網絡平臺和技術開發相結合 拓展貴重儀器科研潛能

丁秋萍 何宏建

摘要：大型儀器是科研重器。教育部門和各高校高度重視大型儀器的開放共享，近年在大型儀器共享平臺建設方面取得了很大的進展。在當前信息化技術迅速發展的背景下，如何通過網絡平臺及配套技術開發提高儀器的性能、拓展儀器的功能，提高儀器的高效有效利用，是一個值得探討和論述的課題。本文將以科研型3T磁共振成像系統為例，從自動安全監測、數據質量控制、數據自動傳輸、存儲、遠程數據分析、新序列開發以及實時磁共振、磁共振模擬機等配套設備開發角度，闡述依托工程技術團隊，借助網絡平臺，技術開發和應用相結合拓展儀器科研潛能的實例。這種基于網絡平臺，開發應用相結合的方法，有效助推大型儀器施展科研潛能，提高儀器利用率。

關鍵詞：磁共振成像;網絡平臺;質量控制;儀器利用率

中圖分類號：R197.39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0220-03

0 引言

貴重大型儀器是科研的重器，價格昂貴。教育部門和各高校高度重視大型儀器的開放共享，在大型儀器共享平臺建設方面取得了很大的進展，如清華大學、浙江大學等高校利用信息技術手段，建設了規范、高效的通用型及專業型大型儀器共享平臺[1-2]，在儀器設備信息查閱、預約、財務結算方面為師生提供了便利，提高了儀器使用效益和效率。就特定貴重大型儀器而言，除了儀器自帶的成熟的數據采集功能，還有很多值得開發、拓展和完善的空間，而這些空間對于創新性的科研工作來說往往是如虎添翼。目前，通過網絡平臺及配套技術開發提高儀器的性能、拓展儀器的功能，進而提高儀器的高效有效利用，很少有文章系統論述。

本文將以3T磁共振成像系統為例，介紹技術開發和科研應用相結合的實例。科研用大型儀器3T磁共振成像系統的管理依托工程院系，除了配置成熟的產品，如腦功能視聽覺刺激系統、MRI同步采集腦電系統、眼動系統。為了充分施展科研用貴重儀器設備的潛質，依托工程類專業技術團隊，在網絡平臺和配套技術開發方面做了大量探索，進一步拓展功能，深挖儀器設備的科研潛能。這種網絡平臺和一起開發相結合的做法，好比給儀器設備戴上救生圈，為儀器設備保駕護航，給儀器設備插上翅膀，助推儀器施展科研潛能，提高儀器利用率。

1 數據自動傳輸、可靠存儲和遠程數據分析

磁共振成像的實驗數據分為醫學數字圖像傳輸協定（Digital Imaging and Communication in Medicine，DICOM）圖像數據和原始K空間數據，一個被試的DICOM數據通常是幾百兆到幾個吉字節（Gigabyte，GB），原始采集空間數據則更大，幾個GB到幾百個GB不等。上百個被試大隊列的實驗數據完全稱得上大數據。這么大量的數據，快速、便捷、穩定的傳輸和存儲對于科學實驗至關重要。作者所在磁共振團隊協同企業開發了數據自動傳輸、可靠存儲和遠程分析系統。

1.1 DICOM圖像數據影像數據同步實時傳輸系統

數據同步實時傳輸系統事先與磁共振成像儀器和服務器的對接，系統會自動獲取Dicom數據，并對獲取的Dicom數據頭文件信息智能解析，將Dicom數據按標準目錄進行存儲。Dicom數據可以按被試名、掃描時間等信息進行快速檢索。

1.2 影像數據計算平臺

為了方便影像大數據的遠程并行計算分析，團隊協同企業在數據同步系統基礎上開發了影像數據分析平臺，分為用戶訪問層、計算層、數據層。設置影像數據管理系統、數據管理、SSH終端、Linux桌面等功能模塊，影像數據計算存儲平臺通過這些功能模塊訪問。

Linux桌面為用戶提供獨立的通過瀏覽器工作的遠程Linux工作環境。通過Web瀏覽器，可訪問Linux桌面，以圖形化界面訪問計算資源。Linux桌面中可運行圖形化界面的軟件，環境中集成了基本的系統工具和一些常用的磁共振數據分析應用軟件，如AFNi、FSL、FreeView、dcm2nii、matlab、DSI-Studio、Freesurfer等。用戶可以方便地使用流程化分析工具，通過并行、GPU、云計算等計算機方法加速大規模數據分析效率，為大隊列多模態的磁共振數據快速計算提供了強大的支撐。

1.3 實時功能磁共振

快速可靠的數據傳輸為實時功能磁共振技術的實現提供了基礎。

功能磁共振成像利用磁共振來測量神經元活化引發的血液動力學的改變，間接檢測大腦功能區域，是人們研究人類中樞神經系統作用機制的重要途徑。然而，大多數功能磁共振研究，實驗結果需要花費數小時進行線下處理后得到，無法實時地監測被試的配合程度，更無法實時反饋給被試進行人機互動。為此，Cox等人率先提出實時功能磁共振成像實現了在與采集速度比擬的時間里完成功能圖像數據的處理[3]。

浙大磁共振團隊從技術上實現了實時磁共振過程，并可以根據當前實時監測受試者的任務響應水平，并根據受試者的任務情況決定后續將要呈現給受試者的刺激材料，靈活地調整多階段功能任務掃描的時長，幫助縮短腦功能信號采集的總時間[4]。這對提高臨床病人的腦功能活動掃描效率和功能區的快速定位有很好的實際意義。

2 數據質量控制和儀器安全保障

儀器安全是最基本的要求，利用網絡設備可以解放人力，提高可靠性。數據質量是科學實驗成功的關鍵，更是科研嚴謹性的前提。數據質量控制方面工作的重要性不言而喻。數據質量控制從工程技術角度可以作多方面的努力。以3T磁共振成像系統為例，可以從機器本身的穩定性、機器之間的可比性角度入手;也可以從實驗對象，3T磁共振成像的實驗對象主要是人，可以開發模擬磁共振在正式實驗前進行訓練。

2.1 數據質量控制

2.1.1 質量控制軟件開發

磁共振團隊在實際科研的基礎上總結、提升、完善，形成了一套多中心磁共振結構和功能成像的質量控制方法[5]，并對包含了近10家單位聯合的多中心腦圖譜項目磁共振數據進行了質量控制，通過分析和比較，各中心的機器性能穩定，各中心之間部分各向異性均值的變異系數（CV）為8.2%，高于其他指標，各指標差異均存在統計顯著性（p<0.05）。

2.1.2 質量控制用水模制作

為了能夠更準確地運用更多參數進行質量控制，磁共技術團隊嘗試制作了多種水模，有用于定量測量磁共振弛豫時間的，用于測量磁共振彌散成像的，用于代謝物波譜成像的，還利用磁共振掃描得到的高分辨3D結構圖像，經過專業軟件處理，保留腦殼部分，用PLC材料進行3D打印得到外殼，再在腦部空腔內填充模擬人腦組織磁共振參數的特制凝膠，得到仿人腦水模。用靜電紡絲方法制作幾十微米量級粗細的同軸中控電紡絲，仿人腦神經元，相關的工作還在進一步完善和標準化。

2.1.3 磁共振模擬機的開發

磁共振掃描人體被試需要在幽閉的檢查孔里待較長時間，通常醫院磁共振檢查時間在15分鐘左右，科研磁共振掃描時間更長，通常在40分鐘左右甚至更長的時間，并且，掃描過程中有很大的噪音。如果能在磁共振掃描前，在模擬磁共振上先進行體驗、適應，可以消除被試的緊張感，在體驗的過程中解說檢查體味、注意事項，可以節省寶貴的磁共振掃描時間。特別是對兒童被試，通過事先體驗，增加親切感，可以免除打鎮靜劑。

結合兒童磁共振掃描需要，磁共振團隊開發了帶腦功能視聽覺刺激模塊的磁共振模擬機（見圖1）。磁共振模擬訓練裝置主要由機身、帶反光鏡的線圈、帶按鍵的視聽覺反饋模塊、電腦主機和顯示屏、貼合兒童喜好的軟裝幾部分組成。磁共振模擬機的設計過程除了注重安全和使用功能，選材和顏色還充分考慮兒童的喜好，基本實現了以下功能：兒童進入磁共振模擬機房間，有一種溫馨感、親切感，兒童樂意體驗。磁共振機身部分掃描床、檢查孔尺寸采用真機大小，掃描床可手動進床，機身部分采用小房子造型加彩色皮軟包，實現功能的同時增加趣味性。自制的頭線圈模型可上下蓋合，上面配有反光鏡，可以躺著看顯示屏。按鍵反饋系統，采用真機按鍵一比一大小，可以真實模擬任務態的整個過程。錄制了磁共振噪音，體驗過程中播放噪音，體驗過程更加真切。

磁共振模擬機有助于確認患者能否遵從磁共振檢查的要求，并且能否準備臨床掃描，從而減少了不必要的預約，節省了寶貴的掃描時間。

2.2 個性化開發磁共振設備網絡監測用攝像頭

磁共振成像儀器采用超導系統，為了確保液氦不揮發維持超導環境，壓縮機需要24小時工作。為了檢測壓縮機工作是否正常，磁共振團隊結合本科生的科研訓練計劃項目，個性化開發了高場磁共振支持設備的遠程監控系統，實現了壓縮機和空調系統的監測端攝像頭抓拍、圖片云端存儲、接收端APP界面設計、顯示。監控設備采用手機移動端對磁共振系統支持設備進行遠程、實時監控、長程記錄和及時報警，輕巧、便攜、可拆卸，且適用于黑暗、狹小的空間，實現無人值守，可有效降低設備故障造成的巨大經濟損失。

3 新序列開發

磁共振成像系統依托生物醫學工程專業，所在團隊引進了多位青年千人計劃研究員，和磁共振廠家緊密合作，開展超前于臨床的快速高分辨新序列開發，形成了一定的特色。其中實驗室自主開發了快速定量磁共振指紋圖譜技術，申請了專利，快速定量檢測的新方法和神經內科醫生緊密合作，用于癲癇疾病的病灶發現和精準定位，為手術治療提供指導，相關文章發表在Radiology等雜志上[6]。

正在開展的磁共振序列開發還有神經元髓鞘水定量成像、超高分辨彌散成像序列、化學轉移成像序列，正在和神經內科、口腔科、人腦庫等團隊聯合開展基礎和臨床研究。

4 總結和討論

儀器設備資源是高校科研院所的重要物質基礎，也是培養高質量人才和產出高質量科研成果的保障[7]。貴重大型儀器又是儀器設備中的戰斗機，從安全保障、數據質量控制、附屬設備開發、新序列開發等多角度拓展儀器潛力的同時，還可以多層次培養人才，多學科合作，形成多贏的局面。

儀器功能的拓展可以給本科生創造練手的機會，給實驗技術人員提供精進實驗技術、機器功能開發的機會，給基礎和臨床團隊提供使用技術支撐，吸引儀器共享用戶的同時，也為技術開發團隊拓展應用空間，也能和儀器供應商合作共贏，形成多方良性互動。

這種網絡平臺和技術開發相結合，拓展貴重儀器科研潛能的模式也有一定的局限性。貴重儀器需要依托工程技術背景的團隊，以技術開發為側重的科研和實際應用相結合，才能調動各方的積極性。這種模式也受限于儀器設備的戰斗力和生命周期。不管怎樣，這樣的模式有利而無弊，值得進一步探索。高校院所依托網絡平臺的配套技術開發也是儀器設備配套功能培育的好途徑，相關技術也可以通過企業進一步測試、整合，在高校院所內快速推廣，縮短技術更新迭代的時間。

參考文獻

[1] 梁思率，楊樹國，王臻，陶洪明，方馳.儀器共享平臺系統關鍵技術研究[J].2016，35（6）：277-279.

[2] 唐梅，宋興輝，李艷偉，章璐，楊晨.高校醫學大型儀器設備共享平臺的建設與思考[J].中國醫學教育技術，2017，31（3）：256-258.

[3] Cox R W，Jesmanowicz A，Hyde J S.Real-time functional magnetic resonanceimaging[J].Magnetic Resonance in Medicine，1995，33（2）：230-236.

[4] 何宏建，韓璐，丁秋萍，竇權，鐘健暉.具有實時反饋和任務更新功能的腦功能實驗任務刺激系統：中國，ZL201710249326.1[P].2018.

[5] 李晨，童琪琦，龔婷，何宏建，丁秋萍，鐘健暉.多中心擴散MRI的質量控制[J].中國醫學影像技術， 2019，35（1）：20-24.

[6] Congyu Liao，Kang Wang，Xiaozhi Cao，Yueping Li，Dengchang Wu，Huihui Ye，Qiuping Ding，Hongjian He，Jianhui Zhong*，Detection of lesions in mesial temporal lobe epilepsy by using MR fingerprinting[J].Radiology，2018（288）：804-812.