医学影像专业虚拟技术仿真实验平台,医学影像专业虚拟技术仿真教学平台
发布日期：2020-04-20 作者：武汉医学虚拟技术仿真教学平台 点击：
医学影像平台利用医学影像虚拟技术来创建X射线成像、核磁共振成像、超声波成像系统,解决了影像设备耗资太大,涉及辐射与防护等问题，实现影像成像原理与技术仿真应用教学。
虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容,是学科专业与信息技术深度融合的产物。医学影像学学生实践能力的培养仅依靠附属医院有限的仪器和相对传统的实验教学手段是不能达到应用型人才培养目标的,它弥补了传统医学影像实验教学中的诸多不足,学生可通过模拟的方式反复练习,并与传统教学模式相互补充、相互促进。医学影像教育中实验室开放和自主学习需要大量学习资源,模拟医学影像教育避免了医疗设备的不足和辐射等负面影响,虚拟仿真实验教学中心的建设便应运而生。开展模拟医学影像教育现已成为国际医学影像学教育的研究前沿和发展方向。
包含：临床核磁共振虚拟仿真系统
临床MR核磁共振虚拟仿真实验平台由三个模块组成：数字人MR扫描，数字MR图谱和MR仿真扫描模型。本实验仪采用虚拟核磁扫描技术对标准数字人体进行真实扫描，可得到任意权重图像；除可满足医学影像技术、医学影像诊断专业学生的MRI基本扫描实际操作，还可满足临床MRI技师针对核磁参数对图像对比度控制规律的培训学习，以及任意权重的人体断层影像解剖课程的教学资源。MR仿真扫描模型是为了满足对于设备结构、摆位操作等需求，配合虚拟临床MR仿真实验仪，满足医学影像检查技术等相关课程实验教学，用于摆位和扫描过程演示等实验。可满足医学影像物理学（或相关课程）、医学影像断层解剖学、医学影像检查技术等课程的实验教学需求。功能：
1. 以标准数字人头部数据模型作为虚拟扫描样本；
2. 可模拟四种典型场强（0.5T，1.0T，1.5T，3.0T）的设备虚拟成像；
3. 六种基本成像序列（SE、FSE、IR、GRE、M-EPI、Spiral-EPI）虚拟成像；
4. 可实现T1TW，T2TW，PdTW，T1-Flair，T2-Flair，T1-STIR，T2-STIR，T2*TW等权重图像；
5. 单幅图像虚拟扫描时间小于1s；
6. 可实现三个基本断面（T、S、C）及倾斜角（±30度）；
7. 15种成像序列参数任意设置，可实现序列图像任意对比度的显示；
8. 可实现不同摆位（头先进／脚先进，仰卧／俯卧）;
9. 多幅图像显示与浏览；
10. 保存与打开原始数据；
11. 保存与打开图像；
12. 扫描模型：包含机架（磁体、线圈（MR）），载床、人体模型的整机仿真模型（仿真比例1:6）；根据软件界面选择的断面；定位指示灯和自动进床功能；能自动将人体模型相应断面进床到磁体中心。
临床核磁扫描仪仿真模型技术参数：
1. 机架尺寸：60cm´50cm´45cm；机架厚度30cm；
2. 机架重量：20kg；
3. 仿真人体模型尺寸：30cm（男），28cm（女）；
4. 检查床可手动控制或软件控制或与临床核磁仿真软件联动控制；
5. 水平和垂直定位灯且可控制；
6. 可设置进床0位置；
7. 可实现一键进床到定位中心或从定位中心退出到0位置；
8. 可液晶实时显示检查床位置；
可进行摆位操作：头颈部、胸腹部、髋关节、四肢的检查摆位，如头／脚先进，仰／俯卧等；
MRI操作技术教学实践平台技术参数：
1. 可动态显示预扫描过程及信号表现;
2. 可保存与打开原始数据(mat格式);
3. 可保存与打开图像(jpg,IMA,DCM)；
4. 可编辑、存储与读取病人相关信息；
5. 基本图像后处理：测量感兴趣区的大小与距离、切片显示、窗宽窗位的调节、图像翻转等;
6. ★以标准数字人头部数据模型作为虚拟扫描样本；
7. ★可模拟四种典型场强（0.5T，1.0T，1.5T，3.0T）的设备虚拟成像；
8. 六种基本成像序列（SE、FSE、IR、GRE、M-EPI、Spiral-EPI）虚拟成像；
9. ★可实现T1TW，T2TW，PdTW，T1-Flair，T2-Flair，T1-STIR，T2-STIR，T2*TW等权重图像；
10. 单幅图像虚拟扫描时间小于1s；
11. 可实现三个基本断面（T、S、C）及倾斜角（±30度）；
12. ★不少于10种成像序列参数任意设置，可实现序列图像任意对比度的显示；
13. 可实现不同摆位（头先进／脚先进，仰卧／俯卧）;
14. 多幅图像显示与浏览；
图像缩放，移动，伪彩，负片，电影播放，灰度直方图，灰度均衡化等图像后处理或显示功能。
本仿真实验系统模拟小型CT实验仪的基本功能；采用虚拟CT数据采集和图像重建技术，分别扫描不同的密度分布样品和标准数字人，可实现第一代和第三代CT的动态数据采集和反投影重建功能，以及不同参数下的数字人CT图像，且做到了全部数据过程可视化。实验仪包含四个模块：笔形束成像原理、扇形束成像原理、数字人CT扫描、CT扫描模型（选配） 。满足医学影像成像理论（或类似课程）的CT成像原理部分教学；以及医学影像检查技术CT操作部分的模拟操作。
功能：
成像原理模块：针对笔形束成像原理和扇形束成像原理，可设置旋转角度，旋转步进，源心距等参数；由简单到复杂设计了7种固定样品模型，用户也可以自定义样品模型；可分别动态演示第一代和第三代CT扫描模式的探测器和球管的扫描运动过程，数据动态采集过程（即正弦图获取），滤波反投影过程和重建图像效果，以及探测器环损坏或响应不一致、DAS增益不一致、金属异物、球管打火等常见伪影等模拟功能。
数字人CT扫描模块：可设置X射线参数（kV、mA、S）；层面参数（层倾斜角度、层位、层数）；采集参数（旋转角度、步进角度）；矩阵大小以及图像显示参数（每页显示图像行列数、窗宽窗位调节等）；样品模版为数字人体（目前仅为头部）；可实现针对数字人的不同倾斜角度的单幅或多幅CT数据采集和图像重建效果，窗宽窗位调节效果等。
CT扫描模型模块：是为了满足对于设备结构、摆位操作等需求，结合感性认知开展实验，达到更好的效果。配合CT仿真实验仪，满足医学影像检查技术等相关课程实验教学，用于摆位和扫描过程演示等实验。其结构包含机架，载床、人体模型的整机仿真模型（仿真比例1:6）；根据软件界面选择的断面；定位指示灯和自动进床功能；CT机架具有倾斜功能。
分为原理子模块与操作技术子模块技术参数：
一、原理教学子模块：
1. 针对笔形束和扇形束成像原理，可设置旋转角度，旋转步进，源心距等参数的开放式操作实验；
2. 动画演示笔形束和扇形束CT的原始投影数据（正弦图）采集过程；
3. 由简单到复杂设计9种样品模型实验，用户也可以手绘自定义样品模型；
4. ★可分别动态演示第一代和第三代CT扫描模式的探测器和球管的扫描运动过程，数据动态采集过程（即正弦图获取），滤波反投影过程和最终的重建图像效果；
5. ★扇形束CT重建中，可选择使用不同加窗函数滤波器进行反投影重建，观察重建图像效果，包括Sinc窗，矩形窗，三角窗，汉宁窗，汉明窗，切比雪夫窗，布莱克曼窗和高斯窗等。可显示加窗滤波器的时域和频域波形；
6. ★常见伪影等模拟功能：探测器损坏或响应不一致、DAS增益不一致、金属异物、球管打火等常见伪影等模拟功能；
7. 空间分辨率和密度分辨率测试；
二、操作教学子模块：
8. 开机预热过程显示；
9. 可保存与打开原始数据(mat格式);
10. 可保存与打开图像(jpg,IMA,DCM)；
11. 基本图像进行后处理：如测量感兴趣区的大小与距离、窗宽窗位的调节、切片显示、图像翻转、图像显示幅面等；
12. 可编辑、存储与读取病人相关信息；
13. 成像参数：X射线参数（kV、mA、S）可调节，并实时显示对图像的影响；
14. 可调节层面参数（层倾斜角度、层位、层数）、采集参数（旋转角度、步进角度）；采集矩阵大小；扫描方向，病人体位，扫描距离，螺旋/常规扫描等设置；
15. ★样品模版为数字人体；可实现针对数字人的不同倾斜角度的单幅或多幅CT数据采集和图像重建效果等；
16. 图像缩放，移动，伪彩，负片，电影播放，灰度直方图，灰度均衡化等图像后处理或显示功能。
★配套实验教材，可开展不少于8个学时的教学实验，教学实验内容与前指标完全相关。
数字化台式核磁共振虚拟仿真实验系统包含四个模块：核磁共振基础模块、MR成像与伪影模块、弛豫和扩散测量模块与波谱分析模块。前两个模块采用开放式虚拟核磁扫描技术动态采集油／水试管样品或颅脑模版，可动态显示核磁共振数据采集和图像重建过程，通过参数的任意调整对信号和图像的影响规律以及伪影的表现和成因分析，从而实现根本上掌握核磁成像原理。弛豫和扩散测量模块是模拟仿真核磁共振弛豫分析仪的基本功能，可用于直观快速的学习了解核磁共振弛豫分析技术的原理；可用于弛豫谱相关专业人员的早期自学原理和操作，熟悉参数的设置规则；也可以用于实际测试样品的信号和弛豫谱结果比对参考。波谱分析模块，可以设置常见基团（如甲基，亚甲基等）的氢原子个数、相关的J耦合系数、化学位移等，通过对其FID信号的获取，经过FFT变换后可以得到其相应的波谱分布。本仿真实验仪适用于医学影像技术、生物医学工程、医学影像工程专业对于核磁共振成像原理的实操实验教学。
功能：
1. 原理演示动画：13 分钟，带配音；
2. 预扫描功能：中心频率确定，射频脉冲角度确定，有源匀场，线圈调谐匹配；
3.成像功能：不少于 7 种成像序列（SE,FSE,GRE,IR,1Decoding, SE-EPI,SPIRAL-EPI）的数据采集与图像重建功能；
4. 伪影分析功能；能开展不少于 10 种伪影(卷褶伪影、截断伪影、化学位移伪影、射频干扰、中心点伪影、中心线伪影、拉链伪影、运动伪影、镜像伪影、位置偏离、条纹伪影) 的表现，以及成因分析。
5. 可模拟仿真核磁共振弛豫谱的一维和二维弛豫分析技术的数据采集和弛豫谱反演过程（采用TSVD算法实现）和结果；
6. 可实现T1弛豫时间，T2弛豫时间，D（扩散系数）一维弛豫分析技术的数据模拟采集和反演实现等；
7. 可实现D-T2，T1-T2等二维弛豫谱的数据采集和二维反演功能；
8. 显示一维和二维弛豫谱序列（包括IR、SR、CPMG、PGSE、PGSE-CPMG、IR-CPMG）的序列图；
9. 可按照比例选择两种样品（一种为T1、T2和扩散参数都固定不变的油样，另一种为T1、T2和D随浓度变化的弛豫剂溶液（本项目选用五水硫酸铜））的混合物作为检测样品；
10. 数据采集和反演参数都可调；
11. 对有机高分子可实现波谱的演示分析，可对其J耦合和化学位移进行相应的设置。
MRI成像原理与伪影分析仿真系统技术参数：
（一）基础原理子模块（MRsim3.0）
1. 具有原理演示动画：不少于10分钟
2. 预扫描功能：中心频率确定，射频脉冲角度确定，有源匀场，线圈调谐匹配；
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 种成像序列（SE, FSE, GRE, IR, 1D coding, SE-EPI, SPIRAL-EPI）的数据采集与图像重建功能；
5. ★可动态显示原始数据采集和K空间填充过程；
6. 可选择常规速度扫描显示或加速模式显示功能，以提高实验效率；
7. 15种成像参数可任意设置后虚拟扫描，得到不同图像效果；
8. 成像用样品模型的组织类型可任意组合；
9. 可保存原始k空间数据和图像；
10. ★伪影分析功能；能开展不少于10 种伪影(卷褶伪影、截断伪影、化学位移伪影、射频干扰、中心点伪影、中心线伪影、拉链伪影、运动伪影、镜像伪影、位置偏离、条纹伪影) 的表现，以及成因分析；
11. 配套实验教材，可开设不少于8个学时实验项目；
（二）弛豫时间定量测量子模块（Relaxsim1.0）：定量MRI基础原理
1. 可模拟仿真核磁共振弛豫谱的一维和二维弛豫分析技术的数据采集和弛豫谱反演过程（采用TSVD算法实现）和结果；
2. 可实现T1弛豫时间，T2弛豫时间，D（扩散系数）一维弛豫分析技术的数据模拟采集和反演实现等；
3. ★可实现D-T2，T1-T2等二维弛豫谱的数据采集和二维反演功能；
4. 显示一维和二维弛豫谱序列（包括IR、SR、CPMG、PGSE、PGSE-CPMG、IR-CPMG）的序列图；
5. 可按照比例选择两种样品（一种为T1、T2和扩散参数都固定不变的油样，另一种为T1、T2和D随浓度变化的弛豫剂溶液（本项目选用五水硫酸铜））的混合物作为检测样品；
6. 数据采集和反演参数都可调；
7. 对有机高分子可实现波谱的演示分析，可对其J耦合和化学位移进行相应的设置；
8. ★以上模块都配套实验教材，可开展不少于5个学时的教学实验，教学实验内容以上技术参数完全相关。
DR虚拟数字X线成像仿真实验系统
本仿真实验系统模拟X射线产生与检测的物理原理，和临床CR/DR设备的基本操作及图像质量控制功能。包含三个独立的模拟模块：X射线物理模块、DR摄影技术模块、图像质控（调节）模块。满足医学影像成像理论（或类似课程）的X射线物理和DR成像原理部分教学，以及医学影像检查技术课程的DR操作实验。
功能：
X射线物理模块：主要用于帮助教师更好对学生进行一些抽象物理概念与理论的教学。采用目前世界上最先进的X射线产生数据模型和热效应模型，可以实时的准确模拟计算患者的照射剂量和相应的球管热量。随着患者对健康的更为关注，对医学影像技术人员的基础知识要求更高，而对基础知识掌握可以帮助他们更好的减少病人的照射剂量。
DR摄影技术模块：主要用于学生对DR成像过程的操作与实践，同时也为教师提供了一种节约成本与时间的有效实验模式。学生可以通过本模块在一台桌面电脑上完成全部的DR操作实验。既可以满足教师现场教学，也可以满足学生课后通过网络自学的要求。
图像质量控制模块：主要满足对大批量学生同时进行的DR图像随多参数实时变化分析的教学需求，教师可以通过软件对图像进行各种参数调节（例如射线能量的调节、感兴趣区大小的调节、旋转和扭曲等），给学生一个直观的了解。
技术参数：
1. 可模拟病人注册功能，相应信息可保存可 调取；2. 可读取DICOM、JPG、等常见数据格式图像；3. 可保存实验图像为DICOM，jpg等；4. 可显示图像的直方图，可实时手动调整窗宽窗位；5. 可一键自动调节到最佳窗宽窗位；6. 可对成像结果进行长度测量；7. ★X射线性质实验功能：不同曝光参数（kV，mA，曝光时间）与射线的能谱关系（边界吸收限），可交互式放大、缩小、平移、测量谱线数据，谱线图像可保存为JPG格式；8. ★可实时计算不同曝光参数下的比释动能（照射剂量）、照射量、平均能量、平均波长等，相应数据可保存为Excel表格；9. 可测量至少四种材料（水、铝片、铜片、铅片）在不同厚度情况下的比释动能、照射量及相应的半价层；10. 可模拟真实环境下DR人体检查技术场景，包括立式、卧式检查，常见摆位操作，可对球管、床、人体进行不同空间参数的调整（角度，高度，水平位置等），成像结果与以上的调整联动；11. ★至少包括人体头部；胸部；腹部、脚踝等人体部位的数字人数据库，该数据库被程序调用，可模拟真实条件下不同曝光参数下图像的变化：12. 可用线对模板开展空间分辨率实验，可模拟不同曝光参数、不同源像距（SID）、不同源物距（SOD）对分辨率的影响。
PET基本原理模块功能：1. 可选择8种模拟样品开展二维PET实验；2. 可动态显示PET原始采集数据正弦图的填充过程；3. 可动态显示PET图像重建的过程；4. 配有动画显示正电子发射、湮灭、光子传播和符合探测等全过程；5. 可任意设置探测器环半径、探测器尺寸、样品活度、扫描时间等采集参数；6. 可选择原始的BP算法或FBP算法进行重建图像；7. 可选择8种不同的滤波函数（斜坡函数、SINC、Hann、Hamm、Butterworth、Triangle、Blackman、Gaussian）进行重建并观察重建图像效果；8. 可选择1/2/4等三种空间分辨率增强模式观察重建图像效果；9. 可显示放射衰变事件计数和光子对探测计数；10. 可三维立体显示原始正弦图数据和重建PET图像；11. 可保存原始正弦图数据（mat格式）和PET图像（jpg或png格式）；12. 可测量理想空间分辨率和探测灵敏度；13. 可测量任意选定圆形区域内的均值、方差和信噪比；14. PET人脑显像模块功能：15. 可选择人脑模板的不同断面开展二维PET显像实验；16. 可设置不同个数的Tumor区域进行模拟实验；17. 可动态显示PET原始采集数据正弦图的填充过程；18. 可动态显示PET图像重建的过程；19. 可任意设置探测器环半径、探测器尺寸、样品活度、扫描时间等参数；20. 可切换显示原始断层、活度图、活度+Tumor图、原始数据正弦图、重建PET图像；可给出分辨率、信噪比、光子探测计数等实验结果。
