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(tái)建設(shè)方面取得了很大的進(jìn)展。在當(dāng)前信息化技術(shù)迅速發(fā)展的背景下，如何通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)及配套技術(shù)開發(fā)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(gè)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(tǒng)為例，從自動(dòng)安全監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析、新序列開發(fā)以及實(shí)時(shí)磁共振、磁共振模擬機(jī)等配套設(shè)備開發(fā)角度，闡述依托工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)，借助網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用相結(jié)合拓展儀器科研潛能的實(shí)例。這種基于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，開發(fā)應(yīng)用相結(jié)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(guān)鍵詞：磁共振成像;網(wǎng)絡(luò)平臺(tái);質(zhì)量控制;儀器利用率

中圖分類號(hào)：R197.39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）02-0220-03

0 引言

貴重大型儀器是科研的重器，價(jià)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(tái)建設(shè)方面取得了很大的進(jìn)展，如清華大學(xué)、浙江大學(xué)等高校利用信息技術(shù)手段，建設(shè)了規(guī)范、高效的通用型及專業(yè)型大型儀器共享平臺(tái)[1-2]，在儀器設(shè)備信息查閱、預(yù)約、財(cái)務(wù)結(jié)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(shù)據(jù)采集功能，還有很多值得開發(fā)、拓展和完善的空間，而這些空間對(duì)于創(chuàng)新性的科研工作來說往往是如虎添翼。目前，通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)及配套技術(shù)開發(fā)提高儀器的性能、拓展儀器的功能，進(jìn)而提高儀器的高效有效利用，很少有文章系統(tǒng)論述。

本文將以3T磁共振成像系統(tǒng)為例，介紹技術(shù)開發(fā)和科研應(yīng)用相結(jié)合的實(shí)例?？蒲杏么笮蛢x器3T磁共振成像系統(tǒng)的管理依托工程院系，除了配置成熟的產(chǎn)品，如腦功能視聽覺刺激系統(tǒng)、MRI同步采集腦電系統(tǒng)、眼動(dòng)系統(tǒng)。為了充分施展科研用貴重儀器設(shè)備的潛質(zhì)，依托工程類專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)，在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和配套技術(shù)開發(fā)方面做了大量探索，進(jìn)一步拓展功能，深挖儀器設(shè)備的科研潛能。這種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和一起開發(fā)相結(jié)合的做法，好比給儀器設(shè)備戴上救生圈，為儀器設(shè)備保駕護(hù)航，給儀器設(shè)備插上翅膀，助推儀器施展科研潛能，提高儀器利用率。

1 數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸、可靠存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)分析

磁共振成像的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像傳輸協(xié)定（Digital Imaging and Communication in Medicine，DICOM）圖像數(shù)據(jù)和原始K空間數(shù)據(jù)，一個(gè)被試的DICOM數(shù)據(jù)通常是幾百兆到幾個(gè)吉字節(jié)（Gigabyte，GB），原始采集空間數(shù)據(jù)則更大，幾個(gè)GB到幾百個(gè)GB不等。上百個(gè)被試大隊(duì)列的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全稱得上大數(shù)據(jù)。這么大量的數(shù)據(jù)，快速、便捷、穩(wěn)定的傳輸和存儲(chǔ)對(duì)于科學(xué)實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。作者所在磁共振團(tuán)隊(duì)協(xié)同企業(yè)開發(fā)了數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸、可靠存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程分析系統(tǒng)。

1.1 DICOM圖像數(shù)據(jù)影像數(shù)據(jù)同步實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)同步實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)事先與磁共振成像儀器和服務(wù)器的對(duì)接，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)獲取Dicom數(shù)據(jù)，并對(duì)獲取的Dicom數(shù)據(jù)頭文件信息智能解析，將Dicom數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)目錄進(jìn)行存儲(chǔ)。Dicom數(shù)據(jù)可以按被試名、掃描時(shí)間等信息進(jìn)行快速檢索。

1.2 影像數(shù)據(jù)計(jì)算平臺(tái)

為了方便影像大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程并行計(jì)算分析，團(tuán)隊(duì)協(xié)同企業(yè)在數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)了影像數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，分為用戶訪問層、計(jì)算層、數(shù)據(jù)層。設(shè)置影像數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理、SSH終端、Linux桌面等功能模塊，影像數(shù)據(jù)計(jì)算存儲(chǔ)平臺(tái)通過這些功能模塊訪問。

Linux桌面為用戶提供獨(dú)立的通過瀏覽器工作的遠(yuǎn)程Linux工作環(huán)境。通過Web瀏覽器，可訪問Linux桌面，以圖形化界面訪問計(jì)算資源。Linux桌面中可運(yùn)行圖形化界面的軟件，環(huán)境中集成了基本的系統(tǒng)工具和一些常用的磁共振數(shù)據(jù)分析應(yīng)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(jì)算等計(jì)算機(jī)方法加速大規(guī)模數(shù)據(jù)分析效率，為大隊(duì)列多模態(tài)的磁共振數(shù)據(jù)快速計(jì)算提供了強(qiáng)大的支撐。

1.3 實(shí)時(shí)功能磁共振

快速可靠的數(shù)據(jù)傳輸為實(shí)時(shí)功能磁共振技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)。

功能磁共振成像利用磁共振來測(cè)量神經(jīng)元活化引發(fā)的血液動(dòng)力學(xué)的改變，間接檢測(cè)大腦功能區(qū)域，是人們研究人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)作用機(jī)制的重要途徑。然而，大多數(shù)功能磁共振研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)進(jìn)行線下處理后得到，無法實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)被試的配合程度，更無法實(shí)時(shí)反饋給被試進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)。為此，Cox等人率先提出實(shí)時(shí)功能磁共振成像實(shí)現(xiàn)了在與采集速度比擬的時(shí)間里完成功能圖像數(shù)據(jù)的處理[3]。

浙大磁共振團(tuán)隊(duì)從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)磁共振過程，并可以根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受試者的任務(wù)響應(yīng)水平，并根據(jù)受試者的任務(wù)情況決定后續(xù)將要呈現(xiàn)給受試者的刺激材料，靈活地調(diào)整多階段功能任務(wù)掃描的時(shí)長(zhǎng)，幫助縮短腦功能信號(hào)采集的總時(shí)間[4]。這對(duì)提高臨床病人的腦功能活動(dòng)掃描效率和功能區(qū)的快速定位有很好的實(shí)際意義。

2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和儀器安全保障

儀器安全是最基本的要求，利用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以解放人力，提高可靠性。數(shù)據(jù)質(zhì)量是科學(xué)實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵，更是科研嚴(yán)謹(jǐn)性的前提。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面工作的重要性不言而喻。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制從工程技術(shù)角度可以作多方面的努力。以3T磁共振成像系統(tǒng)為例，可以從機(jī)器本身的穩(wěn)定性、機(jī)器之間的可比性角度入手;也可以從實(shí)驗(yàn)對(duì)象，3T磁共振成像的實(shí)驗(yàn)對(duì)象主要是人，可以開發(fā)模擬磁共振在正式實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行訓(xùn)練。

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

2.1.1 質(zhì)量控制軟件開發(fā)

磁共振團(tuán)隊(duì)在實(shí)際科研的基礎(chǔ)上總結(jié)、提升、完善，形成了一套多中心磁共振結(jié)構(gòu)和功能成像的質(zhì)量控制方法[5]，并對(duì)包含了近10家單位聯(lián)合的多中心腦圖譜項(xiàng)目磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量控制，通過分析和比較，各中心的機(jī)器性能穩(wěn)定，各中心之間部分各向異性均值的變異系數(shù)（CV）為8.2%，高于其他指標(biāo)，各指標(biāo)差異均存在統(tǒng)計(jì)顯著性（p<0.05）。

2.1.2 質(zhì)量控制用水模制作

為了能夠更準(zhǔn)確地運(yùn)用更多參數(shù)進(jìn)行質(zhì)量控制，磁共技術(shù)團(tuán)隊(duì)嘗試制作了多種水模，有用于定量測(cè)量磁共振弛豫時(shí)間的，用于測(cè)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(jié)構(gòu)圖像，經(jīng)過專業(yè)軟件處理，保留腦殼部分，用PLC材料進(jìn)行3D打印得到外殼，再在腦部空腔內(nèi)填充模擬人腦組織磁共振參數(shù)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(jí)粗細(xì)的同軸中控電紡絲，仿人腦神經(jīng)元，相關(guān)的工作還在進(jìn)一步完善和標(biāo)準(zhǔn)化。

2.1.3 磁共振模擬機(jī)的開發(fā)

磁共振掃描人體被試需要在幽閉的檢查孔里待較長(zhǎng)時(shí)間，通常醫(yī)院磁共振檢查時(shí)間在15分鐘左右，科研磁共振掃描時(shí)間更長(zhǎng)，通常在40分鐘左右甚至更長(zhǎng)的時(shí)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(jìn)行體驗(yàn)、適應(yīng)，可以消除被試的緊張感，在體驗(yàn)的過程中解說檢查體味、注意事項(xiàng)，可以節(jié)省寶貴的磁共振掃描時(shí)間。特別是對(duì)兒童被試，通過事先體驗(yàn)，增加親切感，可以免除打鎮(zhèn)靜劑。

結(jié)合兒童磁共振掃描需要，磁共振團(tuán)隊(duì)開發(fā)了帶腦功能視聽覺刺激模塊的磁共振模擬機(jī)（見圖1）。磁共振模擬訓(xùn)練裝置主要由機(jī)身、帶反光鏡的線圈、帶按鍵的視聽覺反饋模塊、電腦主機(jī)和顯示屏、貼合兒童喜好的軟裝幾部分組成。磁共振模擬機(jī)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了以下功能：兒童進(jìn)入磁共振模擬機(jī)房間，有一種溫馨感、親切感，兒童樂意體驗(yàn)。磁共振機(jī)身部分掃描床、檢查孔尺寸采用真機(jī)大小，掃描床可手動(dòng)進(jìn)床，機(jī)身部分采用小房子造型加彩色皮軟包，實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)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(tǒng)，采用真機(jī)按鍵一比一大小，可以真實(shí)模擬任務(wù)態(tài)的整個(gè)過程。錄制了磁共振噪音，體驗(yàn)過程中播放噪音，體驗(yàn)過程更加真切。

磁共振模擬機(jī)有助于確認(rèn)患者能否遵從磁共振檢查的要求，并且能否準(zhǔn)備臨床掃描，從而減少了不必要的預(yù)約，節(jié)省了寶貴的掃描時(shí)間。

2.2 個(gè)性化開發(fā)磁共振設(shè)備網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)用攝像頭

磁共振成像儀器采用超導(dǎo)系統(tǒng)，為了確保液氦不揮發(fā)維持超導(dǎo)環(huán)境，壓縮機(jī)需要24小時(shí)工作。為了檢測(cè)壓縮機(jī)工作是否正常，磁共振團(tuán)隊(duì)結(jié)合本科生的科研訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，個(gè)性化開發(fā)了高場(chǎng)磁共振支持設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓縮機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)端攝像頭抓拍、圖片云端存儲(chǔ)、接收端APP界面設(shè)計(jì)、顯示。監(jiān)控設(shè)備采用手機(jī)移動(dòng)端對(duì)磁共振系統(tǒng)支持設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)控、長(zhǎng)程記錄和及時(shí)報(bào)警，輕巧、便攜、可拆卸，且適用于黑暗、狹小的空間，實(shí)現(xiàn)無人值守，可有效降低設(shè)備故障造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失。

3 新序列開發(fā)

磁共振成像系統(tǒng)依托生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，所在團(tuán)隊(duì)引進(jìn)了多位青年千人計(jì)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(fā)，形成了一定的特色。其中實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)了快速定量磁共振指紋圖譜技術(shù)，申請(qǐng)了專利，快速定量檢測(cè)的新方法和神經(jīng)內(nèi)科醫(yī)生緊密合作，用于癲癇疾病的病灶發(fā)現(xiàn)和精準(zhǔn)定位，為手術(shù)治療提供指導(dǎo)，相關(guān)文章發(fā)表在Radiology等雜志上[6]。

正在開展的磁共振序列開發(fā)還有神經(jīng)元髓鞘水定量成像、超高分辨彌散成像序列、化學(xué)轉(zhuǎn)移成像序列，正在和神經(jīng)內(nèi)科、口腔科、人腦庫等團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開展基礎(chǔ)和臨床研究。

4 總結(jié)和討論

儀器設(shè)備資源是高校科研院所的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是培養(yǎng)高質(zhì)量人才和產(chǎn)出高質(zhì)量科研成果的保障[7]。貴重大型儀器又是儀器設(shè)備中的戰(zhàn)斗機(jī)，從安全保障、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、附屬設(shè)備開發(fā)、新序列開發(fā)等多角度拓展儀器潛力的同時(shí)，還可以多層次培養(yǎng)人才，多學(xué)科合作，形成多贏的局面。

儀器功能的拓展可以給本科生創(chuàng)造練手的機(jī)會(huì)，給實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員提供精進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)、機(jī)器功能開發(fā)的機(jī)會(huì)，給基礎(chǔ)和臨床團(tuán)隊(duì)提供使用技術(shù)支撐，吸引儀器共享用戶的同時(shí)，也為技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)拓展應(yīng)用空間，也能和儀器供應(yīng)商合作共贏，形成多方良性互動(dòng)。

這種網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和技術(shù)開發(fā)相結(jié)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(shù)背景的團(tuán)隊(duì)，以技術(shù)開發(fā)為側(cè)重的科研和實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，才能調(diào)動(dòng)各方的積極性。這種模式也受限于儀器設(shè)備的戰(zhàn)斗力和生命周期。不管怎樣，這樣的模式有利而無弊，值得進(jìn)一步探索。高校院所依托網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的配套技術(shù)開發(fā)也是儀器設(shè)備配套功能培育的好途徑，相關(guān)技術(shù)也可以通過企業(yè)進(jìn)一步測(cè)試、整合，在高校院所內(nèi)快速推廣，縮短技術(shù)更新迭代的時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

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