,提出具有PID增益调节的AUV深度控制方法,基于反馈增益的反步法设计控制器,避免了采用传统反步法导致控制器中存在虚拟控制量的高阶导数问题;基于李雅普诺夫稳定性理论设计控制器参数消除了部分非线性项,得到的控制器的线性部分为状态变量的线性组合,具有PID控制器参数调节的形式;针对存在建模不精确、外界干扰和测量噪声时的闭环系统鲁棒性进行分析,保证了误差系统在扰动作用时的一致最终有界性.最后通过仿真实验验证了本文设计的控制器的有效性.

基于自适应反步法的自主水下机器人变深控制

为实现自主水下机器人(AUV)的高精度变深控制,基于AUV垂直面的运动学和非线性动力学模型,提出了神经网络自适应迭代反步控制方法,设计了运动学和动力学控制器.文中首先考虑AUV非线性模型的攻角和水动力阻尼系数的不确定性,设计神经网络控制器来对纵倾运动中的非线性水动力阻尼项和外界海流干扰作用进行在线估计,并基于Lyapunov稳定性理论设计神经网络权值的自适应律,保证系统闭环信号的一致最终有界.最后通过两组仿真实验,比较了所设计的控制器在设定控制器增益参数下的系统响应和在扰动作用下的变深控制性能,结果表明,所设计的控制器具有较小的稳态误差和较高的跟踪精度.

基于反馈增益反步法的非完整约束移动机器人路径跟踪控制

为实现非完整约束轮式机器人的路径跟踪控制,采用虚拟向导方法建立跟踪误差方程,基于李亚普诺夫稳定性理论,设计了一种基于反馈增益的反步法控制器,既能通过控制反馈增益的调节补偿机器人动态误差模型中的非线性项对系统的影响,又能避免传统反步法控制器中存在虚拟控制的高阶导数的问题。仿真结果表明:设计的控制器参数易于调节,可实现轮式移动机器人对任意曲线路径的精确跟踪。

多自主水下航行器区域搜索与协同围捕方法研究

针对多个自主水下航行器(AUVs)执行区域搜索和协同围捕入侵对象的任务案例,设计了多航行器混合分层式体系结构,提出了分区域随机搜索策略和基于势点的优化围捕策略。将蚁群算法和人工势场法相结合,实现了AUVs路径规划与避碰。基于AUV六自由度运动模型和PID控制器,通过仿真实验验证了算法的有效性。仿真结果表明,AUVs具有在障碍环境中执行区域搜索和对入侵对象协同围捕的作业能力,设计的方法可应用于自主水下航行器的围捕任务。