31、复合交错调度与结构化照明检测方法在不同领域的应用

复合交错调度与结构化照明检测方法在不同领域的应用

在现代科技领域，调度算法和检测方法对于提高系统效率和保障治疗效果至关重要。本文将介绍复合交错调度在基本模式 S 二次监视雷达（SSR）中的应用，以及基于结构化照明的位置和变形检测方法在外部放射治疗中的应用。

复合交错调度在基本模式 S SSR 中的应用

在基本模式 S SSR 中，为了应对不同的负载情况，特别是重负载场景，研究人员开发了多种复合交错调度方法。

调度方法概述

除了简单的不适当交错方法外，还定义了三种复合方法，总共四种构建调度的方法：
- 方法 A ：不适当交错。
- 方法 B ：通过广泛交错改进的不适当交错。
- 方法 C ：抽取式适当交错与不适当交错的完整组合。
- 方法 D ：抽取式适当交错与通过广泛交错改进的不适当交错的完整组合。

其中，方法 A 是方法 B 在无法通过广泛交错进行改进时的特殊情况，方法 C 是方法 D 的特殊情况。

交错算法特点

• 不适当交错算法 ：用于方法 B、C 和 D 的不适当交错算法在之前的章节中有描述。
• 抽取式适当交错算法 ：用于方法 C 和 D 的抽取式适当交错算法只有一个主要可变参数，即抽取步长。在 48 个事务的重负载场景中，使用了 {6, 7, 8, 14, 15, 16, 17} 这七个抽取步长，这些步长是在对场景中飞机分布进行初步分析后选择的。该算法没有丢弃可能使性能更好的低效周期，并且在考虑冷却时间约束时，模拟中最小冷却时间 tc 取为 tx。
• 广泛交错算法 ：用于方法 B 和 D 的广泛交错算法是多种可能性中的简单版本。从由不适当算法给出的已调度方案出发，将最后一个事务作为要广泛交错到其余调度中的事务。如果单个事务嵌入到多个事务的某个位置，则在修改后的场景上尽可能多次迭代重复该过程。

模拟示例

以 48 个事务的调度模拟为例：
1. 从按距离递增逆序排列的集合中，以抽取步长 6 选取 8 个事务，构建一个由 8 个事务组成的紧凑适当部分调度，类似于图 3 所示。
2. 对剩余的 40 个事务进行不适当调度。图 8 的上半部分仅显示了包含 11 个事务的调度的第一个周期。
3. 图 8 的下半部分显示了不适当调度的最后 2 个事务的广泛交错。可以观察到，事务 39 的传输间隔与其相邻事务等距分布，以公平分配可用时间，而事务 40 则无法做到这一点。
4. 广泛交错完成后，将两个部分调度组合成一个。虽然该算法可以改进，但需要考虑较高编号事务必须有空间进行交错的约束。

调度结果分析

对这四种方法在模拟 48 个事务的 10,000 次随机运行的每个样本中计算调度时间，并选择时间较短的调度作为该样本的最佳调度。表 3 给出了 10,000 次运行的最佳方法分布：
| 方法 | A | B | C | D |
| — | — | — | — | — |
| 48 个原始事务 | 1 | 2626 | 5 | 7368 |
| 16 个重新调度的事务 | 45 | 9557 | 358 | 40 |

从表 3 可以看出，对于 48 个事务的重负载场景，广泛交错几乎每次都有效，抽取式适当交错在四分之三的情况下有贡献。对于 16 个事务的较轻负载，广泛交错算法单独使用时，方法 B 在 95% 的时间内表现最佳。

基于结构化照明的位置和变形检测方法在外部放射治疗中的应用

在外部放射治疗中，确保患者在治疗过程中的正确位置以及及时检测患者身体的形状变化对于提供准确的辐射剂量至关重要。

放射治疗的目标和挑战

放射治疗的主要目标是向肿瘤提供规定的辐射剂量，同时尽量减少对健康组织的照射。在每次治疗过程中，患者在治疗床上的正确放置以及早期检测患者身体可能发生的任何形状变化都非常关键，因为这两者都会影响剂量分布。

结构化照明技术

结构化照明通常通过条纹投影来确定物体的空间尺寸，即通过向物体投射图案并从特定位置拍摄照片，然后处理照片以获取空间信息。本文提出了一种不同的应用方法：根据物体的 3D 表面计算并投射图像，以将物体定位在特定位置。只有当物体处于预先选择的精确位置并保持其原始形状时，才能观察到未失真的条纹图案。

具体应用

• 患者位置验证 ：从治疗计划早期阶段获得的断层扫描数据集中可以知道患者的空间尺寸，以及头部、躯干和四肢相对于治疗床的位置。根据这些数据，可以为患者创建特定形状的条纹系统。将该条纹系统的图像投射到患者身上，可以在照射过程中验证患者是否接近正确位置。
• 形状变化检测 ：该方法还可以检测患者身体形状的变化，例如由辅助化疗或皮质类固醇效应引起的变化。在头部和颈部治疗中，热塑性面罩通常用作固定装置，但有些患者在治疗过程中可能会体重增加或减少，导致面罩无法完美贴合，从而影响剂量分布。而基于结构化照明的方法可以检测到这种形状变化。

结构化照明的优势

在放射防护方面，条纹投影是一种安全的技术，不涉及电离辐射，因此可以无限制地应用。该方法甚至可以在照射过程中进行实时位置检查，这在使用条纹投影作为固定装置的替代方法时特别有用。

结构化照明技术的基本原理

基于结构化照明的位置和变形检测方法在外部放射治疗中具有重要的应用价值，下面详细介绍其基本原理。

典型应用基本描述

通过结构化照明可以获取物体的空间尺寸。需要设置一个参考表面，并选择两个位置：一个用于投影仪，另一个用于相机。将物体放置在参考表面前方，用来自投影仪固定位置的图案照亮物体，然后由相机（也固定在空间中）进行观察。

本文使用的是 Ronchi 网格图案，它由均匀间隔的阶梯强度分布的条纹组成，即黑白网格中没有灰度。当投影仪将图案投射到平面表面（如墙壁）上时，若将物体放置在参考平面前方，投射在物体上的条纹形状会发生改变，而墙壁上的条纹保持不变。

空间信息获取

投射在物体上的条纹形状对于该物体和所选的实验几何形状（图案、参考表面、投影仪和相机的位置）是唯一的，因此重塑后的条纹包含了物体的地形信息。通过简单的几何分析（考虑每个条纹及其每个点的相对位移）可以获取物体的空间信息。

从上方观察实验设置，投影仪位置为 P，相机位置为 C，P′ 和 C′ 位于参考平面上，P - P′ 线表示投影仪与平面的最小距离，C - C′ 线表示相机与平面的最小距离。任意条纹点（像素）s 从 P 投射并从 C 观察，当物体放置在平面前方并投射条纹时，条纹会发生相应变化。

综上所述，复合交错调度方法在基本模式 S SSR 中能够有效应对重负载场景，提高调度效率；而基于结构化照明的位置和变形检测方法在外部放射治疗中为确保治疗效果提供了一种安全、有效的手段。这些技术的应用将有助于推动相关领域的发展。

复合交错调度与结构化照明检测方法在不同领域的应用

复合交错调度算法性能分析

为了更深入地了解复合交错调度算法的性能，我们进一步分析了模拟结果。

时间分布统计

图 9 的左半部分展示了在选择最佳方法时，48 个原始事务的 10,000 次随机运行所消耗的归一化直方图。尽管分布似乎有两个模式，但整个数据的平均值为 12.9 毫秒，标准偏差为 252.7 微秒，最大值为 13.8 毫秒，最小值为 12.1 毫秒。

图 9 的右半部分显示了算法对两个连续调度（48 个原始事务的第一个最佳调度和从原始事务中随机选取的 16 个事务的第二个最佳调度）进行 10,000 次随机运行所消耗的时间。这组数据的平均值为 18.0 毫秒，标准偏差为 339.3 微秒，最大值为 19.1 毫秒，最小值为 16.7 毫秒。

方法对比分析

图 10 是图 6 和图 9 的选定区间叠加图。深色部分显示了 48 个事务在 10,000 次模拟中使用最佳方法的交错时间直方图，浅色部分显示了相同 10,000 次事务使用不适当交错方法的时间直方图。图 10 中的垂直线表示由公式 (10) 给出的驻留可用时间的一半。

正如预期的那样，与方法 A（不适当交错）相比，最佳方法的结果向较低值偏移。根据模拟数据，当使用最佳方法进行调度时，56% 的时间内可以在同一驻留中包含两个完整的调度。数据分散成两个模式并非由方法本身引起，而是由模拟的重负载数据导致的。

算法结论

根据表 3 的结果，可以得出以下关于算法的结论：
- 不适当交错的适应性 ：不适当交错作为单一选项比适当交错更适合重负载场景。当与其他算法结合使用时，其性能几乎每次都能得到改善。
- 抽取式适当交错的作用 ：抽取式适当交错是重负载场景中补充不适当交错的良好选择。即使是本文开发的初步版本，在由 48 个事务组成的重负载场景中，也有超过 73% 的时间有助于提高性能，在通过广泛交错改进时几乎每次都有贡献。
- 广泛交错的效果 ：即使是本文实现的简单版本的广泛交错，在单独使用（方法 B）时，对于 48 个事务的高密度负载条件，性能提高超过 26%。当在抽取式适当交错之后使用广泛交错（方法 D）时，73% 的负载性能得到改善。总体而言，广泛交错几乎每次都能提高性能。

结构化照明技术在放射治疗中的流程与优势总结

基于结构化照明的位置和变形检测方法在外部放射治疗中具有独特的流程和显著的优势。

技术流程

下面是基于结构化照明技术在放射治疗中应用的流程图：

graph LR
    A[获取患者断层扫描数据] --> B[创建特定形状条纹系统]
    B --> C[投射条纹图像到患者身上]
    C --> D{观察条纹图案}
    D -- 未失真 --> E[患者位置正确且形状未变]
    D -- 失真 --> F[检测患者位置偏差或形状变化]
    F --> G[调整患者位置或采取其他措施]

优势总结

优势	描述
安全性高	不涉及电离辐射，可无限制应用
实时监测	能在照射过程中进行实时位置检查
形状检测	可检测患者身体形状变化，如面罩贴合问题
精准定位	确保患者在治疗床上的正确位置，提高剂量分布准确性

总结与展望

复合交错调度方法在基本模式 S SSR 中通过多种交错算法的组合，有效地应对了不同负载场景，提高了调度效率和性能。而基于结构化照明的位置和变形检测方法为外部放射治疗提供了一种安全、有效的手段，能够确保患者在治疗过程中的正确位置和及时检测身体形状变化，从而提高治疗效果。

未来，可以进一步研究和优化这些算法和方法。例如，在复合交错调度中，可以探索更优的抽取步长选择策略，以及改进广泛交错算法的启发式限制，以进一步提高调度性能。在结构化照明技术方面，可以结合人工智能和机器学习算法，实现更智能的形状变化检测和位置调整，为放射治疗提供更精准的支持。

这些技术的不断发展和完善将为雷达调度和放射治疗领域带来更多的创新和进步，为相关行业的发展做出更大的贡献。