薛峰，潘桂洪，曾仁華，管海辰，董曉軍

湖南醫(yī)藥學(xué)院，湖南懷化，418000

0 引言

近年來，影像設(shè)備快速發(fā)展，出現(xiàn)了大批種類繁多、功能各異的數(shù)字化設(shè)備。數(shù)字化設(shè)備成像過程中每一個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)的工作都由計(jì)算機(jī)控制，導(dǎo)致整個(gè)成像過程比較虛擬和抽象，這不利于學(xué)生對(duì)成像過程學(xué)習(xí)和對(duì)影像設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的辨別。而且部分學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備都是醫(yī)院中已經(jīng)淘汰的影像設(shè)備，這不利于學(xué)生盡快地適應(yīng)工作需要[1-3]。針對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的情況，本研究開發(fā)一套MRI虛擬數(shù)據(jù)采集與圖像重建軟件進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)，不僅可以讓抽象的知識(shí)具象化，還可以深化學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和提高學(xué)習(xí)興趣。

1 MRI虛擬數(shù)據(jù)采集與圖像重建系統(tǒng)

通過MRI虛擬數(shù)據(jù)采集與圖像重建系統(tǒng)不僅可以將抽象不可視的成像過程形象化和具體化，還有助于學(xué)生更好地鞏固和深化影像設(shè)備成像的相關(guān)理論。同時(shí)，還可以在虛擬仿真環(huán)境中激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，提高學(xué)生的動(dòng)手能力。通過虛與實(shí)相結(jié)合的教學(xué)模式有利于增強(qiáng)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力和培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，從而促進(jìn)高端人才綜合能力的培育。另外，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于磁共振設(shè)備的實(shí)踐教學(xué)，可以充分實(shí)現(xiàn)磁共振設(shè)備的信息化教學(xué)，推動(dòng)傳統(tǒng)教學(xué)改革和發(fā)展。

根據(jù)MR實(shí)踐教學(xué)需求，將原理演示、數(shù)據(jù)采集、虛擬成像等技術(shù)引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，構(gòu)建集理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、圖像處理、數(shù)據(jù)分析等4個(gè)子系統(tǒng)于一體的智能開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理平臺(tái)。用戶在操作界面設(shè)置合適參數(shù)就可以開始采集數(shù)據(jù)，整個(gè)采集的過程都會(huì)在圖形用戶界面顯示，當(dāng)采集結(jié)束后，通過傅里葉變換就可以得到MR圖像。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)方法

2.1 原理演示

由于人體內(nèi)大多數(shù)氫質(zhì)子的進(jìn)動(dòng)方向與主磁場(chǎng)方向平行且同向，只有少部分氫質(zhì)子與主磁場(chǎng)平行且相反。因此，人體內(nèi)組織在主磁場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)宏觀縱向磁化矢量，該宏觀縱向磁化矢量的方向與主磁場(chǎng)方向一致[4]。采用一個(gè)90°脈沖激勵(lì)，原先進(jìn)動(dòng)相位不一致的質(zhì)子群會(huì)進(jìn)行同相位運(yùn)動(dòng)，則每一個(gè)質(zhì)子進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的橫向磁化分矢量會(huì)進(jìn)行相互疊加。在這種情況下，氫質(zhì)子會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)且不斷衰減的橫向磁化矢量。當(dāng)關(guān)閉90°脈沖后，原本相位一致的質(zhì)子群由于磁場(chǎng)的不均勻性變成失相位，橫向磁化分矢量相互抵消，逐漸減弱直至消失，磁共振成像中氫質(zhì)子弛豫過程見圖1。

圖1 磁共振成像中氫質(zhì)子弛豫過程

2.2 預(yù)掃描

人體的自旋核都是雜亂無章運(yùn)動(dòng)，當(dāng)人體置于靜磁場(chǎng)B0中時(shí)，人體內(nèi)自旋核會(huì)發(fā)生磁化，自旋核將以拉莫爾頻率繞靜磁場(chǎng)進(jìn)動(dòng)。該頻率滿足拉莫爾方程[5]：

在上式中r代表樣品物質(zhì)的旋磁比，B0代表靜磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。如果施加一個(gè)射頻磁場(chǎng)B1讓其垂直于靜磁場(chǎng)B0方向，且該射頻磁場(chǎng)中心的頻率f與拉莫爾頻率w0相等。這時(shí)自旋核就會(huì)產(chǎn)生能級(jí)間的共振躍遷，使自旋核發(fā)生磁共振現(xiàn)象。射頻脈沖激勵(lì)后的自旋核，其初始宏觀縱向磁化矢量（M0）開始偏離主磁場(chǎng)所在的Z方向（縱向），并在90°射頻脈沖作用下，從縱向翻轉(zhuǎn)為橫向，縱向磁化矢量Mz也逐漸變小直至為0。橫向磁化矢量處在聚相的過程中逐漸增加至最大。當(dāng)90°射頻脈沖停止作用后，由于磁場(chǎng)的不均勻性自旋核又處在失相過程，其共振狀態(tài)受到破壞。這個(gè)過程可以分解為縱向磁化矢量相互疊加后恢復(fù)和橫向磁化矢量相互抵消后衰減兩個(gè)分過程，即T1弛豫和T2弛豫。氫質(zhì)子弛豫過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分解為三個(gè)不同的宏觀磁化矢量運(yùn)動(dòng)，一是橫向磁化矢量的逐漸減少，二是縱向磁化矢量的逐步增加，三是自旋核弛豫在Mxy平面的運(yùn)動(dòng)是螺旋狀衰減和在Mz平面的運(yùn)動(dòng)逐步遞增。若此時(shí)將一閉合的射頻接收線圈放置在弛豫的范圍內(nèi)，該閉合的線圈會(huì)感生出微弱的電動(dòng)勢(shì)，也就是常說的磁共振信號(hào)。由于縱向磁化矢量與閉合的接收線圈平行，而橫向磁化矢量與閉合的接收線圈垂直且弛豫過程中，不斷切割接收線圈。因此只有橫向磁化矢量才會(huì)與線圈切割產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，射頻線圈內(nèi)的電動(dòng)勢(shì)S1為[6]：

上式中，M0s i nθ為自由感應(yīng)衰減信號(hào)（FID）的初始幅值，θ為射頻脈沖的激勵(lì)角度，w0是拉莫爾頻率，t是采樣時(shí)間，T2*是考慮了磁場(chǎng)不均勻性對(duì)自旋核橫向弛豫時(shí)間的影響。由于射頻線圈接收到的FID信號(hào)中含有拉莫爾頻率成分，故將FID信號(hào)與射頻場(chǎng)的中心頻率做混頻處理后，通過低通濾波器，獲得關(guān)于這兩個(gè)頻率差的FID信號(hào)[7]：

上式中，t為采樣時(shí)間；A為信號(hào)幅值；T2為橫向弛豫時(shí)間。從式中可以看出，經(jīng)過混頻處理的FID信號(hào)頻率為拉莫爾頻率與射頻場(chǎng)中心頻率的差值。因此，當(dāng)射頻場(chǎng)的中心頻率f偏離自旋核進(jìn)動(dòng)頻率w0時(shí)，自旋核會(huì)發(fā)生偏置共振，信號(hào)振蕩頻率較高和幅值遞減；當(dāng)射頻場(chǎng)的中心頻率f接近自旋核進(jìn)動(dòng)頻率w0時(shí)，自旋核的運(yùn)動(dòng)接近共振狀態(tài)，信號(hào)振蕩頻率較低和幅值遞減；當(dāng)射頻場(chǎng)的中心頻率f等于自旋核進(jìn)動(dòng)頻率w0時(shí)，信號(hào)的振蕩頻率為0且幅值按指數(shù)規(guī)律衰減，自旋核發(fā)生完全共振。三種狀態(tài)下的自由感應(yīng)衰減信號(hào)曲線見圖2。

圖2 不同狀態(tài)下的共振曲線

2.3 虛擬成像

磁場(chǎng)均勻度在磁共振設(shè)備中是評(píng)價(jià)設(shè)備性能好壞的重要指標(biāo)之一。一般采用百萬分之一（ppm）來衡量磁共振設(shè)備中場(chǎng)強(qiáng)的不均勻性對(duì)磁共振圖像質(zhì)量的影響[8-9]。主磁場(chǎng)均勻度越好，MR圖像質(zhì)量越高，反之圖像質(zhì)量則越差[10-11]。磁體產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)的不均勻度在數(shù)學(xué)上定義為[12]：

式中：ppm為某一個(gè)限定的空間范圍的磁場(chǎng)不均勻度；BO為磁體系統(tǒng)中主磁場(chǎng)中心磁感應(yīng)強(qiáng)度（Gs）；Bmax為一定空間范圍內(nèi)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)最大值；Bmin為一定空間范圍內(nèi)磁體系統(tǒng)產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)最小值。由上式可見，磁場(chǎng)均勻度與主磁場(chǎng)的大小有關(guān)。若主磁場(chǎng)均勻性越差，那么重建的圖像細(xì)節(jié)分辨率會(huì)越模糊。在本研究中采用MRI虛擬數(shù)據(jù)采集與圖像重建軟件，通過設(shè)置不同的ppm值觀測(cè)圖像細(xì)節(jié)的變化，并通過平均梯度評(píng)價(jià)圖像的質(zhì)量。平均梯度（AvG）是反映圖像微小細(xì)節(jié)的梯度變化率，這種細(xì)節(jié)的梯度變化率越小，平均梯度越高，圖像越清晰。圖像平均梯度計(jì)算公式如下[12-13]：

圖3 電子噪聲一定時(shí)，圖像質(zhì)量隨著磁場(chǎng)的不均勻性的變化及相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置界面

MR設(shè)備集采集、傳輸以及儲(chǔ)存為一體。在與這個(gè)過程中容易受到外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境（如元器件老化、電壓不穩(wěn)定、信號(hào)相互干擾等）的干擾，這些都會(huì)使圖像保真度變差，邊界變模糊，圖像的細(xì)微結(jié)構(gòu)分辨率降低，不能對(duì)圖像上微小病灶的辨別與分析做出正確判斷，從而出現(xiàn)漏診。在本研究中采用MRI虛擬數(shù)據(jù)采集與圖像重建軟件，通過設(shè)置不同的噪聲幅值觀測(cè)圖像空間分辨率的變化，并通過峰值信噪比以評(píng)價(jià)圖像的質(zhì)量。峰值信噪比（PSNR）是區(qū)分圖像質(zhì)量好壞的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。圖像峰值信噪比的計(jì)算公式如下[14]：

為了反映不同噪聲強(qiáng)度對(duì)MR圖像質(zhì)量的影響，本研究采用PSNR值來衡量MR圖像質(zhì)量。PSNR是原圖像上最大像素值平方與原圖像與重建后圖像之間的均方誤差的比值，它的單位是dB。若重建圖像與原圖像偏差越小，均方誤差越小，PSNR值越大，這就意味著圖像采集得到的信號(hào)越豐富，反映層面就越接近真實(shí)。從圖4可知，當(dāng)磁場(chǎng)均勻性一定時(shí)，電子噪聲值越大，圖像失真越大，清晰度越差。

圖4 磁場(chǎng)均勻性一定時(shí)，圖像質(zhì)量隨著電子噪聲的變化

由于人體內(nèi)自由水的分子式和脂肪的分子式不同，二者氫原子周圍的電子云密度不同。運(yùn)動(dòng)的電子本身就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，使得兩種氫原子所處的磁場(chǎng)環(huán)境不一致[15-16]。因此，當(dāng)二者同時(shí)受到射頻脈沖激勵(lì)后，電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的感生磁場(chǎng)和外加磁場(chǎng)共同作用導(dǎo)致弛豫時(shí)間不同。這就使得在不同的時(shí)間采集MR信號(hào)，在圖像上脂肪組織和自由水表現(xiàn)出信號(hào)強(qiáng)度不一樣。脂肪和水信號(hào)抑制的關(guān)鍵是選擇不同的反轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)間。當(dāng)重復(fù)時(shí)間（TR）遠(yuǎn)大于反轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)間，宏觀縱向磁化矢量將經(jīng)歷一個(gè)從負(fù)Mz到正Mz的恢復(fù)過程。由于脂肪組織和水的縱向磁化矢量恢復(fù)不一樣，則脂肪和水的弛豫曲線過零點(diǎn)的時(shí)間不同。當(dāng)選擇脂肪組織的縱向弛豫曲線過零點(diǎn)時(shí)采集信號(hào)，由于其縱向磁化矢量為零，則在MR圖像上呈低信號(hào)。而水在縱向磁化矢量還有信號(hào)，在MR圖像上呈高信號(hào)。這樣就采集到了脂肪抑制的MR圖像。當(dāng)選擇自由水的縱向弛豫曲線過零點(diǎn)時(shí)采集信號(hào)，由于其縱向磁化矢量為零，則在MR圖像上呈低信號(hào)。而脂肪在縱向磁化矢量還有信號(hào)，在MR圖像上呈高信號(hào)，從而得到水抑制的MR圖像，見圖5。所以反轉(zhuǎn)恢復(fù)時(shí)間的選擇是影響組織信號(hào)抑制效果的關(guān)鍵參數(shù)。

圖5 水抑制和脂肪抑制圖

3 MRI虛擬數(shù)據(jù)采集與圖像重建系統(tǒng)分析

（1）系統(tǒng)涵蓋的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富。該系統(tǒng)涵蓋了MR成像理論的重點(diǎn)內(nèi)容，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。在實(shí)驗(yàn)過程中，不僅生動(dòng)展示了MR成像過程，還可以通過設(shè)置不同的參數(shù)觀測(cè)內(nèi)/外部環(huán)境對(duì)MR圖像質(zhì)量的影響和模擬臨床實(shí)際應(yīng)用--脂肪抑制和水抑制，豐富了課堂內(nèi)容，并達(dá)到了良好的教學(xué)效果。

（2）系統(tǒng)靈活性高，操作簡(jiǎn)便。根據(jù)教學(xué)要求，可在圖像用戶界面任意添加、修改系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，圖形化顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，便于操作，仿真結(jié)果與理論相吻合，加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解。此外，操作界面簡(jiǎn)潔，設(shè)置好參數(shù)，選擇相應(yīng)按鈕即可運(yùn)行，便于上手。

（3）系統(tǒng)的用戶界面良好，具有良好的可視性。參數(shù)設(shè)置結(jié)束后，可以將MR設(shè)備采集過程生動(dòng)地顯示出來，將MR設(shè)備的采集圖像過程具象化，讓同學(xué)們對(duì)抽象理論知識(shí)的理解更加透徹。

4 結(jié)語(yǔ)

MRI虛擬數(shù)據(jù)采集與圖像重建系統(tǒng)通過解決實(shí)驗(yàn)時(shí)間、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)資源受限或者沖突問題，保證了不間斷教學(xué)。這一系統(tǒng)不僅改善了課堂教學(xué)環(huán)境，優(yōu)化了當(dāng)前的教學(xué)模式，提高了學(xué)生的專業(yè)技能，節(jié)約了設(shè)備耗材投入，還提高了教學(xué)效果，加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手操作能力和設(shè)計(jì)能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。