生物体光学监控系统的开发

1 前言 二十一世纪的医疗要求能做到以下两点:减轻患者对疾病的担忧和痛苦的所谓个人负担;把药剂等引起的环境污染控制到最小限度的所谓社会负担。认为光技术是达到这个目标的极有效手段。因为光可以毫无痛苦地传送到生物体中。

双相正交数字相敏检波方案在光学监控中的应用与仿真

提出了采用双相正交数字相敏检波(DPSD)方案设计数字锁相放大器(DLIA)代替传统模拟锁相放大器,并应用到了真空镀膜光学监控系统(OMS)中。针对信噪比(SNRI)和相位延时对方案进行了仿真分析。结果证实了双相正交PSD方案的可行性。由于在输入信号采样频率一定时,OMS精度和实时性之间存在矛盾关系,所以应尽量提高输入信号采样频率以获得高的SNRI。在DLIA中采用低阶滤波器和较高截止频率还可以减轻输出波形过冲效应的影响。

基于自适应卡尔曼滤波的光学监控信号处理

针对光学监控系统(OM S)实际工作环境的复杂性,导致监控信号中存在不稳定量测噪声,采用基于遗忘因子的自适应卡尔曼滤波(AKF)对光学膜厚监控信号进行去噪处理。建立了针对非线性OM S的AKF模型,仿真分析中针对存在突变信噪比(SNR)的输入信号设置相应AKF初始参数使滤波性能达到最优。结果表明自AKF输出监控信号精度明显优于常规卡尔曼滤波;同时利用AKF输出监控信号判读反射率极值点对应膜厚,最终理论膜厚监控误差<2nm。

基于光学体表监控和X射线透视影像的膈肌运动自动跟踪

目的:基于直线加速器的光学体表监控系统和X射线透视影像利用人工智能构建膈肌顶点运动的自动跟踪模型。方法:同步采集7例肝肿瘤患者胸腹部的光学体表运动信息和千伏级X射线透视影像,选取其中3例患者数据利用主成分分析与偏最小二乘回归结合的方法计算不同体表感兴趣区域与膈肌运动的相关系数,选择相关系数最大的体表感兴趣区域作为光学体表监控区。首先,使用全卷积网络模型自动识别透视图像中膈肌顶点的位置;再利用随机森林方法建立体表与膈肌顶点运动的关联模型,基于体表运动信息实时预测膈肌顶点运动轨迹;最后,把自动跟踪的膈肌顶点位置与放疗医生手动勾画位置进行对比,以评估模型精度。结果:3例患者的体表感兴趣区域与膈肌运动的平均相关系数在前后(AP)方向最高达到(0.73±0.01)mm,上下(SI)方向最高达到(0.88±0.01)mm。自动跟踪模型预测结果与手动勾画位置的平均绝对误差和均方根误差SI方向分别为(3.09±0.79)mm和(3.89±0.89)mm,AP方向分别为(1.42±0.43)mm和(1.78±0.46)mm。结论:体表呼吸运动与体内膈肌运动是相关的,在放疗过程中基于光学体表运动信息可以实时跟踪体内膈肌顶点运动,该技术可用于胸腹部肿瘤放疗期间膈肌附近肿瘤的实时及无创运动管理。