目的:为提升医疗设备研发成本预测结果的准确性,提出一种基于蒙特卡洛仿真的医疗设备研发成本预测方法.方法:以某产后康复仪为例,先将研发过程分解为若干步骤并准确统计各步骤的相关成本经济信息;再利用三点估算法对各步骤的基本数据进行初步计算得到随机变量,使用Crystal Ball软件进行蒙特卡洛仿真,将这些变量值生成大量的随机样本并反复运行10万次;最后通过Crystal Ball软件集中统计分析得出最终项目总成本的概率分布.结果:通过该方法可以概率分布的方式得出预测值并给出预测结果的置信区间和统计参数,可实现90％～95％概率下的总成本预测,预测值与预算成本无明显差异,预测精度较高.结论:该方法具有一定的可信度和精度,能在项目执行过程中预测完工总成本值,预测结果满足研发成本随机性和不确定性的特征要求.

目的 针对医疗设备存在的退化加速现象,提出对退化过程进行监控的方法,旨在有效监测到真实情况中退化加速的现象并进行预警,降低设备运维成本.方法 无论是退化率恒定还是退化率加速的维纳过程,其增量概率分布都是独立于其他时间区间增量的,本文运用上侧累积和(Cumulative Sum,CUSUM)控制图监控策略,并分析两类测量误差(乘性测量误差和加性测量误差)对控制图监控效率的影响.结果 运用蒙特卡洛仿真得到不同加速系数和测量误差下的平均运行链长(Average Run Length,ARL)和运行链长标准差,结果表明对于退化率恒定的固定效应模型,CUSUM对退化加速的监控具有稳健性,ARL的降低率均维持在43%左右;而在退化加速的随机效应模型中,监控性能会随着乘性测量误差(当乘性误差>0.1后)的增加而下降.结论 CUSUM控制图对医疗设备退化加速现象具有良好的监控能力,随着退化率的加速系数的增加,控制图能够越早发现异常退化加速状态.

目的:使用蒙特卡洛方法模拟在碳离子放疗过程中产生的次级中子对人体主要器官的吸收剂量和当量剂量.方法:基于中国科学院近代物理研究所(IMP)的重离子深层肿瘤治疗的束流配送系统治疗头,使用MCNPX对该系统的初级准直器、脊型过滤器、射程移位器以及多叶准直器进行建模,模拟计算400 MeV/u碳离子均匀照射野经过IMP被动式束流配送系统,入射到RPI-Adult男性体模后,统计全身主要器官内的次级中子能谱和吸收剂量与当量剂量.结果:当脑垂体瘤接受治疗并给予50 Gy处方剂量时,不同器官内的中子能谱显示所产生的次级中子能量范围比较大,最大能量高这几百MeV;而且脑部部分器官的中子当量剂量相对比较高,大脑、头盖骨和眼晶体当量剂量为53.18、32.43、33.20 mSv;离脑部较远的器官,如胸部、肺以及前列腺剂量很低,都小于0.4 mSv.结论:利用蒙特卡洛方法和计算机仿真人体模型模拟了碳离子放疗过程,并统计了全身大部分器官内次级中子能谱和受到的剂量.本研究计算的结果和结论,再结合相关资料,可以为临床上研究碳离子放疗的远期效应提供参考.

膝骨性关节炎是中老年人群中常见的慢性、不可逆关节疾病.为了解决常规的CT扫描、核磁共振成像等检测手段存在的辐射影响较大,无法作为常规体检项目,以及无法检测出早期膝关节内部组织病变等缺点,本文提出了一种基于近红外光的无损、快速病程检测手段,结合临床膝关节CT图片用蒙特卡洛方法模拟红外光子在关节内部的运动轨迹,通过高斯函数分析和拟合不同病程下的出射光子分布特征,以有效光子出射率和拟合函数对称轴位置作为指标判定患者病情.该方法的优点在于,对人体不造成任何辐射损害,且能够通过计算机数据分析快速给出判定结果,可作为常规体检项目,便于发现早期病症并及时治疗.仿真实验结果表明该方法的准确率达到92％以上,在膝骨性关节炎的临床检测应用上具有较大的应用价值.

目的:根据药动/药效(PK/PD)理论应用仿真模拟评价侵袭性真菌感染患者CYP2C19基因多态性对伏立康唑(VRC)用药方案的影响,促进个体化用药.方法:查找已发表的VRC药动学资料,采用蒙特卡洛模拟评估不同的CYP2C19基因型患者分别在接受不同的VRC给药方案下可能达到的稳态谷浓度水平及其概率分布,进而找出最优给药方案.每种给药方案模拟10 000例次.结果:快代谢基因型(EMs)患者给予VRC 300 mg/q12 h口服(po)或200 mg/q12 h静滴(iv);中间代谢基因型(IMs)患者给予100 mg/q12 h po或100 mg/q12 h iv;慢代谢基因型(PMs)患者给予50 mg/q12 hpo或50 mg/q12 h iv时稳态谷浓度分布于推荐谷浓度范围(0.5～3 mg·L-1)内的中靶概率(PTA)最大(均超过85％)且高于3 mg·L-1的PTA最小(均小于10％),为最佳给药方案.结论:临床应根据患者CYP2C19基因型来个体化制定VRC的用药方案,以此确保治疗的安全性和有效性.

目的:提高蒙特卡洛模拟速度并应用于临床调强放疗剂量计算.方法:运用BEAMnrc程序建立Varian_EDGE加速器6 MV FF与FFF模式束流模型,在DOSXYZnrc程序的基础上开发并行运算的Par-DOSXYZnrc(PDMC)剂量计算程序,与SYNCJAWS、SYNCHDMLC组件实现同步调强放疗剂量计算,并利用仿真模体和临床病例对该方法的精确性与运算效率进行评估.结果:PDMC与DOSXYZnrc的剂量分布一致,与加速器测量值的偏差小于1%.PDMC在6核处理器中效率提升10.5倍以上,能够在0.74 h内完成调强放疗剂量计算,其效率随处理器核心数增加而增长.结论:建立的PDMC能保证临床调强放疗病例剂量计算的准确性,同时提高的效率可满足临床调强放疗剂量计算的时间需求.

目的 零差K分布模型是最具有物理意义的超声背向散射信号包络统计分布模型,主要参数包括k(相干散射与弥漫散射的比值)和μ(有效散射子个数),但目前尚缺乏k、μ参数估计算法的系统对比研究,本文系统阐述零差K模型及其参数估算方法,并通过计算机仿真对比研究各类估算算法的性能.方法 利用蒙特卡洛仿真产生独立同分布的超声背向散射信号包络样本,利用零差K模型参数估算算法对k和μ参数进行估计,包括偶数阶矩法(Dutt-Greenleaf法和Prager-Berman法)、小数阶矩法、RSK法和XU统计法;最后,进行10组仿真实验,每组进行1000次仿真,对比分析各类估计算法的性能,包括排除次数、估算误差和运行时间等参数.结果 Dutt-Greenleaf法、Prager-Berman法、小数阶矩法、RSK法和XU统计法的平均排除次数分别为474、915、672、0、0;参数k平均估算误差分别为31.2％、55.8％、122.2％、12.8％、20.6％;参数μ平均估算误差分别为23.2％、41.9％、16.3％、6.8％、3.0％;平均运行时间分别为0.72 s、0.85 s、1.38 s、298.34 s、109.53 s.结论 在零差K分布模型参数估计方法中,(1)Dutt-Greenleaf法、Prager-Berman法和小数阶矩法的排除次数较高,RSK法和XU统计法基本无排除;(2)RSK法的k平均估算误差最小,XU统计法的 μ 平均估算误差最小;(3)Dutt-Greenleaf法、Prager-Berman法、小数阶矩法的平均运行时间远少于RSK法和XU统计法.

目的:为了简化上肢康复机器人构型分析,清晰描述上肢康复机器人末端相对基坐标系的位姿描述.方法:基于旋量理论计算出各关节相对基坐标系的旋量坐标,采用指数积形式,给出了上肢康复机器人末端运动学方程.在给定杆长和关节角度限制范围情况下,采用蒙特卡洛法对末端运动空间进行了仿真分析并利用Matlab绘制了末端运动空间随机位置点云图.结果:采用指数积形式建立的末端运动学方程表达方式简单,计算出的位置随机点云图可近似逼近真实运动空间.结论:旋量坐标将上肢康复机器人各关节运动关系描述统一化,几何概念清晰、物理意义明确.蒙特卡洛计算方法随机、快速的在各关节转角限制范围内进行取值并组合,能够简化计算过程,可通过增加随机点选取数量获得更加精确的运动空间.

目的:探讨通过仿真计算预计水面舰艇编队海上作战减员数量的方法.方法:采用蒙特卡洛法细致描述海上舰艇编队的交战过程及战伤减员的随机性,提出以舰艇生命力值反映舰艇的毁伤状况;依据攻击编队反舰导弹的命中概率和是否命中目标舰艇的关键部位,分别计算其对舰艇生命力值的影响,得到整个舰艇编队的毁伤情况,进而预计水面舰艇编队的作战减员情况.结果:通过示例进行仿真计算,可得出攻击编队反舰导弹不同命中概率和不同发射数量情况下的减员数量.结论:该研究为海上舰艇编队的作战减员预计提供了一种新方案.

目的:基于中国精神分症患者氨磺必利群体药动学特征模型,预测不同用药方案下患者服用氨磺必利后的稳态血药浓度,实施个体化给药方案设计.方法:回顾性收集55例患者的110个氨磺必利血药浓度值,运用已建立的氨磺必利群体药动学模型,通过第1个血药浓度值估算个体药动学参数,并以此预测后续血药浓度值,比较实际测量值与预测值,评估模型预测准确性,应用蒙特卡洛法仿真不同给药方案下氨磺必利稳态药物浓度范围.结果:预测的氨磺必利血药浓度与真实的血药浓度产生的误差的中位值为2.51 ng/ml,平均预测误差分别为2.78 ng/ml,均方根误差为75.8 ng/ml,表明该预测模型预测性与准确性良好.不同日剂量下氨磺必利的稳态谷浓度的存在显着差异.稳态谷浓度随着日剂量的增加而增加;当日剂量>600 mg时,氨磺必利稳态谷浓度通常会超过推荐治疗范围上限(320 ng/ml);相同日剂量下,给药时间间隔为24 h,谷浓度最低浓度波动度最大,随着给药频次的增加,谷浓度增加,浓度波动度变小.结论:基于群体药动学模型,可以准确地通过有限采血点预测个体的药物浓度范围,给药频次及给药剂量是影响氨磺必利血药浓度的主要因素.