基于開源的磁共振成像訓(xùn)練系統(tǒng)研究

王 雯 馬志慶 趙文華

醫(yī)學(xué)磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)已經(jīng)成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷不可或缺的手段，各醫(yī)學(xué)院校多設(shè)有醫(yī)學(xué)影像專業(yè)，然而磁共振設(shè)備價格昂貴，大多數(shù)院校無財力購置相應(yīng)的設(shè)備用于教學(xué)，致使影像教學(xué)與實(shí)驗(yàn)經(jīng)常脫節(jié)。由于多數(shù)學(xué)生未見過磁共振設(shè)備，老師缺少相應(yīng)的演示軟件教學(xué)，學(xué)生只能死記原理。影像學(xué)或生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的實(shí)習(xí)在本科階段末期，實(shí)習(xí)階段面臨與其他院校學(xué)生競爭實(shí)習(xí)資源的局面，致使學(xué)生不能很好地掌握專業(yè)技能而為就業(yè)做好準(zhǔn)備。許多衛(wèi)生學(xué)校同樣設(shè)置了影像專業(yè)，致使原本稀缺的教學(xué)和實(shí)習(xí)資源面臨新的競爭壓力。

仿真訓(xùn)練系統(tǒng)能夠有效解決以上問題。Bittoun等[1]于1984年開展了MRI仿真器的研究，劉麗榮等[2]以MRI頭部仿真模型和Bloch方程為基礎(chǔ)進(jìn)行磁共振成像原理的仿真。胡俊峰等[3]使用Dephi研發(fā)了一種MRI仿真系統(tǒng)并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。黃磊等[4]使用c#語言開發(fā)了基于WEB的MRI仿真工作站。本研究嘗試設(shè)計一款模塊化的磁共振虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)，使用者既可以得到技能上的訓(xùn)練，又可以通過開放的接口及代碼更深入地理解MRI的原理,提高理論水平，為從事更深層次的研究打好基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的功能及劃分

通常一臺磁共振掃描工作站具有開機(jī)、患者注冊、掃描管理、圖像處理以及打印圖片等掃描過程。同時包括：信息錄入、序列選擇、參數(shù)設(shè)置、設(shè)置定位線、窗寬窗位調(diào)整、圖像處理、三維重建、系統(tǒng)文件和狀態(tài)管理等功能[5]。為了能夠更好地擴(kuò)展升級和用戶的深入學(xué)習(xí)，將系統(tǒng)分為組件和功能2大開源包(如圖1所示)。臨床應(yīng)用中為了提高診斷效率，使用工作站的基本掃描和打印功能、圖像的三維重建和診斷集中到相關(guān)的圖像工作站和診斷平臺上。所以，本研究針對實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)模擬磁共振工作站的基本掃描過程。

圖1 開源的組件包結(jié)構(gòu)

2 掃描參數(shù)設(shè)置

掃描參數(shù)設(shè)置模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，主要實(shí)現(xiàn)了改變回波時間(TE)、列重返時間(TR)、層厚(slices)以及相位(Phase)和頻率(Frequency)編碼等控制掃描時間的功能[6]。T1加權(quán)掃描參數(shù)設(shè)置情況如圖2所示。

圖2 掃描參數(shù)設(shè)置

3 定位線劃定原理

實(shí)際掃描過程中，設(shè)置定位線的主觀程度較大，所以能否科學(xué)的選擇掃描范圍直接關(guān)系到診斷的準(zhǔn)確性。計算機(jī)的坐標(biāo)體系中，y軸豎直向下，與經(jīng)常使用的笛卡爾直角坐標(biāo)系相反[7]。在研究定位線劃定的數(shù)學(xué)方法及編程算法[8]見表1。

表1 麻醉科醫(yī)療設(shè)備檢測結(jié)果統(tǒng)計

任意角度平掃的定位線劃定的數(shù)學(xué)公式如下：

利用三角函數(shù)得到垂直徑向的線段的橫坐標(biāo)：

圖3所示為頭部平掃的矢狀位定位線劃定效果圖。掃描要求：矢狀位定位線應(yīng)選擇正中矢狀位圖像作為參照圖像，并調(diào)整角度，與胼胝體前后聯(lián)合連線中線平行，線中點(diǎn)位于腦干前緣。

圖3 矢狀位定位線效果

4 基本圖像處理及圖像打印功能

本研究所參照的模型，使用的是三鍵鼠標(biāo)。由于目前個人電腦普遍使用的是光電式滑輪鼠標(biāo)，因此從適用性和降低成本考慮，使用右鍵菜單方式取代模型中的功能鍵(如圖4所示)。通過點(diǎn)擊右鍵選擇“contrast”選項(xiàng)可以進(jìn)行窗寬窗位調(diào)整，使圖像符合視覺習(xí)慣，達(dá)到打印和診斷要求。圖中顯示，右鍵選擇圖像對比功能項(xiàng)可以達(dá)到實(shí)際模型中功能鍵的效果。

圖4 圖像處理前后對比

參照模型中打印和圖像處理功能集合在圖像管理模塊中，點(diǎn)擊“Film Composer”按鈕，彈出圖像打印對話框，用戶可以通過選擇左側(cè)的“Formats”選項(xiàng)，選擇所在醫(yī)院規(guī)定的打印格式。鼠標(biāo)移動到要打印的圖像上，然后按下鍵盤上的“F1”，圖像以圖標(biāo)方式顯示在打印方窗格中?！癋2”將當(dāng)前窗口的所有圖像依次填充到打印方格，而“F3”將當(dāng)前窗口的圖像填充到一個方格中。最后點(diǎn)擊“print”按鈕，完成打印[9](如圖5所示)。

圖5 打印對話框

5 討論

本研究通過模擬磁共振掃描工作站的掃描過程，基本實(shí)現(xiàn)了基本功能，隨著研究的深入，系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)圖像的三維重建功能，并增加故障發(fā)生器、考核模塊、虛擬掃描床及線圈工作狀態(tài)顯示等功能，從而形成集理論學(xué)習(xí)、操作實(shí)踐、教學(xué)考核的綜合系統(tǒng)。

本項(xiàng)研究提供了一個良好的虛擬環(huán)境，使用戶可以身臨其境般的實(shí)踐學(xué)到的理論知識，提高操作技能；有助于解決實(shí)力較差的高校和衛(wèi)生學(xué)校，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備不足的局面，將有效的降低學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)成本，應(yīng)用前景廣闊。

[1]Bittoun J,Taquin J,Sauzade M.A computer algorithm for the simulation of any nuclear magnetic resonance(NMR)imaging method[J].Magn Reson Imaging,1984,2:113.

[2]劉麗榮,吳志嶠,林家瑞,等.磁共振成像的計算機(jī)仿真[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2002,19(4):611-615.

[3]胡俊峰,陳剛.MRI掃描工作站仿真操作訓(xùn)練系統(tǒng)使用說明書[P].

[4]黃磊,翟健.基于WEB技術(shù)的MRI仿真操作與診斷系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2011,28(5):2924-2926.

[5]俎棟林.核磁共振成像學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004:755-791.

[6]張擇寶.醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2000:113-139.

[7]Hong Zhang,Y.Daniel Liang.Computer Graphics Using Java 2D and 3D[M].London:Prentice Hall,2006:28-33.

[8]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006:289-330.

[9]石佳濱,孫臣義,姜飚,等.3.0磁共振動態(tài)血管成像技術(shù)的方法探討[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2009,6:(5):24.