醫(yī)學影像專業(yè)虛擬技術仿真實驗平臺,醫(yī)學影像專業(yè)虛擬技術仿真教學平臺
醫(yī)學影像平臺利用醫(yī)學影像虛擬技術來創(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仿真應用教學。
虛擬仿真實驗教學是高等教育信息化建設和實驗教學示范中心建設的重要內(nèi)容,是學科專業(yè)與信息技術深度融合的產(chǎn)物。醫(yī)學影像學學生實踐能力的培養(yǎng)僅依靠附屬醫(yī)院有限的儀器和相對傳統(tǒng)的實驗教學手段是不能達到應用型人才培養(yǎng)目標的,它彌補了傳統(tǒng)醫(yī)學影像實驗教學中的諸多不足,學生可通過模擬的方式反復練習,并與傳統(tǒng)教學模式相互補充、相互促進。醫(yī)學影像教育中實驗室開放和自主學習需要大量學習資源,模擬醫(yī)學影像教育避免了醫(yī)療設備的不足和輻射等負面影響,虛擬仿真實驗教學中心的建設便應運而生。開展模擬醫(yī)學影像教育現(xiàn)已成為國際醫(yī)學影像學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對標準數(shù)字人體進行真實掃描，可得到任意權重圖像；除可滿足醫(yī)學影像技術、醫(yī)學影像診斷專業(yè)學生的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)律的培訓學習，以及任意權重的人體斷層影像解剖課程的教學資源。MR仿真掃描模型是為了滿足對于設備結構、擺位操作等需求，配合虛擬臨床MR仿真實驗儀，滿足醫(yī)學影像檢查技術等相關課程實驗教學，用于擺位和掃描過程演示等實驗。可滿足醫(yī)學影像物理學（或相關課程）、醫(yī)學影像斷層解剖學、醫(yī)學影像檢查技術等課程的實驗教學需求。功能：
1. 以標準數(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斷面進床到磁體中心。
臨床核磁掃描儀仿真模型技術參數(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、髖關節(jié)、四肢的檢查擺位，如頭／腳先進，仰／俯臥等；
MRI操作技術教學實踐平臺技術參數(shù)：
1. 可動態(tài)顯示預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)、圖像翻轉等;
6. ★以標準數(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，分別掃描不同的密度分布樣品和標準數(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)學影像成像理論（或類似課程）的CT成像原理部分教學；以及醫(yī)學影像檢查技術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，可設置旋轉角度，旋轉步進，源心距等參數(shù)；由簡單到復雜設計了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（即正弦圖獲取），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：是為了滿足對于設備結構、擺位操作等需求，結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)學影像檢查技術等相關課程實驗教學，用于擺位和掃描過程演示等實驗。其結構包含機架，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子模塊技術參數(shù)：
一、原理教學子模塊：
1. 針對筆形束和扇形束成像原理，可設置旋轉角度，旋轉步進，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. 由簡單到復雜設計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?。?，濾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?？娠@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、操作教學子模塊：
8. 開機預熱過程顯示；
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、圖像顯示幅面等；
12. 可編輯、存儲與讀取病人相關信息；
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)（旋轉角度、步進角度）；采集矩陣大?。粧呙璺较?，病人體位，掃描距離，螺旋/常規(guī)掃描等設置；
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個學時的教學實驗，教學實驗內(nèi)容與前指標完全相關。
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習了解核磁共振弛豫分析技術的原理；可用于弛豫譜相關專業(yè)人員的早期自學原理和操作，熟悉參數(shù)的設置規(guī)則；也可以用于實際測試樣品的信號和弛豫譜結果比對參考。波譜分析模塊，可以設置常見基團（如甲基，亞甲基等）的氫原子個數(shù)、相關的J耦合系數(shù)、化學位移等，通過對其FID信號的獲取，經(jīng)過FFT變換后可以得到其相應的波譜分布。本仿真實驗儀適用于醫(yī)學影像技術、生物醫(yī)學工程、醫(yī)學影像工程專業(yè)對于核磁共振成像原理的實操實驗教學。
功能：
1. 原理演示動畫：13 分鐘，帶配音；
2. 預掃描功能：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耦合和化學位移進行相應的設置。
MRI成像原理與偽影分析仿真系統(tǒng)技術參數(shù)：
（一）基礎原理子模塊（MRsim3.0）
1. 具有原理演示動畫：不少于10分鐘
2. 預掃描功能：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，可開設不少于8個學時實驗項目；
（二）弛豫時間定量測量子模塊（Relaxsim1.0）：定量MRI基礎原理
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耦合和化學位移進行相應的設置；
8. ★以上模塊都配套實驗教材，可開展不少于5個學時的教學實驗，教學實驗內(nèi)容以上技術參數(shù)完全相關。
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設備的基本操作及圖像質量控制功能。包含三個獨立的模擬模塊：X射線物理模塊、DR攝影技術模塊、圖像質控（調(diào)節(jié)）模塊。滿足醫(yī)學影像成像理論（或類似課程）的X射線物理和DR成像原理部分教學，以及醫(yī)學影像檢查技術課程的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生進行一些抽象物理概念與理論的教學。采用目前世界上最先進的X射線產(chǎn)生數(shù)據(jù)模型和熱效應模型，可以實時的準確模擬計算患者的照射劑量和相應的球管熱量。隨著患者對健康的更為關注，對醫(yī)學影像技術人員的基礎知識要求更高，而對基礎知識掌握可以幫助他們更好的減少病人的照射劑量。
DR攝影技術模塊：主要用于學生對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模式。學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，也可以滿足學生課后通過網(wǎng)絡自學的要求。
圖像質量控制模塊：主要滿足對大批量學生同時進行的DR圖像隨多參數(shù)實時變化分析的教學需求，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)、旋轉和扭曲等），給學生一個直觀的了解。
技術參數(shù)：
1. 可模擬病人注冊功能，相應信息可保存可 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. 可對成像結果進行長度測量；7. ★X射線性質實驗功能：不同曝光參數(shù)（kV，mA，曝光時間）與射線的能譜關系（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、照射量及相應的半價層；10. 可模擬真實環(huán)境下DR人體檢查技術場景，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)等實驗結果。
