压缩感知磁共振成像实验教学软件的设计与实现

压缩感知在磁共振成像上的发展是目前最为成功和经典的应用之一,被称为压缩感知磁共振成像(CS-MRI)。CS-MRI涉及到高深的数学理论和复杂的K空间数据采样方法,非常抽象。本设计在融合CS-MRI研究成果的基础上基于Matlab GUI设计和实现了一套交互式可视化的CS-MRI实验教学软件。用户可以在该软件界面上模拟实现不同采样轨迹和不同欠采样因子下K空间数据稀疏采集的图像重构并观察其重构效果。通过交互式、可视化的学习环境,有助于更好地理解CSMRI的基本理论和方法。该实验教学软件已在南昌大学生物医学工程专业本科生和研究生教学中使用,取得良好的教学效果。

基于磁共振扩散加权成像的虚拟弹性成像在肝脏局灶性病变中的应用价值

目的探究基于磁共振扩散加权成像(diffusion weighted imaging,DWI)的虚拟弹性成像(virtual magnetic resonance elastography,vMRE)在肝脏局灶性病变(focal liver lesion,FLL)的应用价值。材料与方法回顾性分析2021年11月至2022年6月于西安交通大学第一附属医院进行上腹部MRI检查的224例FLL患者临床及影像资料。所有患者的上腹部MRI检查序列包括常规抑脂T2WI(fat saturation T2WI,FS-T2WI)和多b值DWI,以病理或临床诊断结果将病例分为肝细胞癌、转移瘤、胆管细胞癌、血管瘤及肝囊肿五组。通过t检验或Mann-Whitney U检验比较各组间的测量值差异是否存在统计学意义,并绘制受试者工作特征(receiver operating characteristic,ROC)曲线评价vMRE的诊断效能。结果良恶性FLL的硬度值差异存在统计学意义(Z=-12.309,P<0.01),血管瘤与恶性病变的硬度值差异存在统计学意义(Z=-6.733,P<0.01)。vMRE鉴别良恶性FLL的敏感度为92.2%,特异度为96.7%,曲线下面积(area under the curve,AUC)为0.981;vMRE鉴别血管瘤与恶性病变的敏感度为92.2%,特异度为88.0%,AUC为0.926。血管瘤分别与肝细胞癌(Z=-6.232,P<0.01)、转移瘤(Z=-5.975,P<0.01)、胆管细胞癌(Z=-4.313,P<0.01)三组之间差异具有统计学意义。在恶性病变中,肝细胞癌组与转移瘤组差异无统计学意义(K=1.231,P>0.05);转移瘤组与胆管细胞癌组差异具有统计学意义(K=-2.062,P<0.05);肝细胞癌组与胆管细胞癌组差异无统计学意义(K=-1.403,P>0.05)。结论基于DWI的vMRE可作为一种无创性指标反映组织的硬度,有助于肝脏常见的良恶性病变鉴别诊断,可为临床中不典型血管瘤与恶性病变的鉴别诊断提供一种新型指标。

核磁共振成像技术虚拟软件开发

目的:开发一款能在摆脱硬件设备的情况下运行的核磁共振成像(MRI)虚拟培训软件,该软件可避免高级序列对硬件的高要求,避免实验数据采集时间过长及仪器台数不足等问题。方法:首先建立本征组织模型,为后序扫描工作提供虚拟受检样品;其次通过虚拟数据的动态采集,获得MRI数据;最后,通过傅里叶变换获得图像或频谱信息,供实践者培训实践MRI技术操作。结果:设计了一套MRI虚拟数据采集与图像重建软件,该软件避免了对硬件的高要求、部分实验数据采集时间过长以及台数不足等问题,在脱离硬件设备的运行环境下,获得与硬件成像教学仪相仿的实验效果。应用该软件可实现的教学实验有:莫尔频率测定、射频脉冲角度确定、电子匀场、自由感应衰减信号的频谱测量、7种常用序列的成像实验、各种序列的权重成像、采样参数对MRI图像形状影响、IR序列的脂肪抑制成像、IR序列的水抑制成像、反弹点成像、半傅里叶扫描技术、化学位移显示、一维编码成像、截断伪影、卷褶伪影等。结论:在实际MRI实践培训过程中,与硬件仪器相比,该MRI虚拟教学软件为学习者提供了一个更快速、高效的实验实训平台。

磁共振成像原理虚拟仿真实验的设计与实现

为了形象直观表达磁共振成像原理,本教学团队经过多年的教学积累,创造性采用了“从宏观到微观,再从微观到宏观”的设计思想,利用数理模型和时空尺度转换,借助宏观场景串接微观要素进行表达,将可互动的宏观操作与微观状态改变直接关联起来,形成了磁共振成像原理“全过程可视化”。本仿真实验既生动形象又不失科学性,学生自主发挥空间大,成就感强。对生物学工程等专业实验教学及医院相关科室人员技能培训都发挥了积极作用。

核磁共振成像技术理实一体化教学的研究与实践

针对核磁共振成像技术教学特点,引进先进的教学理念与方法,开发了14个实践项目,并联合企业研发适用于实践教学的磁共振实验设备和相关配套教材。为了克服硬件设备实验效率低的困难,开发了虚拟教学软件,不仅可以完全模拟硬件设备的全部实验,而且可以开展高级序列的仿真成像等实验教学。通过问题引导、自主讨论、实验操作的形式开展教学,结合有效的考核体系,在不断探索与实践中,形成了理实一体化课程教学模式,取得了很好的教学效果。

磁共振血管成像、虚拟现实技术在蝶骨嵴脑膜瘤术前计划中的应用

目的探讨磁共振血管成像、虚拟现实技术在蝶骨嵴脑膜瘤术前计划中的应用。方法 10例蝶骨嵴脑膜瘤患者术前行头颅CT、MRI和MRA等检查,然后将这些数据输入新加坡Volume Interactions公司研发的Dextroscope术前计划系统,在虚拟现实环境中对肿瘤及其周围组织进行重建等处理,构建出立体的空间三维图像;再利用系统工具对肿瘤及其周围组织进行观察、手术模拟等操作,在术前充分获得肿瘤、颅底骨质及神经、血管等相互关系的信息,制定详细的手术计划,并与术中情况进行对照。结果 10例患者均成功实现了三维立体虚拟现实影像的重建,按照术前计划进行手术,术中情况与术前模拟基本一致,符合率达100%。10例肿瘤均全切,取得良好效果,术后患者无后遗症。结论头颅MRA结合Dextro-scope术前计划系统反映肿瘤及其邻近组织的解剖结构信息,为术前制定手术方案提供帮助,有助于提高手术安全性与病灶切除率,改善患者预后。

磁共振成像虚拟扫描技术的发展及趋势浅谈

磁共振成像虚拟扫描技术自上个世纪80年代诞生以来,一直随着几个方面的发展在不断发展:(1)磁共振虚拟扫描近似计算核的理论设计的发展;(2)计算技术,可视化技术,数值技术特别是并行计算技术的发展;(3)磁共振应用技术的发展;(4)虚拟人技术,MRI-man技术的发展。本文系统地论述了磁共振虚拟扫描技术的各个发展方向,和当前的面临的一些主要的问题。提出了一些发展思路。

自主实验设计在虚拟仿真磁共振实验教学中的探索与思考

目的探讨基于虚拟仿真软件平台的自主实验设计教学模式在本科生磁共振成像实验教学中的应用效果。方法选择四川大学华西临床医学院2018届和2019届影像技术专业本科生94人为研究对象,其中2018届48人为传统实验教学组,2019届46人为自主实验设计组,传统实验教学组采用"教师演示—学生操作"的传统教学模式进行授课,自主实验设计组采用自主实验设计教学模式进行授课,对两组学生随堂测试成绩及实验报告完成情况进行对比分析。结果自主实验设计组随堂测试成绩为(15.56±2.01)分,明显高于传统实验教学组的(12.81±3.12)分,差异有统计学意义(P<0.05);相较于传统教学组,自主实验设计教学组学生在磁共振信号采集的观察、结果及误差分析、实验规律的总结等方面的完成人数及比例明显提升。结论基于虚拟仿真软件的自主实验设计教学模式在磁共振实验教学中有利于发挥软件效能,有助于提高学生理论联系实际能力、分析问题解决问题能力、实践操作能力、创新及科研能力等综合素质。

基于磁共振DTI探讨VR上肢训练改善卒中偏瘫患者上肢功能及生活自理能力的神经机制

目的探讨虚拟现实(VR)上肢训练对卒中后偏瘫患者基于磁共振弥散张量成像(DTI)评估上肢功能及生活自理能力的影响。方法选取2021年1月至2022年3月眉山市中医医院与眉山市心脑血管医院收治的卒中后偏瘫患者共114例,随机分为2组:;对照组57例采用常规康复治疗干预,试验组57例在对照组基础上联合VR上肢训练干预;比较两组患者干预前后改良Barthel指数量表评分(MBI)、Fugl-Meyer运动功能评定量表上肢部分(FMA-UL)评分及磁共振DTI评估相关指标。结果两组患者干预前后改良Barthel指数量表评分、FMA量表上肢部分评分差值、放射冠患侧各向异性分数、各向异性分数比值及放射冠各向异性分数不对称性差值比较,差异有统计学意义(P<0.05)。结论VR上肢训练辅助治疗卒中后偏瘫可促进上肢功能恢复和提高生活自理能力;促进放射冠为代表的皮质脊髓束修复可能是关键机制之一。

磁共振成像虚拟仿真实验平台建设

磁共振成像MRI是当前最为复杂的医学影像技术之一,也是生物医学工程专业本科生医学影像技术相关课程的教学重点和难点。针对华中科技大学生物医学工程专业在磁共振成像MRI教学中存在的一些问题,由任课教师根据自己的科研背景和授课体验,围绕学生应掌握的知识点,自主设计开发了一款适合生物医学工程专业教学的系统平台。该平台构建了包含磁共振医学成像原理展示、系统元件拆分、成像操作实践等多个环节的虚拟仿真综合设计实验,使学生系统掌握磁共振成像设备的基本结构、功能及操作流程。通过该平台教学,有助于学生利用虚拟实验锻炼综合应用知识的能力、自主学习能力、分析解决问题能力和动手实践能力,进一步提升了学生综合素养和创新创业能力。

主磁场不均匀情况下的磁共振虚拟成像初步研究

目的设计实现一个基于布洛赫(Bloch)方程的磁共振成像模拟器,并以此仿真主磁场不均匀对成像的影响。材料与方法用C语言实现磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)模拟器。成像过程中,虚拟物体各体素点的磁化强度矢量根据离散化Bloch方程递推计算得出。假定主磁场B0的不均匀性的几种模式,设定不均匀与其空间位置的关系,以此为代入条件进行模拟成像实验,并将结果与相应的实际成像对比。结果本MRI模拟器可以较好地模拟出主磁场不均匀对成像造成的影响,得到符合预期的成像结果。结论本MRI模拟器有助于工程与科研中分析主磁场不均匀对成像的影响。

磁共振虚拟肝血管三维重建在肝切除术中的应用

目的探讨应用MR图像建立肝血管三维模型和虚拟肝切除在肝切除手术方案中的价值。方法采用23例肝肿瘤患者肝脏静脉期MR图像重建肝血管三维模型,以任意角度显示肝脏、肿瘤及肝静脉、门静脉系统。在保证余肝充分门静脉供血及静脉回流的前提下行虚拟肝切除,计算拟切除肝体积及余肝体积,据此制定肝肿瘤切除手术方案并实施手术。结果23例肝三维模型均可详细显示肝肿瘤及其血管解剖关系,虚拟肝切除评估肿瘤均可被切除。15例患者接受常规肝切除术,8例因肝右下静脉、肝中静脉变异或剥离肝中静脉而改变手术方案。23例肝肿瘤被完整切除,1例发生胆瘘,无肝功能衰竭病例。结论肝肿瘤与血管MRI三维重建模型及虚拟肝切除术可用于指导肝肿瘤切除方案,减少术后并发症的发生。

磁共振虚拟仿真技术的应用

虚拟仿真是除了理论和实验之外的第三种研究手段,广泛应用于诸多领域的各个研发环节。本文介绍了虚拟仿真技术在磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging,MRI)领域的发展情况和现状、磁共振虚拟仿真平台的开发思路和开发流程,以及磁共振虚拟仿真平台在MRI原理可视化批量化实验教学方面的应用效果。另外,还提到人工智能(Artificial Intelligence,AI)。除了教学应用外,虚拟仿真技术在AI+MRI医学影像智能诊断的样本增广、提高临床MRI的扫描效率等方面也有着很好的应用前景。

双能CT虚拟去钙技术在“臀坐式”骶尾椎急性损伤诊断中的价值

目的:使用双能CT虚拟去钙技术评估不同经验医师诊断“臀坐式”骶尾椎急性损伤的诊断效能。方法:前瞻性纳入2021年11月至2024年1月因急性外伤导致骶尾部疼痛的29例患者,共174块椎体(145块骶椎、29块尾椎),获取其MRI及DECT数据;以MRI结果为参考,3名放射科医师(诊断经验分别为1、4和10年)分别使用常规CT和VNCa彩色编码图进行分析。结果:使用VNCa技术后,3名医师诊断一致性Kappa值显著提升,分别从0.452、0.615、0.735提升至0.775、0.825、0.897,诊断正确率显著提高,分别为92.5%、94.3%和96.6%,3名医师差异无统计学意义;定量分析表明,正常骨髓的平均VNCa CT值为(-84.2±20.3) HU,骨髓水肿(BME)为(-37.4±18.8) HU,两者有显著差异;以MRI为标准,VNCa CT值区分正常骨髓和BME的AUC为0.962,最佳截断值为-57.1 HU,对应敏感性和特异性分别为91.9%和90.2%。结论:DECT VNCa技术显著提高了不同经验医师诊断骶尾椎急性损伤的效能,尤其对经验不足的医师,VNCa CT值有助于诊断。

基于SPOC的混合教学模式在MRI技术及设备课程中的应用

针对MRI技术及设备课程教学中存在的问题,探索并实践了基于SPOC的混合式教学模式。构建了MRI技术及设备SPOC平台,提出了一种“理实一体,虚实结合”的实验课混合式教学模式,实施了多元化全过程考核评价体系,实践表明,该教学模式促进了学生对知识的理解和内化吸收,提升了学生的自主学习能力和创新实践能力。

核磁共振成像技术和核磁共振电气及病床开发设计思路

文中首先从核磁共振成像技术原理的角度阐述该虚拟软件开发的总体设计思路和虚拟软件整体功能框架,然后从本征组织模型建立、虚拟数据动态采集、核磁共振图像重建三个方面阐述核磁共振成像技术虚拟数据采集与图像重建方法,从软件界面、数据结构两个方面阐述核磁共振成像技术虚拟软件设计开发,最后从预扫描实验、成像实验等方面阐述核磁共振成像技术虚拟软件功能实验,并重点阐述采样数据、SE序列、IR序列、EPI序列等因素对图像成像特点的影响,为核磁共振成像技术教学提供虚拟软件支撑。

虚拟解剖在法医学死因鉴定中的应用

死因鉴定是法医学的重要任务之一,也是案事件定性的关键。尸体解剖是死因鉴定的最常用方法,该方法属有创性检验,易破坏组织器官形态,影响法医对损伤、疾病等组织学改变的观察,可造成死因鉴定偏差。虚拟解剖是交叉融合法医学与影像学技术发展起来的一项新技术,利用影像学技术获取尸体表面及内部信息,可构建人体器官组织断面及三维图像,为判断死亡原因、分析损伤机制等提供证据,属非侵入性解剖方式,具有无创性、客观性、高效性、可保存性等特点。虚拟解剖已在机械性损伤死亡、交通事故死亡、窒息死亡、疾病死亡、高低温损伤死亡等方面显现出独特的优势。本文对虚拟解剖在法医死因鉴定中的应用及其优缺点等进行综述,旨在为法医同行开展相关工作提供参考。

基于虚拟仿真软件的磁共振成像序列实验在医学影像技术专业本科教学中的应用

目的探讨基于虚拟仿真软件的磁共振成像序列实验在医学影像技术专业本科教学中的应用效果。方法以四川大学华西临床医学院2015级和2016级医学影像技术专业56名本科学生为研究对象,2016级为实验组,2015级为对照组。实验组采用基于虚拟仿真实验的教学方法,对照组采用传统小型磁共振的教学方法。比较两组学生的课后考试成绩和期末考试成绩,并对实验组学生进行教学效果问卷调查。采用SPSS 21.0软件进行t检验和Mann-Whitney U检验。结果实验组课后考试成绩(84.55±6.57)和期末考试成绩(90.03±4.72)均高于对照组(79.37±6.13)和(80.06±7.29),差异具有统计学意义(P<0.05)。问卷有效回收率为100%,问卷调查显示实验组在增加学科兴趣、扩展相关知识面、解决临床工作、促进团队协作等四个方面都优于对照组(P<0.05)。结论在磁共振成像序列的实验教学中,基于虚拟仿真软件的教学可增加学生学习兴趣,加强学生对磁共振原理的理解,从而有效提高医学影像本科教育的教学效果。

MRI设备虚拟仿真教学系统的开发与应用

为了解决磁共振成像设备传统教学模式存在的场地受限、实践操作困难等问题,结合三维数字建模、虚拟仿真技术等现代化技术,设计研发了一套适用于医学影像技术专业人才培养的虚拟仿真教学系统,该系统被应用于徐州医科大学医学影像技术专业103名学生的实践教学中。通过调研发现,该系统的应用加深了学生对于设备的理解与掌握,提高了教学质量及效率,对医学影像设备智能化教学具有较高的参考价值。

虚拟数字脑软件平台的研究与开发

目的:为脑科学和类脑人工智能提供一个软件研究平台。方法:首先,基于预处理后的静息态功能磁共振数据和因果连接法构建因果连接网,利用最小均方误差算法获得节点神经活动预测模型中的回归系数。然后,基于因果连接网和预测模型构建虚拟数字脑。最后,在VC++12.0开发环境下,利用C/C++编程语言开发出能实现虚拟数字脑各项功能的软件包。结果:同欧洲的虚拟大脑软件平台相比,该软件包操作简单,可用于脑科学和类脑人工智能的研究。结论:初步的实践结果证明了该软件在脑科学研究中的有效性和实际应用价值。