磁共振虛擬仿真技術的應用

陳國勇，汪紅志，唐鶴菡，袁元，蔡磊，潘志祥，王紫薇，李真林

1. 四川大學華西醫院 放射科，四川 成都 610041；2. 華東師范大學上海市磁共振重點實驗室，醫學影像人工智能研究中心，上海 200062

引言

虛擬仿真是除了理論和實驗之外的第三種研究方法，廣泛應用于科技、國防、工業及其他人類生產生活的各個方面[1]。磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一門量子物理學、醫學、數學、電子技術學和計算機技術等諸多學科交叉的綜合性學科，數據樣本巨大，理論抽象，其設備昂貴，結構復雜，虛擬仿真技術貫穿于磁共振設備論證、研制、生產、使用和維護等全過程[2-3]。虛擬仿真技術也用于MRI過程，用于成像方法或成像序列的仿真研究[4-10]。國際國內開展的磁共振虛擬仿真研究，其目的是為磁共振序列方法研究提供仿真對比研究，是離散的知識點可視化，沒有形成系統性，也無法全部展現復雜的MRI原理和整個成像過程，針對磁共振抽象理論可視化的批量實驗教學目的的研究屈指可數。為了很好地將虛擬仿真技術應用到磁共振原理教學中，在臺式MRI教學儀的基礎上進行全功能模擬仿真，將樣品、硬件、環境以及掃描參數有機地融合到數學模型中，再通過GUI界面編程，界面模擬仿真臺式磁共振教學儀軟件的界面，參數名稱和設定范圍也都基本一致，可完成磁共振虛擬仿真實驗平臺的開發[11-12]。應用該仿真平臺，不需要任何硬件支持，學習者可以得到與操作真實教學儀完全相同的實驗體驗，且實驗過程、實驗結果與真機基本一致。

1 磁共振虛擬仿真實驗平臺開發思路

傳統的虛擬仿真是基于動畫、聲音、視頻等多媒體技術，主要強調實際可見的結構、場景以及流程的感性認知模擬，圖像也主要來源于臨床設備，采用預先存儲然后選擇調用的模式，數量有限，且無法體現數據獲取和圖像重建過程。

基于數值仿真技術的磁共振虛擬仿真實驗平臺是指通過一套不需要任何硬件設備支撐就可以完成實驗項目的計算機虛擬軟件，與真實的儀器一樣具有交互式操作界面，將真實臨床界面的固化操作轉變為原理參數的開放式操作，通過改變參數，可以觀察磁共振數據采集、信號處理、圖像重建及圖像權重變化的整個過程，了解參數改變導致磁共振信號和圖像變化的本質，達到通過實驗更好地掌握原理的目的，在完全脫離硬件設備的情況下，獲得與硬件成像教學儀相仿的實驗效果[13-14]。為磁共振原理教學提供了一個更快速、高效的實踐操作平臺。圖1為基于數值仿真技術的磁共振虛擬仿真實驗平臺設計思路。

圖1 基于數值仿真技術的磁共振虛擬仿真實驗平臺設計思路

2 磁共振虛擬仿真實驗平臺在磁共振理論教學中的應用

MRI原理涉及大量的物理學、數學及電子計算機技術等理工科知識，其成像原理內容十分復雜抽象[15-16]，對于醫科學生來說，如不借助具象化的實驗教學，很難理解和掌握，傳統單一的理論教學嚴重影響學生的學習積極性和教學效果。此外，臨床磁共振設備廠商為了降低操作難度，提高使用效率，通常將掃描序列包和掃描參數進行固化，學生難以通過具體圖像的特點調整序列參數，不利于學生對成像原理以及參數對圖像影響的理解。因此，臨床磁共振設備并不能很好地用于MRI理論教學。

為了解決以上問題，提高磁共振理論的教學效果，小型磁共振實驗儀被廣泛應用于實驗教學，其具有價格相對較低、參數能夠任意更改和設置、數據采集過程比較開放等優勢。雖然取得了良好的教學效果，但其仍然存在許多不足[17]，主要表現為：① 專用磁共振實驗教學儀價格較高，不能開展規模化的實驗教學；② 實驗教學儀一些硬件指標無法滿足高端成像序列的要求，無法實現全部的磁共振理論教學；③ 實驗教學儀進行某些實驗的時間太長，教學效率低；④ 實驗教學儀容易出現故障，教學效果得不到保障。

基于數值仿真技術的磁共振虛擬仿真實驗平臺完全可以避免使用硬件教學儀可能存在的場強不均勻、成像速度慢及教學儀數量不足等問題，在完全滿足和實現硬件實驗儀所有實驗功能的同時，還可實現原來硬件實驗儀無法實現的所有磁共振高端成像序列的實驗。在實驗過程中，通過選擇和采用加速模式，磁共振虛擬仿真實驗平臺可實現與實際磁共振序列參數完全相同的實驗模擬效果，極大地提高了實驗效率；在成像過程中，磁共振虛擬仿真實驗平臺可以對不同場強、磁場均勻性及電子學噪聲程度等影響MRI的常見因素進行仿真模擬，對相同樣品或不同組織設置不同的序列和參數進行成像效果對比，有助于幫助學習者了解不同技術參數、不同序列及不同組織和環境因素對磁共振信號和圖像的影響，從而讓學習者可以直觀、全面地了解MRI的整個過程及其影響因素。

磁共振虛擬仿真實驗平臺可在大大降低成本的前提下，允許開展大批量、高質量、高效率、高端的模擬教學實驗。目前，通過磁共振虛擬仿真平臺能夠開展和實現的虛擬仿真實驗主要有電子勻場、測量FID信號頻譜、測定拉莫爾頻率、確定射頻脈沖角度、常用序列的各種權重成像、脂肪抑制和水抑制技術、半傅里葉采集技術以及顯示卷褶偽影、化學位移偽影、截斷偽影等[18]（圖2～3）。

圖2 測量FID 信號頻譜

圖3 截斷偽影顯示

磁共振虛擬仿真實驗平臺已在全國多所院校與醫院投入使用，其中包括四川大學華西醫院、山東第一醫科大學、首都醫科大學、西安醫學院、美國麻省大學、江西中醫藥大學、河北醫科大學、廣西醫科大學、中國醫學科學院腫瘤醫院、齊魯醫藥學院等，基于該仿真實驗平臺的實驗教材也已在人民衛生出版社出版[19]。

3 磁共振虛擬仿真技術在AI+MRI樣本增廣的應用

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是近來興起的各個領域都研究很熱的項目。其中，訓練樣本是AI研發的關鍵因素，基于AI+MRI的影像診斷項目也得到相應的研究和開發，在研發過程中，一個最主要的瓶頸問題是訓練樣本類型以及有效標注數量均難以滿足其研發需求。基于磁共振虛擬仿真技術的思路，應用臨床磁共振設備對健康志愿者或陽性病例進行常規和有針對性的、重點突出病變區域的磁共振定量掃描，獲取正常志愿者和病灶區域的物理信息，利用磁共振虛擬仿真技術對采集到的信息（相當于數字人體樣本）進行虛擬掃描和數據采集，對原始數據進行相應的整合和處理后獲得各向同性且具有高分辨率和高信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）的橫向弛豫時間（T2）、縱向弛豫時間（T1）、質子密度（Pd）以及表觀擴散系數（Apparent Diffusion Coefficient，ADC）等物理信息的多維數據矩陣，通過虛擬重建得到大量不同參數、不同序列的各種加權磁共振圖像。這些圖像的權重、分辨率、SNR和b值等各不相同，因此可極大地增廣訓練樣本的種類和數量。

選擇感興趣內邊界顯示最為清晰的圖像種類，讓經驗豐富的影像科醫生和技師對感興趣區邊界進行手動勾畫，同時通過軌跡跟蹤形成三維mask標注矩陣，作為其他種類磁共振圖像的勾畫標注模板，由于信息來源于同一個病例，因此只用進行一次標注就可完全覆蓋此次生成的所有樣本標注，從而實現快速、高效、經濟的磁共振樣本增廣和批量標注模型。

磁共振虛擬仿真技術以臨床少量陽性病例作為輸入，進行樣本增廣和有效標注，能夠很好地輸出足夠數量的不同種類和權重的磁共振圖像，為基于AI+MRI的影像診斷研發提供大量且有效的訓練數據，有效減少了AI對實際掃描樣本數量的要求，極大地節約了時間成本和經濟成本[20]。AI+MRI訓練樣本增廣與批量標注的具體流程如圖4所示。

4 磁共振虛擬仿真在臨床磁共振掃描和數字圖譜中的應用

GE公司的Magic序列[21]，一次掃描可獲得六個序列圖像，其本質就是磁共振虛擬仿真成像技術。一次掃描得到受檢部位的每個體素的基本組織參數圖（如T1、T2、Pd、ADC等），然后由計算機虛擬技術計算得到不同序列不同參數下的各種權重圖像，如T1WI、T2WI、T1-Flair、T2-Flair、STIR、PdWI等。同樣，Siemens公司和Philips公司的mapping技術，則是先分別通過T1-mapping和T2-mapping技術得到T1、T2和Pd圖像，再經專用的后處理虛擬軟件計算得到不同權重的圖像。

圖4 AI+MRI訓練樣本增廣與批量標注

基于磁共振虛擬仿真技術，對于正常人體或典型疾病病灶部位，經過高分辨各向同性的mapping技術后，將形成一個數字人體模型。應用該模型，可以完成數字磁共振圖譜的研發。相對于目前的紙質版圖譜而言，該數字圖譜能夠獲得任意斷面、任意序列和任意權重的磁共振圖像，理論上可以輸出無限多幅圖像，對于醫學影像診斷醫生和影像技師的培養以及非常見磁共振圖像的對比研究具有潛在價值。

5 討論

隨著計算機技術的不斷發展，虛擬仿真技術很早就開始用于系統或方法開發中的數值計算模擬和驗證對比，比如核物理與核技術系統的研究開發等。但將數值模擬應用于抽象理論和大型設備系統的實驗教學，則非常少見。

2018年，在第十一屆“中國大學教學論壇”上，教育部高教司司長提出了建設中國五大“金課”的規劃，并作題為《建設中國金課》的報告，其中建設虛擬仿真“金課”，是一大重要任務和目標，報告強調虛擬仿真是一種新的教育生產力，虛擬仿真“金課”的開設是“智能+教育”的創新一招，建設虛擬仿真“金課”，可有效破解高校實驗實訓教學老大難問題，使原來“做不了”“做不上”“做不好”的實驗實訓教學得以很好地解決[22]。

磁共振虛擬仿真實驗平臺切合虛擬仿真“金課”開設的要求，具有很強的前沿性和創新性。該平臺應用虛擬仿真技術解決磁共振理論教學中的實際問題，通過開展磁共振預掃描、成像以及偽影成因分析等實驗項目，幫助學生了解MRI的整個過程，并可通過調整參數觀察信號和圖像變化規律，將空洞抽象的磁共振理論內容形象化、具體化、可視化，讓學生更好地實現對磁共振理論知識的學習、理解和掌握，能有效激發學生的學習積極性和主動性。

AI是最近各個領域都很火的研究項目，訓練樣本是其研發的關鍵因素，磁共振虛擬仿真技術能夠很好地解決訓練樣本的有效標注數量和類型無法滿足研發需求的瓶頸問題，具有很高的實用價值。快速高效的臨床磁共振掃描一直是各大醫療機構及磁共振設備生產廠商極力追求的目標，近年發展起來的很多快速成像序列，其理論基礎和本質都是虛擬仿真技術在臨床磁共振中的應用。

6 討論

磁共振虛擬仿真技術主要面向磁共振抽象理論的批量化可視化實驗教學需求，創新性地開展了相關磁共振虛擬仿真實驗平臺的開發工作和教學實踐，極大地提升和增強了學生的學習興趣和主動性，教學效果得到了顯著提升。該項目的實施，對于涉及到大型昂貴設備、占用場地大、有電離輻射傷害、有危險性、實驗效率低、數據樣本巨大、理論抽象、至大或至微時空等相關學科的實驗教學，應用科研常用的虛擬仿真技術開展仿真實驗平臺開發和實驗項目建設，具有較好的借鑒意義。

此外，磁共振虛擬仿真技術在AI+MRI醫學影像智能診斷的樣本增廣、提高臨床MRI的掃描效率等方面有著極其廣闊的應用前景。

但仿真技術的本質還是仿，與真實設備還是有區別，只有不斷地逼近真實，提升仿真對象的逼真度，其應用價值才會越來越高。對于不同的仿真系統，其逼真度的決定因素也有不同。磁共振虛擬仿真的原始數據采集和圖像重建都是確定性的，其逼真度和真機差異不大，影響其仿真效果的主要因素是掃描樣本，即數字人體模型的構建。構建一個能完全反應真實人體，尤其是典型疾病病灶的人體模型，將進一步提高磁共振虛擬仿真技術的應用價值。