醫(yī)學(xué)影像專業(yè)虛擬技術(shù)仿真實驗平臺,醫(yī)學(xué)影像專業(yè)虛擬技術(shù)仿真教學(xué)平臺
醫(yī)學(xué)影像專業(yè)虛擬技術(shù)仿真實驗平臺
醫(yī)學(xué)影像平臺利用醫(yī)學(xué)影像虛擬技術(shù)來創(chuàng)建X射線成像、核磁共振成像、超聲波成像系統(tǒng),解決了影像設(shè)備耗資太大,涉及輻射與防護等問題，實現(xiàn)影像成像原理與技術(shù)仿真應(yīng)用教學(xué)。
虛擬仿真實驗教學(xué)是高等教育信息化建設(shè)和實驗教學(xué)示范中心建設(shè)的重要內(nèi)容,是學(xué)科專業(yè)與信息技術(shù)深度融合的產(chǎn)物。醫(yī)學(xué)影像學(xué)學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)僅依靠附屬醫(yī)院有限的儀器和相對傳統(tǒng)的實驗教學(xué)手段是不能達到應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)的,它彌補了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像實驗教學(xué)中的諸多不足,學(xué)生可通過模擬的方式反復(fù)練習(xí),并與傳統(tǒng)教學(xué)模式相互補充、相互促進。醫(yī)學(xué)影像教育中實驗室開放和自主學(xué)習(xí)需要大量學(xué)習(xí)資源,模擬醫(yī)學(xué)影像教育避免了醫(yī)療設(shè)備的不足和輻射等負面影響,虛擬仿真實驗教學(xué)中心的建設(shè)便應(yīng)運而生。開展模擬醫(yī)學(xué)影像教育現(xiàn)已成為國際醫(yī)學(xué)影像學(xué)教育的研究前沿和發(fā)展方向。
臨床MR核磁共振虛擬仿真實驗平臺由三個模塊組成：數(shù)字人MR掃描，數(shù)字MR圖譜和MR仿真掃描模型。本實驗儀采用虛擬核磁掃描技術(shù)對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字人體進行真實掃描，可得到任意權(quán)重圖像；除可滿足醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像診斷專業(yè)學(xué)生的MRI基本掃描實際操作，還可滿足臨床MRI技師針對核磁參數(shù)對圖像對比度控制規(guī)律的培訓(xùn)學(xué)習(xí)，以及任意權(quán)重的人體斷層影像解剖課程的教學(xué)資源。MR仿真掃描模型是為了滿足對于設(shè)備結(jié)構(gòu)、擺位操作等需求，配合虛擬臨床MR仿真實驗儀，滿足醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)等相關(guān)課程實驗教學(xué)，用于擺位和掃描過程演示等實驗?？蓾M足醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)（或相關(guān)課程）、醫(yī)學(xué)影像斷層解剖學(xué)、醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)等課程的實驗教學(xué)需求。功能：
1. 以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字人頭部數(shù)據(jù)模型作為虛擬掃描樣本；
2. 可模擬四種典型場強（0.5T，1.0T，1.5T，3.0T）的設(shè)備虛擬成像；
3. 六種基本成像序列（SE、FSE、IR、GRE、M-EPI、Spiral-EPI）虛擬成像；
4. 可實現(xiàn)T1TW，T2TW，PdTW，T1-Flair，T2-Flair，T1-STIR，T2-STIR，T2*TW等權(quán)重圖像；
5. 單幅圖像虛擬掃描時間小于1s；
6. 可實現(xiàn)三個基本斷面（T、S、C）及傾斜角（±30度）；
7. 15種成像序列參數(shù)任意設(shè)置，可實現(xiàn)序列圖像任意對比度的顯示；
8. 可實現(xiàn)不同擺位（頭先進／腳先進，仰臥／俯臥）;
9. 多幅圖像顯示與瀏覽；
10. 保存與打開原始數(shù)據(jù)；
11. 保存與打開圖像；
12. 掃描模型：包含機架（磁體、線圈（MR）），載床、人體模型的整機仿真模型（仿真比例1:6）；根據(jù)軟件界面選擇的斷面；定位指示燈和自動進床功能；能自動將人體模型相應(yīng)斷面進床到磁體中心。
臨床核磁掃描儀仿真模型技術(shù)參數(shù)：
1. 機架尺寸：60cm′50cm′45cm；機架厚度30cm；
2. 機架重量：20kg；
3. 仿真人體模型尺寸：30cm（男），28cm（女）；
4. 檢查床可手動控制或軟件控制或與臨床核磁仿真軟件聯(lián)動控制；
5. 水平和垂直定位燈且可控制；
6. 可設(shè)置進床0位置；
7. 可實現(xiàn)一鍵進床到定位中心或從定位中心退出到0位置；
8. 可液晶實時顯示檢查床位置；
可進行擺位操作：頭頸部、胸腹部、髖關(guān)節(jié)、四肢的檢查擺位，如頭／腳先進，仰／俯臥等；
MRI操作技術(shù)教學(xué)實踐平臺技術(shù)參數(shù)：
1. 可動態(tài)顯示預(yù)掃描過程及信號表現(xiàn);
2. 可保存與打開原始數(shù)據(jù)(mat格式);
3. 可保存與打開圖像(jpg,IMA,DCM)；
4. 可編輯、存儲與讀取病人相關(guān)信息；
5. 基本圖像后處理：測量感興趣區(qū)的大小與距離、切片顯示、窗寬窗位的調(diào)節(jié)、圖像翻轉(zhuǎn)等;
6. ★以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字人頭部數(shù)據(jù)模型作為虛擬掃描樣本；
7. ★可模擬四種典型場強（0.5T，1.0T，1.5T，3.0T）的設(shè)備虛擬成像；
8. 六種基本成像序列（SE、FSE、IR、GRE、M-EPI、Spiral-EPI）虛擬成像；
9. ★可實現(xiàn)T1TW，T2TW，PdTW，T1-Flair，T2-Flair，T1-STIR，T2-STIR，T2*TW等權(quán)重圖像；
10. 單幅圖像虛擬掃描時間小于1s；
11. 可實現(xiàn)三個基本斷面（T、S、C）及傾斜角（±30度）；
12. ★不少于10種成像序列參數(shù)任意設(shè)置，可實現(xiàn)序列圖像任意對比度的顯示；
13. 可實現(xiàn)不同擺位（頭先進／腳先進，仰臥／俯臥）;
14. 多幅圖像顯示與瀏覽；
圖像縮放，移動，偽彩，負片，電影播放，灰度直方圖，灰度均衡化等圖像后處理或顯示功能。
本仿真實驗系統(tǒng)模擬小型CT實驗儀的基本功能；采用虛擬CT數(shù)據(jù)采集和圖像重建技術(shù)，分別掃描不同的密度分布樣品和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字人，可實現(xiàn)第一代和第三代CT的動態(tài)數(shù)據(jù)采集和反投影重建功能，以及不同參數(shù)下的數(shù)字人CT圖像，且做到了全部數(shù)據(jù)過程可視化。實驗儀包含四個模塊：筆形束成像原理、扇形束成像原理、數(shù)字人CT掃描、CT掃描模型（選配） 。滿足醫(yī)學(xué)影像成像理論（或類似課程）的CT成像原理部分教學(xué)；以及醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)CT操作部分的模擬操作。
功能：
成像原理模塊：針對筆形束成像原理和扇形束成像原理，可設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)步進，源心距等參數(shù)；由簡單到復(fù)雜設(shè)計了7種固定樣品模型，用戶也可以自定義樣品模型；可分別動態(tài)演示第一代和第三代CT掃描模式的探測器和球管的掃描運動過程，數(shù)據(jù)動態(tài)采集過程（即正弦圖獲?。?，濾波反投影過程和重建圖像效果，以及探測器環(huán)損壞或響應(yīng)不一致、DAS增益不一致、金屬異物、球管打火等常見偽影等模擬功能。
數(shù)字人CT掃描模塊：可設(shè)置X射線參數(shù)（kV、mA、S）；層面參數(shù)（層傾斜角度、層位、層數(shù)）；采集參數(shù)（旋轉(zhuǎn)角度、步進角度）；矩陣大小以及圖像顯示參數(shù)（每頁顯示圖像行列數(shù)、窗寬窗位調(diào)節(jié)等）；樣品模版為數(shù)字人體（目前僅為頭部）；可實現(xiàn)針對數(shù)字人的不同傾斜角度的單幅或多幅CT數(shù)據(jù)采集和圖像重建效果，窗寬窗位調(diào)節(jié)效果等。
CT掃描模型模塊：是為了滿足對于設(shè)備結(jié)構(gòu)、擺位操作等需求，結(jié)合感性認知開展實驗，達到更好的效果。配合CT仿真實驗儀，滿足醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)等相關(guān)課程實驗教學(xué)，用于擺位和掃描過程演示等實驗。其結(jié)構(gòu)包含機架，載床、人體模型的整機仿真模型（仿真比例1:6）；根據(jù)軟件界面選擇的斷面；定位指示燈和自動進床功能；CT機架具有傾斜功能。
分為原理子模塊與操作技術(shù)子模塊技術(shù)參數(shù)：
一、原理教學(xué)子模塊：
1. 針對筆形束和扇形束成像原理，可設(shè)置旋轉(zhuǎn)角度，旋轉(zhuǎn)步進，源心距等參數(shù)的開放式操作實驗；
2. 動畫演示筆形束和扇形束CT的原始投影數(shù)據(jù)（正弦圖）采集過程；
3. 由簡單到復(fù)雜設(shè)計9種樣品模型實驗，用戶也可以手繪自定義樣品模型；
4. ★可分別動態(tài)演示第一代和第三代CT掃描模式的探測器和球管的掃描運動過程，數(shù)據(jù)動態(tài)采集過程（即正弦圖獲?。瑸V波反投影過程和最終的重建圖像效果；
5. ★扇形束CT重建中，可選擇使用不同加窗函數(shù)濾波器進行反投影重建，觀察重建圖像效果，包括Sinc窗，矩形窗，三角窗，漢寧窗，漢明窗，切比雪夫窗，布萊克曼窗和高斯窗等。可顯示加窗濾波器的時域和頻域波形；
6. ★常見偽影等模擬功能：探測器損壞或響應(yīng)不一致、DAS增益不一致、金屬異物、球管打火等常見偽影等模擬功能；
7. 空間分辨率和密度分辨率測試；
二、操作教學(xué)子模塊：
8. 開機預(yù)熱過程顯示；
9. 可保存與打開原始數(shù)據(jù)(mat格式);
10. 可保存與打開圖像(jpg,IMA,DCM)；
11. 基本圖像進行后處理：如測量感興趣區(qū)的大小與距離、窗寬窗位的調(diào)節(jié)、切片顯示、圖像翻轉(zhuǎn)、圖像顯示幅面等；
12. 可編輯、存儲與讀取病人相關(guān)信息；
13. 成像參數(shù)：X射線參數(shù)（kV、mA、S）可調(diào)節(jié)，并實時顯示對圖像的影響；
14. 可調(diào)節(jié)層面參數(shù)（層傾斜角度、層位、層數(shù)）、采集參數(shù)（旋轉(zhuǎn)角度、步進角度）；采集矩陣大??；掃描方向，病人體位，掃描距離，螺旋/常規(guī)掃描等設(shè)置；
15. ★樣品模版為數(shù)字人體；可實現(xiàn)針對數(shù)字人的不同傾斜角度的單幅或多幅CT數(shù)據(jù)采集和圖像重建效果等；
16. 圖像縮放，移動，偽彩，負片，電影播放，灰度直方圖，灰度均衡化等圖像后處理或顯示功能。
★配套實驗教材，可開展不少于8個學(xué)時的教學(xué)實驗，教學(xué)實驗內(nèi)容與前指標(biāo)完全相關(guān)。
數(shù)字化臺式核磁共振虛擬仿真實驗系統(tǒng)包含四個模塊：核磁共振基礎(chǔ)模塊、MR成像與偽影模塊、弛豫和擴散測量模塊與波譜分析模塊。前兩個模塊采用開放式虛擬核磁掃描技術(shù)動態(tài)采集油／水試管樣品或顱腦模版，可動態(tài)顯示核磁共振數(shù)據(jù)采集和圖像重建過程，通過參數(shù)的任意調(diào)整對信號和圖像的影響規(guī)律以及偽影的表現(xiàn)和成因分析，從而實現(xiàn)根本上掌握核磁成像原理。弛豫和擴散測量模塊是模擬仿真核磁共振弛豫分析儀的基本功能，可用于直觀快速的學(xué)習(xí)了解核磁共振弛豫分析技術(shù)的原理；可用于弛豫譜相關(guān)專業(yè)人員的早期自學(xué)原理和操作，熟悉參數(shù)的設(shè)置規(guī)則；也可以用于實際測試樣品的信號和弛豫譜結(jié)果比對參考。波譜分析模塊，可以設(shè)置常見基團（如甲基，亞甲基等）的氫原子個數(shù)、相關(guān)的J耦合系數(shù)、化學(xué)位移等，通過對其FID信號的獲取，經(jīng)過FFT變換后可以得到其相應(yīng)的波譜分布。本仿真實驗儀適用于醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、醫(yī)學(xué)影像工程專業(yè)對于核磁共振成像原理的實操實驗教學(xué)。
功能：
1. 原理演示動畫：13 分鐘，帶配音；
2. 預(yù)掃描功能：中心頻率確定，射頻脈沖角度確定，有源勻場，線圈調(diào)諧匹配；
3.成像功能：不少于 7 種成像序列（SE,FSE,GRE,IR,1Decoding, SE-EPI,SPIRAL-EPI）的數(shù)據(jù)采集與圖像重建功能；
4. 偽影分析功能；能開展不少于 10 種偽影(卷褶偽影、截斷偽影、化學(xué)位移偽影、射頻干擾、中心點偽影、中心線偽影、拉鏈偽影、運動偽影、鏡像偽影、位置偏離、條紋偽影) 的表現(xiàn)，以及成因分析。
5. 可模擬仿真核磁共振弛豫譜的一維和二維弛豫分析技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和弛豫譜反演過程（采用TSVD算法實現(xiàn)）和結(jié)果；
6. 可實現(xiàn)T1弛豫時間，T2弛豫時間，D（擴散系數(shù)）一維弛豫分析技術(shù)的數(shù)據(jù)模擬采集和反演實現(xiàn)等；
7. 可實現(xiàn)D-T2，T1-T2等二維弛豫譜的數(shù)據(jù)采集和二維反演功能；
8. 顯示一維和二維弛豫譜序列（包括IR、SR、CPMG、PGSE、PGSE-CPMG、IR-CPMG）的序列圖；
9. 可按照比例選擇兩種樣品（一種為T1、T2和擴散參數(shù)都固定不變的油樣，另一種為T1、T2和D隨濃度變化的弛豫劑溶液（本項目選用五水硫酸銅））的混合物作為檢測樣品；
10. 數(shù)據(jù)采集和反演參數(shù)都可調(diào)；
11. 對有機高分子可實現(xiàn)波譜的演示分析，可對其J耦合和化學(xué)位移進行相應(yīng)的設(shè)置。
MRI成像原理與偽影分析仿真系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)：
（一）基礎(chǔ)原理子模塊（MRsim3.0）
1. 具有原理演示動畫：不少于10分鐘
2. 預(yù)掃描功能：中心頻率確定，射頻脈沖角度確定，有源勻場，線圈調(diào)諧匹配；
3.可使用序列不少于：H-FID，H-SE，S-FID，S-SE，H-CPMG等；
4. ★成像功能：不少于7 種成像序列（SE, FSE, GRE, IR, 1D coding, SE-EPI, SPIRAL-EPI）的數(shù)據(jù)采集與圖像重建功能；
5. ★可動態(tài)顯示原始數(shù)據(jù)采集和K空間填充過程；
6. 可選擇常規(guī)速度掃描顯示或加速模式顯示功能，以提高實驗效率；
7. 15種成像參數(shù)可任意設(shè)置后虛擬掃描，得到不同圖像效果；
8. 成像用樣品模型的組織類型可任意組合；
9. 可保存原始k空間數(shù)據(jù)和圖像；
10. ★偽影分析功能；能開展不少于10 種偽影(卷褶偽影、截斷偽影、化學(xué)位移偽影、射頻干擾、中心點偽影、中心線偽影、拉鏈偽影、運動偽影、鏡像偽影、位置偏離、條紋偽影) 的表現(xiàn)，以及成因分析；
11. 配套實驗教材，可開設(shè)不少于8個學(xué)時實驗項目；
（二）弛豫時間定量測量子模塊（Relaxsim1.0）：定量MRI基礎(chǔ)原理
1. 可模擬仿真核磁共振弛豫譜的一維和二維弛豫分析技術(shù)的數(shù)據(jù)采集和弛豫譜反演過程（采用TSVD算法實現(xiàn)）和結(jié)果；
2. 可實現(xiàn)T1弛豫時間，T2弛豫時間，D（擴散系數(shù)）一維弛豫分析技術(shù)的數(shù)據(jù)模擬采集和反演實現(xiàn)等；
3. ★可實現(xiàn)D-T2，T1-T2等二維弛豫譜的數(shù)據(jù)采集和二維反演功能；
4. 顯示一維和二維弛豫譜序列（包括IR、SR、CPMG、PGSE、PGSE-CPMG、IR-CPMG）的序列圖；
5. 可按照比例選擇兩種樣品（一種為T1、T2和擴散參數(shù)都固定不變的油樣，另一種為T1、T2和D隨濃度變化的弛豫劑溶液（本項目選用五水硫酸銅））的混合物作為檢測樣品；
6. 數(shù)據(jù)采集和反演參數(shù)都可調(diào)；
7. 對有機高分子可實現(xiàn)波譜的演示分析，可對其J耦合和化學(xué)位移進行相應(yīng)的設(shè)置；
8. ★以上模塊都配套實驗教材，可開展不少于5個學(xué)時的教學(xué)實驗，教學(xué)實驗內(nèi)容以上技術(shù)參數(shù)完全相關(guān)。
DR虛擬數(shù)字X線成像仿真實驗系統(tǒng)
本仿真實驗系統(tǒng)模擬X射線產(chǎn)生與檢測的物理原理，和臨床CR/DR設(shè)備的基本操作及圖像質(zhì)量控制功能。包含三個獨立的模擬模塊：X射線物理模塊、DR攝影技術(shù)模塊、圖像質(zhì)控（調(diào)節(jié)）模塊。滿足醫(yī)學(xué)影像成像理論（或類似課程）的X射線物理和DR成像原理部分教學(xué)，以及醫(yī)學(xué)影像檢查技術(shù)課程的DR操作實驗。
功能：
X射線物理模塊：主要用于幫助教師更好對學(xué)生進行一些抽象物理概念與理論的教學(xué)。采用目前世界上最先進的X射線產(chǎn)生數(shù)據(jù)模型和熱效應(yīng)模型，可以實時的準(zhǔn)確模擬計算患者的照射劑量和相應(yīng)的球管熱量。隨著患者對健康的更為關(guān)注，對醫(yī)學(xué)影像技術(shù)人員的基礎(chǔ)知識要求更高，而對基礎(chǔ)知識掌握可以幫助他們更好的減少病人的照射劑量。
DR攝影技術(shù)模塊：主要用于學(xué)生對DR成像過程的操作與實踐，同時也為教師提供了一種節(jié)約成本與時間的有效實驗?zāi)Ｊ?。學(xué)生可以通過本模塊在一臺桌面電腦上完成全部的DR操作實驗。既可以滿足教師現(xiàn)場教學(xué)，也可以滿足學(xué)生課后通過網(wǎng)絡(luò)自學(xué)的要求。
圖像質(zhì)量控制模塊：主要滿足對大批量學(xué)生同時進行的DR圖像隨多參數(shù)實時變化分析的教學(xué)需求，教師可以通過軟件對圖像進行各種參數(shù)調(diào)節(jié)（例如射線能量的調(diào)節(jié)、感興趣區(qū)大小的調(diào)節(jié)、旋轉(zhuǎn)和扭曲等），給學(xué)生一個直觀的了解。
技術(shù)參數(shù)：
1. 可模擬病人注冊功能，相應(yīng)信息可保存可 調(diào)?。?. 可讀取DICOM、JPG、等常見數(shù)據(jù)格式圖像；3. 可保存實驗圖像為DICOM，jpg等；4. 可顯示圖像的直方圖，可實時手動調(diào)整窗寬窗位；5. 可一鍵自動調(diào)節(jié)到最佳窗寬窗位；6. 可對成像結(jié)果進行長度測量；7. ★X射線性質(zhì)實驗功能：不同曝光參數(shù)（kV，mA，曝光時間）與射線的能譜關(guān)系（邊界吸收限），可交互式放大、縮小、平移、測量譜線數(shù)據(jù)，譜線圖像可保存為JPG格式；8. ★可實時計算不同曝光參數(shù)下的比釋動能（照射劑量）、照射量、平均能量、平均波長等，相應(yīng)數(shù)據(jù)可保存為Excel表格；9. 可測量至少四種材料（水、鋁片、銅片、鉛片）在不同厚度情況下的比釋動能、照射量及相應(yīng)的半價層；10. 可模擬真實環(huán)境下DR人體檢查技術(shù)場景，包括立式、臥式檢查，常見擺位操作，可對球管、床、人體進行不同空間參數(shù)的調(diào)整（角度，高度，水平位置等），成像結(jié)果與以上的調(diào)整聯(lián)動；11. ★至少包括人體頭部；胸部；腹部、腳踝等人體部位的數(shù)字人數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫被程序調(diào)用，可模擬真實條件下不同曝光參數(shù)下圖像的變化：12. 可用線對模板開展空間分辨率實驗，可模擬不同曝光參數(shù)、不同源像距（SID）、不同源物距（SOD）對分辨率的影響。
PET二維正電子發(fā)射型斷層CT仿真實驗系統(tǒng)
PET基本原理模塊功能：1. 可選擇8種模擬樣品開展二維PET實驗；2. 可動態(tài)顯示PET原始采集數(shù)據(jù)正弦圖的填充過程；3. 可動態(tài)顯示PET圖像重建的過程；4. 配有動畫顯示正電子發(fā)射、湮滅、光子傳播和符合探測等全過程；5. 可任意設(shè)置探測器環(huán)半徑、探測器尺寸、樣品活度、掃描時間等采集參數(shù)；6. 可選擇原始的BP算法或FBP算法進行重建圖像；7. 可選擇8種不同的濾波函數(shù)（斜坡函數(shù)、SINC、Hann、Hamm、Butterworth、Triangle、Blackman、Gaussian）進行重建并觀察重建圖像效果；8. 可選擇1/2/4等三種空間分辨率增強模式觀察重建圖像效果；9. 可顯示放射衰變事件計數(shù)和光子對探測計數(shù)；10. 可三維立體顯示原始正弦圖數(shù)據(jù)和重建PET圖像；11. 可保存原始正弦圖數(shù)據(jù)（mat格式）和PET圖像（jpg或png格式）；12. 可測量理想空間分辨率和探測靈敏度；13. 可測量任意選定圓形區(qū)域內(nèi)的均值、方差和信噪比；14. PET人腦顯像模塊功能：15. 可選擇人腦模板的不同斷面開展二維PET顯像實驗；16. 可設(shè)置不同個數(shù)的Tumor區(qū)域進行模擬實驗；17. 可動態(tài)顯示PET原始采集數(shù)據(jù)正弦圖的填充過程；18. 可動態(tài)顯示PET圖像重建的過程；19. 可任意設(shè)置探測器環(huán)半徑、探測器尺寸、樣品活度、掃描時間等參數(shù)；20. 可切換顯示原始斷層、活度圖、活度+Tumor圖、原始數(shù)據(jù)正弦圖、重建PET圖像；可給出分辨率、信噪比、光子探測計數(shù)等實驗結(jié)果。
