基于數(shù)字孿生的磁共振成像原理與技術(shù)實(shí)驗平臺

陳珊珊， 王紫薇， 夏 天， 冷 靜， 汪紅志， 李真林

（1.上海健康醫(yī)學(xué)院醫(yī)學(xué)影像學(xué)院，上海 201318；2.四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院，成都610041；3.上海培云教育科技有限公司，上海 200433；4.華東師范大學(xué)a.教育信息技術(shù)系；b.物理與電子科學(xué)學(xué)院，上海 200062）

0 引 言

建立精準(zhǔn)醫(yī)療診斷體系，醫(yī)學(xué)影像亟須先行。隨著精準(zhǔn)醫(yī)療逐漸成為全球醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向，影像醫(yī)學(xué)也迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇［1］。高素質(zhì)的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備操作、裝調(diào)和研發(fā)人才儲備是影像醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要支撐。磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是原理與技術(shù)相對復(fù)雜的設(shè)備，聚焦傳統(tǒng)的MRI課程實(shí)驗教學(xué)模式，存在學(xué)習(xí)時空有限、依賴有操作風(fēng)險的設(shè)備、成像過程封閉不可見等問題，難以適應(yīng)全球醫(yī)療發(fā)展新趨勢對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的要求。

當(dāng)前，元宇宙正成為下一代互聯(lián)網(wǎng)的新形態(tài)，教育元宇宙是在元宇宙虛實(shí)融合一體化理念基礎(chǔ)上，為學(xué)習(xí)者所營造的多技術(shù)集成的學(xué)習(xí)環(huán)境，蘊(yùn)含著豐富的教和學(xué)活動之可能性與伸展性［2］。元宇宙通過數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）技術(shù)生成現(xiàn)實(shí)世界的鏡像，DT技術(shù)是元宇宙的重要底層技術(shù)之一［3］。DT 技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用有所落地，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用仍然處于探索階段［4］，林潤澤等［5］基于智能工廠流水線實(shí)驗裝置，構(gòu)建了智能裝配機(jī)械臂DT 系統(tǒng)用于實(shí)驗教學(xué)。陶飛等［6］提出了DT的5 維模型，DT驅(qū)動的6 條應(yīng)用準(zhǔn)則和14 類應(yīng)用設(shè)想，推動了DT技術(shù)的進(jìn)一步落地應(yīng)用。借助DT技術(shù)構(gòu)建MRI 原理與技術(shù)DT 實(shí)驗平臺，將促使實(shí)踐教育模式和評價方式變革，滿足學(xué)習(xí)者時時能學(xué)，處處能學(xué)的現(xiàn)實(shí)需求。

對現(xiàn)實(shí)世界的分析是構(gòu)建元宇宙的首要任務(wù)?？臻g場景結(jié)構(gòu)和時間上的事件流程用以描述現(xiàn)實(shí)世界，現(xiàn)實(shí)世界還涵蓋人的屬性、物的屬性、人和物兩兩互動關(guān)系。虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界直接交界的是孿生基座［7］，分為“數(shù)據(jù)交互”和“模型構(gòu)建”，其中數(shù)據(jù)交互是通過傳感器和控制器完成數(shù)據(jù)采集和反饋控制，模型構(gòu)建則包含自然規(guī)律仿真、社會規(guī)則仿真、數(shù)字人和物構(gòu)建等。

自然規(guī)律的仿真可分為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真和基于機(jī)理驅(qū)動的仿真。前者利用數(shù)據(jù)擬合解決弱機(jī)理模型的應(yīng)用問題，復(fù)雜數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，例如智能對話助手等。后者利用數(shù)值計算解決強(qiáng)機(jī)理模型的應(yīng)用問題，高效、準(zhǔn)確、逼真、實(shí)時，例如工業(yè)設(shè)計軟件等。MRI設(shè)備DT 體的成像功能屬于機(jī)理驅(qū)動模式的仿真。國內(nèi)外關(guān)于MRI虛擬仿真平臺的研究中，多數(shù)以解決臨床問題為目的，Cao 等［8］設(shè)計了多功能MRI 仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任意樣品、序列和電磁場條件下的磁共振信號、噪聲和特定吸收率仿真。Zijlstra 等［9］提出利用快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)磁敏感偽影的仿真，并證明了在金屬物體定位中的適用性。Liu等［10］在配備（Graphics Processing Unit，GPU）的計算機(jī)上搭建虛擬平臺，實(shí)現(xiàn)了MRI新方法的評估。此外，各種用于MRI設(shè)備及檢查技術(shù)實(shí)驗教學(xué)的平臺，盡管實(shí)現(xiàn)了在虛擬環(huán)境中完成MRI實(shí)驗教學(xué)［11-14］，但這些平臺缺乏自然規(guī)律仿真技術(shù)的運(yùn)用。

本文設(shè)計了基于DT技術(shù)的MRI原理與技術(shù)實(shí)驗平臺系統(tǒng)框架，結(jié)合具體實(shí)驗案例，梳理其數(shù)據(jù)獲取、虛擬采集、迭代優(yōu)化和應(yīng)用服務(wù)思路，提出一種基于機(jī)理模型的建模仿真方法，用于構(gòu)建MRI 原理與技術(shù)DT實(shí)驗平臺。

1 平臺框架

MRI原理與技術(shù)DT 實(shí)驗平臺由物理設(shè)備、虛擬設(shè)備、孿生數(shù)據(jù)、應(yīng)用服務(wù)和各部分之間的連接組成，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)驗教學(xué)和MRI 設(shè)備關(guān)鍵部件的輔助優(yōu)化設(shè)計，平臺框架如圖1 所示。

圖1 MRI原理與技術(shù)DT實(shí)驗平臺框架

1.1 MRI設(shè)備物理實(shí)體

MRI設(shè)備物理實(shí)體包含了磁體、射頻、梯度、譜儀和計算機(jī)等單元，分別負(fù)責(zé)產(chǎn)生靜磁場、發(fā)射射頻電磁場和接收磁共振信號、產(chǎn)生梯度磁場、控制各個部件協(xié)調(diào)和人機(jī)交互。MRI 設(shè)備通過射頻電磁場激勵處于靜磁場中的氫質(zhì)子發(fā)生核磁共振現(xiàn)象，利用梯度磁場實(shí)現(xiàn)信號空間定位，通過射頻接收線圈接收弛豫過程中的磁共振信號，重建得到圖像，圖像反映的參數(shù)是人體組織的氫質(zhì)子密度（Pd）、自旋-晶格弛豫時間（T1）、自旋-自旋弛豫時間（T2）、化學(xué)位移（CS）和擴(kuò)散系數(shù)（D）等。

1.2 MRI設(shè)備DT體

在DT虛擬空間中，平臺包括數(shù)字環(huán)境模型、數(shù)字人模型和數(shù)字設(shè)備模型。采用WebGL 和Unity 工具完成DT虛擬實(shí)體的開發(fā)，其中數(shù)字環(huán)境分為虛擬場景和虛擬流程，虛擬場景依據(jù)醫(yī)院環(huán)境進(jìn)行3D 建模實(shí)現(xiàn)，虛擬流程依據(jù)臨床檢查規(guī)范制定。數(shù)字人模型外形依據(jù)性別、年齡和體型構(gòu)建，運(yùn)動信息依據(jù)骨關(guān)節(jié)數(shù)目、關(guān)節(jié)類型和關(guān)節(jié)自由度構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)全身部位的高自由度任意擺位，以滿足實(shí)驗教學(xué)需求。

1.3 虛實(shí)交互反饋

MRI設(shè)備和MRI設(shè)備DT體之間存在雙向的交互反饋，MRI 設(shè)備運(yùn)行后得到的感知數(shù)據(jù)如Pd、T1、T2、CS和D，同步到MRI設(shè)備DT體，DT體基于機(jī)理建模和算法求解后，將計算結(jié)果反饋給物理實(shí)體，支持對物理實(shí)體狀態(tài)進(jìn)行同步仿真，以計算實(shí)際設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的圖像質(zhì)量控制參數(shù)異常，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備和實(shí)體設(shè)備的聯(lián)動和以虛控實(shí)。

1.4 DT成像機(jī)理建模仿真

利用Matlab 實(shí)現(xiàn)自然規(guī)律仿真，關(guān)鍵點(diǎn)是基于機(jī)理模型進(jìn)行數(shù)字環(huán)境、數(shù)字人和數(shù)字設(shè)備之間的內(nèi)在機(jī)理關(guān)系仿真，包括物理數(shù)據(jù)獲取、虛擬信號采集和虛擬圖像重建，得到虛擬的磁共振圖像，包括磁共振T1加權(quán)像（T1-Weighted Image，T1WI）、T2加權(quán)像（T2-Weighted Image，T2WI）和質(zhì)子密度加權(quán)像（Pd-Weighted Image，PdWI）、短TI反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（Short TI Inversion Recovery，STIR）圖像和液體衰減反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列（Fluid Attenuated Inversion Recovery，F(xiàn)LAIR）序列圖像等。

1.5 應(yīng)用服務(wù)

在實(shí)驗平臺構(gòu)建中，搭建數(shù)字環(huán)境、數(shù)字人和數(shù)字設(shè)備模型，用于表征MRI設(shè)備物理實(shí)體在虛擬空間中的運(yùn)行信息；在虛擬空間中構(gòu)建DT仿真模型，實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體和物理實(shí)體之間的交互反饋；在虛實(shí)融合的DT實(shí)驗平臺上設(shè)計應(yīng)用服務(wù)資源庫?？砷_展的教學(xué)內(nèi)容如圖1 所示，含磁共振信號的檢測、射頻中心頻率的確定、磁場均勻性評價與電子勻場等。

2 MRI設(shè)備DT機(jī)理建模分析

在MRI設(shè)備DT機(jī)理建模過程中，由MRI 設(shè)備獲取多維物理數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)字人建模，完成虛擬采集和圖像重建，生成虛擬MRI圖像，利用DT融合數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代優(yōu)化，達(dá)到計算力、實(shí)時性、逼真度、沉浸性、互動性和用戶自主性的全面提升。

2.1 數(shù)據(jù)生成

虛擬設(shè)備掃描的對象是數(shù)字人，數(shù)字人的準(zhǔn)確性決定了輸出的虛擬圖像逼真度，MRI 數(shù)字人構(gòu)建需要確定多維度信息，含人體組織的三維空間信息（坐標(biāo)X、Y、Z，分辨率1 mm ×1 mm ×1 mm）、磁共振信號所反映的人體組織屬性信息，如Pd、T1、T2、CS 和D。對MRI設(shè)備產(chǎn)生的MRI圖像，進(jìn)行非均勻性校正和剛性配準(zhǔn)預(yù)處理，利用區(qū)域增長法進(jìn)行結(jié)構(gòu)初步分割，利用K鄰近算法實(shí)現(xiàn)邊界精細(xì)分割，對組織參數(shù)Pd、T1、T2、CS和D進(jìn)行賦值。

2.2 虛擬采集

數(shù)字人構(gòu)建之后，依據(jù)MRI 設(shè)備的工作過程，對數(shù)字人的物理數(shù)據(jù)進(jìn)行虛擬采集，即依次進(jìn)行選層、相位編碼、頻率編碼、信號采集和信號處理，單個層面的K空間數(shù)據(jù)：

式中：A為信號放大倍數(shù)；M0為原始信號幅值；ρ（k，l）為層面質(zhì)子密度分布；ej（2π／N）kn為頻率編碼；ej（2π／M）lm為相位編碼；e－n／T*2為信號衰減；n為采樣時間；m為相位編碼時間；k為頻率編碼方向上的空間位置；l 為相位編碼方向上空間位置。生成K 空間數(shù)據(jù)之后，再通過二維傅里葉變換，得到MRI圖像。

2.3 迭代優(yōu)化

為使DT體成像結(jié)果逼近物體實(shí)體的成像結(jié)果，運(yùn)用DT數(shù)據(jù)對設(shè)計進(jìn)行評估，與教學(xué)需求與意見結(jié)合后，判斷是否需要改進(jìn)設(shè)計，如若需要改進(jìn)，則將DT體的數(shù)據(jù)采集模型解構(gòu)為人體模塊、設(shè)備模塊和環(huán)境模塊，分別進(jìn)行修正，如圖2 所示。

圖2 基于DT數(shù)據(jù)驅(qū)動的優(yōu)化方法

人體模塊考慮圖像分割和組織參數(shù)的賦值的誤差。設(shè)備模塊考慮磁體單元、射頻單元和梯度單元的變動，如放大器頻率響應(yīng)函數(shù)、重復(fù)時間、回波時間、弛豫時間、射頻脈沖的幅值、脈寬、射頻場非均勻性、靜磁場非均勻性和靜磁場漂移等。環(huán)境模塊考慮添加射頻干擾、鐵磁性物質(zhì)干擾、自主和非自主運(yùn)動干擾等因素，修正完成后再重構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)虛擬成像。

模型設(shè)計盡可能考慮到所有的相關(guān)因素，從實(shí)驗結(jié)果的反饋科學(xué)性、實(shí)驗操作的實(shí)時性、實(shí)驗操作的沉浸性等方面，與物理設(shè)備進(jìn)行對照，找出差距并不斷迭代優(yōu)化和持續(xù)改進(jìn)，修正的越精細(xì)，MRI設(shè)備DT體的輸出和物理實(shí)體的輸出越逼近。

2.4 應(yīng)用開發(fā)

MRI原理與技術(shù)DT實(shí)驗平臺除了滿足醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域院校批量實(shí)驗教學(xué)、影像技師培訓(xùn)、醫(yī)療器械工程師培訓(xùn)之外，還能為MRI設(shè)備的輔助研發(fā)提供分析平臺：低場磁共振弛豫譜反演算法研究［15］；高階有源勻場技術(shù)開發(fā)［16］；MRI偽影仿真分析［17］；樣本增廣和批量標(biāo)注模型構(gòu)建與數(shù)字圖譜研發(fā)［18］和MRI 設(shè)備性能智能檢測等。

3 實(shí)驗案例

根據(jù)MRI設(shè)備DT機(jī)理建模過程中所運(yùn)用的關(guān)鍵技術(shù)，可開展相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，建模過程完成系統(tǒng)預(yù)掃描、定位掃描、正常成像、異常成像、圖像信噪比、圖像均勻性、層厚、縱橫比、空間分辨力、低對比度分辨力、幾何畸變等質(zhì)控參數(shù)評價。每個環(huán)節(jié)對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和技術(shù)應(yīng)用價值見表1。

表1 基于DT機(jī)理建模的MRI成像原理與技術(shù)的實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容

3.1 磁共振檢查模擬實(shí)訓(xùn)

MRI原理與技術(shù)DT實(shí)驗平臺圍繞醫(yī)院MRI檢查場景和檢查流程設(shè)計，仿真結(jié)果如圖3（a）所示。該仿真結(jié)果與臨床檢查真實(shí)情景相對應(yīng)，進(jìn)入實(shí)驗平臺，進(jìn)行系統(tǒng)登錄，信息查驗，查前更衣，操作擺位，成像掃描和結(jié)束檢查，具體內(nèi)容見表2。

表2 MRI檢查DT實(shí)訓(xùn)流程

DT實(shí)驗平臺對物理實(shí)體狀態(tài)進(jìn)行同步仿真，利用DT融合數(shù)據(jù)實(shí)時重建MRI 圖像，虛擬空間中MRI 軟件操作界面如圖3（b）所示。平臺有機(jī)融合了軟件操作界面數(shù)據(jù)和數(shù)值計算圖像數(shù)據(jù)，在DT 虛擬空間中擺位、視野參數(shù)設(shè)置等操作，聯(lián)動表現(xiàn)于虛擬MRI 圖像的仿真結(jié)果。與物理實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行結(jié)果對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)序列參數(shù)對圖像的影響、識別和分析偽影、診斷故障等實(shí)驗內(nèi)容。

圖3 MRI成像原理與技術(shù)的DT實(shí)驗平臺仿真結(jié)果

3.2 磁共振加權(quán)成像實(shí)驗

在實(shí)驗平臺，選擇成像序列，如自旋回波成像序列、梯度回波成像序列、反轉(zhuǎn)恢復(fù)成像序列和平面回波成像序列，設(shè)置和調(diào)節(jié)序列參數(shù)、完成二維數(shù)據(jù)采集、K空間填充和圖像重建，可獲取T1WI 像、T2WI 像、PdWI像、脂肪抑制像、黑水像等。

選擇自旋回波成像序列，設(shè)置序列其他參數(shù)為默認(rèn)參數(shù)，調(diào)節(jié)參數(shù)脈沖重復(fù)時間TR 和回波時間TE，運(yùn)行仿真模型，完成二維數(shù)據(jù)采集和圖像重建，得到K空間和圖像仿真結(jié)果，TR和TE參數(shù)對圖像權(quán)重的影響結(jié)果如圖4 所示。保持回波時間TE＝20 ms，逐漸將重復(fù)時間TR由2 500、1 200、500、300 縮短至100 ms，組織的縱向磁化矢量恢復(fù)快慢差異逐漸顯現(xiàn)，T1權(quán)重逐漸增加，圖像由PdWI像向T1WI像過渡。保持重復(fù)時間TR＝2 500 ms，逐漸將回波時間TE 由20、50、100、150 延長至200 ms，組織的橫向磁化矢量衰減快慢差異逐漸顯現(xiàn)，T2權(quán)重逐漸增加，圖像由PdWI像向T2WI像過渡。該仿真結(jié)果與實(shí)體MRI設(shè)備的運(yùn)行結(jié)果相一致。

圖4 不同TR、TE 參數(shù)下的MRI圖像

3.3 磁共振偽影識別實(shí)驗

磁共振圖像上出現(xiàn)的一些成像對象本身不存在的圖像信息，使得圖像質(zhì)量下降，稱作偽影或鬼影。其產(chǎn)生因素主要包括成像環(huán)境、成像對象、成像設(shè)備和成像序列參數(shù)等。在MRI 原理與技術(shù)DT 實(shí)驗平臺上，設(shè)置和調(diào)節(jié)不同的參數(shù)，運(yùn)行仿真模型，實(shí)現(xiàn)偽影模擬，包括與成像環(huán)境和成像對象有關(guān)的條紋偽影、運(yùn)動偽影、偏離中心偽影；和設(shè)備有關(guān)的鏡像偽影、中心斑偽影、射頻串?dāng)_偽影；和成像序列參數(shù)有關(guān)的化學(xué)位移偽影、截斷偽影、卷褶偽影、射頻拉鏈偽影等。

靜電放電等引起K空間的信號幅值異常點(diǎn)，即數(shù)據(jù)尖峰點(diǎn)，使得圖像上出現(xiàn)不同間距且背景均勻的明暗相間的條紋偽影。尖峰數(shù)據(jù)出現(xiàn)在K 空間中的位置不同，條紋方向和間距具有差異。設(shè)置尖峰數(shù)據(jù)點(diǎn)的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)位置，運(yùn)行仿真模型。圖5 給出不同位置處的條紋偽影實(shí)驗結(jié)果。可見，仿真結(jié)果和理論相符。成像環(huán)境中存在頻率接近射頻頻率的信號進(jìn)入接收鏈路，圖像上會出現(xiàn)平行于相位編碼方向的干擾條帶，射頻串?dāng)_偽影仿真結(jié)果如圖6（a）所示。射頻脈沖翻轉(zhuǎn)角的設(shè)置存在誤差，引起激勵回波進(jìn)入接收鏈路，圖像上會出現(xiàn)平行于頻率編碼方面的中央條帶上的離散的亮點(diǎn)和黑點(diǎn)，射頻拉鏈偽影仿真結(jié)果如圖6（b）所示。仿真結(jié)果與設(shè)備運(yùn)行結(jié)果相對應(yīng)。

圖5 與成像環(huán)境和成像對象相關(guān)的偽影

圖6 與成像設(shè)備和成像序列參數(shù)相關(guān)的偽影

4 結(jié) 語

本文從教育元宇宙和DT 技術(shù)的概念出發(fā)，探討了教育元宇宙趨勢下MRI成像原理與技術(shù)DT實(shí)驗平臺的框架和機(jī)理建模思路，分析了一種可行的機(jī)理建模方法，實(shí)現(xiàn)了MRI設(shè)備的DT仿真，并設(shè)計了應(yīng)用服務(wù)資源庫以滿足實(shí)驗教學(xué)需求。

本文的理論研究和實(shí)驗案例為MRI設(shè)備DT建模提供理論依據(jù)和仿真實(shí)例，對數(shù)字孿生教學(xué)應(yīng)用具有一定的參考價值?，F(xiàn)階段的研究側(cè)重于機(jī)理建模的應(yīng)用效果評估，后續(xù)將考慮結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升平臺的沉浸性，力圖為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)幾近真實(shí)的實(shí)驗環(huán)境。同時，將完善智能化考核反饋功能，將教師從繁重的實(shí)驗評價中解放出來，有更多的精力關(guān)注于教學(xué)方法的改進(jìn)和學(xué)生學(xué)習(xí)效果的提升。