一种磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真系统及方法

摘要

本发明属于仿真技术领域，公开了一种磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真系统及方法，磁共振仪器模块用于对场景内所需设备进行三维建模，配置相关三维模型的参数与Unity3D所需模型参数一致，进行人机交互；磁共振成像模块用于构建模拟的氢质子、横向磁化矢量、纵向磁化矢量以及磁化矢量分量的三维模型；并进行MRI数据处理，得到不同部位的K空间数据以及部分K空间数据成像和整个K空间数据成像；同时用于进行数据交互，图像重建；人体扫描模块用于进行不同的体位、线圈以及序列的选择。本发明更加形象直观的展现MR设备、操作简单方便。本发明更加形象展示序列对成像时间和图像质量的影响，更加清晰呈现人体扫描的全过程。

说明书

技术领域

本发明属于仿真技术领域，尤其涉及一种磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真系统及方法。

背景技术

目前，磁共振检查技术与其他影像检查技术相比，具有无辐射，多方位、多参数等优点。作为一名学习技术人员，不仅要学会操作磁共振设备，更要熟知磁共振设备的结构与原理以及磁共振成像的过程，才能确保图像的质量，医师才能做出正确的诊断。对于磁共振这种大型的医学成像设备，传统的教学模式，就是老师讲解、PPT演示、视频演示和参观实习，并没有直接操作的机会，缺乏实践经验。同时由于MRI设备十分昂贵，相关人员想要学习MRI设备结构与原理以及成像原理，只能通过书本的讲解以及书本的图解，内容抽象复杂难以理解。

已有的研究只是很简单的对MRI设备的外壳实现仿真，没有涉及到其内部的结构、射频线圈、梯度线圈以及成像过程，同时在实现MRI检查的虚拟仿真时，没有实时的显示出在扫描每个层面时所得到的K空间原始数据，从而影响对MR成像原理的真正掌握。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的磁共振模拟主要针对简单的外壳进行，没有对内部结构、射频线圈、梯度线圈以及成像过程进行模拟；同时在实现MRI检查的虚拟仿真时，没有实时的显示出在扫描身体不同部位的每个层面时所得到的K空间原始数据曲线，更没有实现对扫描数据的图像重建，从而影响了从工科角度切实掌握MRI成像原理。

解决以上问题及缺陷的难度为：

要解决以上问题及缺陷，必须对MRI成像设备的内部结构非常熟悉，包括对关键部件按照实际尺寸的一种比例进行3DS Max设计，对部件的位置、安装以及功能都要深入掌握。而且对成像过程的每一步在实现上都要和实际的仪器成像有高度的逼真效果。这需要在深入掌握MRI数据采集的K空间理论基础上，首先要采用MATLAB得到MRI在K空间的采集数据，并采用C#开发，获取MRI数据，再和Unity 3D编程结合，才能仿真出不同部位的扫描数据。同时，不同序列的选择又影响扫描数据的形式，以及后续的图像重建方法以及重建效果，这都需要对MRI成像技术有全方位的理论和实践经验才能实现。

解决以上问题及缺陷的意义为：

解决了实现大型医学影像设备虚拟化的关键技术，可以为磁共振成像领域提供一种全新的磁共振成像虚拟设备。同时，由于配备了成像模块和人体扫描的仿真模块，以及各种功能的配套说明，使用该套系统可以达到甚至超过实际仪器的效果。该虚拟MRI设备系统的使用不受时间和地点限制，可以随意拆卸和组装，不用担心损毁设备，并能深入掌握K空间数据采集和图像重建方法，为学习者和科研人员提供一种强大的工具。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真系统及方法。

本发明是这样实现的，一种磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真系统，所述磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真系统包括：

磁共振仪器模块、磁共振成像模块以及人体扫描模块；

磁共振仪器模块，包括整体布局单元、设备结构单元以及设备拆分单元；用于对场景内所需设备进行三维建模，配置相关三维模型的参数与Unity3D所需模型参数一致，通过本地Unity3D进行用户与虚拟场景内设备的人机交互；

磁共振成像模块，包括MRI匀场单元、氢质子旋转单元、磁化矢量驰豫单元、K空间数据填充单元以及图像重建单元；用于构建模拟的氢质子、横磁化矢量、纵磁化矢量以及磁化矢量分量的三维模型；并进行MRI数据处理，得到不同部位的包括K空间的实部、虚部和绝对值的K空间数据以及部分K空间数据成像和整个K空间数据成像；同时用于进行数据交互，部分K空间数据和完整K空间数据的图像重建；

人体扫描模块，包括体位选择单元、线圈选择单元和序列选择单元；用于进行不同的体位、线圈以及序列的选择。

进一步，所述磁共振仪器模块包括：

设备整体布局单元，用于展示磁共振设备在医院的整体空间布局信息；

设备结构单元，包括磁体子单元、射频子单元、梯度子单元、辅助子单元以及谱仪子单元；用于确定MR设备的各个结构；

设备拆分单元，用于进行MR设备各个结构拆分，确定各结构的名称以及其对应的功能。

进一步，所述磁共振成像模块包括：

MRI匀场单元，用于对磁体的成像区域进行匀场；

氢质子旋转单元，用于模拟在成像过程中，氢质子在施加不同的射频脉冲以及梯度脉冲时的旋转状态；

磁化矢量驰豫单元，用于模拟横向磁化矢量、纵向磁化矢量在施加射频脉冲之后各部分的磁化过程；

K空间数据填充单元，用于采用逐行填充、隔行填充或螺旋填充的方式将采集的扫描数据填充于K空间；

图像重建单元，用于对采集到的K空间数据利用傅里叶变换进行二维部分K空间数据成像和完整K空间成像的图像重建。

进一步，所述人体扫描模块包括：

体位选择单元，用于进行检查体位选择；

线圈选择单元，用于根据检查单，选择不同的射频线圈；

序列选择单元，用于根据所需检查部位不同，进行序列选择。

本发明的另一目的在于提供一种应用于所述磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真系统的磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真方法，所述磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真方法包括：

步骤一，进行磁共振结构模拟；进行磁共振成像模拟；确认扫描人体的信息以及检查部位，并确定待扫描人体是否有禁忌症；

步骤二，进入磁体间，进行体位、线圈选择，并基于检查单进行相应处理；将定位线的中心点对准检查部位的中心点，进床；

步骤三，对所需检查部位首先扫描定位像，导入该部位所需序列，在定位像上对该序列进行定位，设置层数、层间距、FOV、TR、TE和ETL及其他相关参数，设置完毕后保存序列；

步骤四，保存该序列扫描获得的检查部位图像，确认图像质量，若质量不佳，则再次对该患者进行扫描；所有扫描结束，移出磁体，取下线圈，即可。

进一步，步骤一中，所述进行磁共振结构模拟包括：

首先，进行物体选择，获取选择物体的相应结构组成及功能数据；

其次，对设备间、磁体间以及操作间的各种设备和物体进行360度展示；

最后，进行MR设备各个结构的拆分，并对结构组成以及功能进行显示。

进一步，步骤一中，所述进行磁共振成像模拟包括：

(1)进行头先进、仰卧或头先进、俯卧或脚先进、仰卧或脚先进、俯卧四种体位选择；选择头线圈、脊柱线圈、心脏线圈、腹部线圈、膝关节线圈、乳腺线圈以及包裹线圈中的一种；

(2)基于检查部位选择SE序列、FSE序列、GE序列和EPI序列中其中一种序列；

(3)基于选择的序列进行成像过程模拟。

(4)更换序列，比较不同序列对成像时间和图像质量的影响。

进一步，步骤(3)中，所述基于选择的序列进行成像过程模拟包括：

模拟在成像过程中，氢质子在施加不同的射频脉冲以及梯度脉冲的旋转状态；模拟横向磁化矢量、纵向磁化矢量在施加射频脉冲之后各部分的磁化过程；采用逐行填充、隔行填充或螺旋填充的方式将采集的扫描数据填充于K空间；对采集到的K空间数据利用傅里叶变换进行二维部分K空间数据成像和完整K空间成像的图像重建。

本发明另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述的磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真方法。

本发明另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述的磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明更加形象直观的展现MR设备、操作简单方便。本发明能够更好的全方位展示MR设备的结构，更加直观立体学习设备的各个组成部分，更加形象展示序列对成像时间和图像质量的影响，更加清晰呈现人体扫描的全过程。该虚拟MRI设备系统的使用不受时间和地点限制，可以随意拆卸和组装，不用担心损毁设备，并能深入掌握K空间数据采集和图像重建方法，为学习者和科研人员提供一种强大的工具。

本方案所涉及的磁共振结构与原理仿真过程，通过Unity 3D模拟出逼真的MRI设备，提供了更好的学习该设备原理以及结构的环境；本发明平台使用Unity3D实现MR成像过程，模拟在成像过程中每一步所涉及到的结构运行状态，操作简单，方便用户学习；本发明平台使用Unity 3D实现模拟患者检查过程，用户可提前了解MR设备检查过程，减少因MR设备切换磁体所造成的恐慌感，同时用户若为学生，可减少医院实习时间，增加对设备操作的熟悉度；本发明仿真平台具有良好的开放性，研究人员可以针对自己的研究加入不同的序列以及不同的采集数据方式。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真系统结构示意图；

图中：1、磁共振仪器模块；11、整体布局单元；12、设备结构单元；13、设备拆分单元；2、磁共振成像模块；21、MRI匀场单元；22、氢质子旋转单元；23、磁化矢量驰豫单元；24、K空间数据填充单元；25、图像重建单元；3、人体扫描模块；31、体位选择单元；32、线圈选择单元；33、序列选择单元。

图2是本发明实施例提供的磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真方法。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真系统包括：

磁共振仪器模块1、磁共振成像模块2以及人体扫描模块3；

磁共振仪器模块1，包括整体布局单元11、设备结构单元12以及设备拆分单元13；用于对场景内所需设备进行三维建模，配置相关三维模型的参数与Unity3D所需模型参数一致，通过本地Unity3D进行用户与虚拟场景内设备的人机交互；

磁共振成像模块2，包括MRI匀场单元21、氢质子旋转单元22、磁化矢量驰豫单元23、K空间数据填充单元24以及图像重建单元25；用于构建模拟的氢质子、横磁化矢量、纵磁化矢量以及磁化矢量分量的三维模型；并进行MRI数据处理，得到不同部位的包括K空间的实部、虚部和绝对值的K空间数据以及部分K空间数据成像和整个K空间数据成像；同时用于进行数据交互，部分K空间数据和完整K空间数据的图像重建；

人体扫描模块3，包括体位选择单元31、线圈选择单元32和序列选择单元33；用于进行不同的体位、线圈以及序列的选择。

本发明实施例提供的磁共振模块1包括：

设备整体布局单元11，用于展示磁共振设备在医院的整体空间布局信息；

设备结构单元12，包括磁体子单元、射频子单元、梯度子单元、辅助子单元以及谱仪子单元；用于确定MR设备的各个结构；

设备拆分单元13，用于进行MR设备各个结构拆分，确定各结构的名称以及其对应的功能。

本发明实施例提供的磁共振成像模块2包括：

MRI匀场单元21，用于对磁体的成像区域进行匀场；

氢质子旋转单元22，用于模拟在成像过程中，氢质子在施加不同的射频脉冲以及梯度脉冲时的旋转状态；

磁化矢量驰豫单元23，用于模拟横向磁化矢量、纵向磁化矢量在施加射频脉冲之后各部分的磁化过程；

K空间数据填充单元24，用于采用逐行填充、隔行填充或螺旋填充的方式将采集的扫描数据填充于K空间；

图像重建单元25，用于对采集到的K空间数据利用傅里叶变换进行二维部分K空间数据成像和完整K空间成像的图像重建。

本发明实施例提供的人体扫描模块3包括：

体位选择单元31，用于进行检查体位选择；

线圈选择单元32，用于根据检查单，选择不同的射频线圈；

序列选择单元33，用于根据所需检查部位不同，进行序列选择。

如图2所示，本发明实施例提供的磁共振成像设备和人体扫描的虚拟仿真方法包括以下步骤：

S101，进行磁共振结构模拟；进行磁共振成像模拟；确认扫描人体的信息以及检查部位，并确定待扫描人体是否有禁忌症；

S102，进入磁体间，进行体位、线圈选择，并基于检查单进行相应处理；将定位线的中心点对准检查部位的中心点，进床；

S103，对所需检查部位首先扫描定位像，导入该部位所需序列，在定位像上对该序列进行定位，设置层数、层间距、FOV、TR、TE和ETL及其他相关参数，设置完毕后保存序列；

S104，保存该序列扫描获得的检查部位图像，确认图像质量，若质量不佳，则再次对该序列患者进行扫描；所有扫描结束，移出磁体，取下线圈，即可。

步骤S101中，本发明实施例提供的进行磁共振结构模拟包括：

进行物体选择，获取选择物体的相应结构组成及功能数据；对设备间、磁体间以及操作间的各种设备和物体进行360度展示；进行MR设备各个结构的拆分，并对结构组成以及功能进行显示。

步骤S101中，本发明实施例提供的进行磁共振成像模拟包括：

(1)进行头先进、仰卧或头先进、俯卧或脚先进、仰卧或脚先进、俯卧四种体位选择；选择头线圈、脊柱线圈、心脏线圈、腹部线圈、膝关节线圈、乳腺线圈以及包裹线圈中的一种；

(2)基于检查部位选择SE序列、FSE序列、GE序列和EPI序列中其中一种序列；

(3)基于选择的序列进行成像过程模拟。

(4)更换序列，比较不同序列对成像时间和图像质量的影响。

步骤(3)中，本发明实施例提供的基于选择的序列进行成像过程模拟包括：

模拟在成像过程中，氢质子在施加不同的射频脉冲以及梯度脉冲的旋转状态；模拟横向磁化矢量、纵向磁化矢量在施加射频脉冲之后各部分的磁化过程；采用逐行填充、隔行填充或螺旋填充的方式将采集的扫描数据填充于K空间；对采集到的K空间数据利用傅里叶变换进行二维部分K空间数据成像和完整K空间成像的图像重建。

下面结合具体实施例对本发明的技术效果作进一步描述。

实施例：

打开磁共振成像设备及人体扫描的虚拟仿真系统，在初始界面中，选择磁共振结构与原理，按照界面的提示步骤操作；

点击界面中高亮物体，panel界面上显示点击物体的结构原理以及作用，按照提示，用户点击想要了解的结构，在panel界面就会出现该结构的原理以及作用；

点击提示界面的下一步，滚动滑轮，缩放设备间、磁体间以及操作间的各个视野，按住鼠标的左键，旋转所悬挂的摄像头，360度观察设备间、磁体间以及操作间各种设备和物体；

点击panel界面MR拆分按钮，进入MR拆分界面，用户根据introduction panel界面提示，并且根据需求选择MR设备各个结构实现拆分。在image界面选择结构名称，点击名称，该结构在场景中高亮，鼠标点击高亮结构，提示界面模块会实现对结构组成以及作用进行说明。长按鼠标左键，拖动鼠标，旋转摄像头，全方位学习各个结构的组成。

点击下一步，模拟磁共振结构与原理结束，拆分的结构回到初始位置，并且点击返回主场景，用户进行下一个场景的模拟。

用户选择模拟磁共振原理场景，根据panel界面提示，introduction panel界面解释磁共振成像原理。开始模拟操作，在体位模块，选择四种体位中的一种，包括头先进、仰卧，头先进、俯卧，脚先进、仰卧，脚先进、俯卧。根据检查部位，在线圈模块选择不同线圈，包括头线圈、脊柱线圈、心脏线圈、腹部线圈、膝关节线圈、乳腺线圈以及包裹线圈。所需检查的部位不同，在序列选择模块，选择不同的序列，包括SE序列、FSE序列、GE序列和EPI序列，选择其中的一个序列模拟，如点击SE序列，氢质子模块开始工作，在检查床进入主磁体之前，模拟的氢质子在场景中是无规则排列；开始检查，检查床进入主磁体，氢质子在场景中迅速有规则的排列，与主磁体方向相同的氢质子比与主磁体相反的氢质子多一些，所以静磁化矢量的方向与主磁体是一致的。

点击下一步，射频线圈和z梯度线圈通电，这两个线圈在场景中高亮显示，施加90度射频脉冲，磁化矢量模块中静磁化矢量迅速偏转到XY平面，模拟的三层氢质子只有一层由于共振频率被激发，射频线圈和z梯度线圈通电结束。磁化矢量模块，纵向弛豫矢量逐渐恢复，横向磁化矢量逐渐较小，开始散相。点击下一步，施加180度射频线圈，线圈高亮，各个方向的横向弛豫矢量在XY平面旋转180度，通电结束，停止高亮。施加Y梯度磁化矢量，不同行的氢质子频率发生改变。横向弛豫矢量开始聚相，当横向弛豫矢量聚相到最大时，X梯度线圈通电，采集所扫描的数据。Vide界面演示K空间填充模块中的一个TR内K空间填充过程，根据所扫描的部位不同，设定图像的分辨率，即kx，ky，根据ky来确定重复次数。点击下一步，根据所采集的k空间数据，如数据的实部、虚部和绝对值，用户可观察到整个k空间填充数据的特征。点击下一步，k空间数据经过傅里叶变换，重建得到MR图像，用户可选择三个方位上的图像，包括横断位、矢状位以及冠状位上的图像，选择其中的任何一个，滚动滑轮，显示该方位的图像。

SE序列成像原理以及过程演示结束，用户可根据需求选择其它三个序列进行模拟操作。

返回主场景，结束MR成像原理的学习，点击模拟人体检查过程，进入此场景，开始模拟过程。技师呼叫患者，确认患者信息以及检查部位，并且询问患者是否有禁忌症，让体位患者换上检查服。患者进入磁体间，技师选择线圈，给患者摆好体位，根据患者的检查单要求，若患者需要注射造影剂，给患者接针；若患者是腹部检查，训练患者呼吸和憋气。技师按MR外壳上的操作界面，定位线的中心点对准检查部位的中心点，进床。技师回到操作间，在主机界面开始操作，对患者所需检查部位首先扫描定位像，导入该部位所需序列，在定位像上对该序列进行定位，设置层数、层间距、FOV、TR、TE和ETL等参数，设置完毕，保存序列。在扫描的过程中，技师需要注意患者在磁体间的身体状态，若患者不适，立即停止扫描，将患者移出磁体。扫描完后，技师查看该检查部位图像，若图像质量不佳，需要重新对该患者进行扫描。等待所有的扫描结束，技师回到磁体间，按下操作界面的初始键，患者移出磁体，取下线圈，待患者离开磁体间，对下一位患者进行检查。

本发明提供的磁共振仪器模块用于对场景内所需设备进行三维建模，配置相关三维模型的参数与Unity3D所需模型参数一致，进行人机交互；磁共振成像模块用于构建模拟的氢质子、横向磁化矢量、纵向磁化矢量以及磁化矢量分量的三维模型；并进行MRI数据处理，得到不同部位的K空间数据以及部分K空间数据成像和整个K空间数据成像；同时用于进行数据交互，图像重建；人体扫描模块用于进行不同的体位、线圈以及序列的选择。本发明更加形象直观的展现MR设备、操作简单方便。本发明能够更好的全方位展示MR设备的结构，更加直观立体学习设备的各个组成部分，更加形象展示序列对成像时间和图像质量的影响，更加清晰呈现人体扫描的全过程。该虚拟MRI设备系统的使用不受时间和地点限制，可以随意拆卸和组装，不用担心损毁设备，并能深入掌握K空间数据采集和图像重建方法，为学习者和科研人员提供一种强大的工具。

下面结合实验对本发明的创造性作进一步证明：

在人体扫描的功能模块中，对患者进行MRI扫描的实验。

在系统UI界面中，选择人体扫描模块。首先将患者和床一起推入磁体中，选择头先进仰卧的体位模式。

选择头部作为检查部位，观察到患者头部进入磁体中心位置后，磁化矢量的方向和磁体B0的方向一致，为纵向磁化矢量最大值。

选择自旋回波序列SE进行横断位数据扫描。首先射频线圈通电施加90°脉冲，选层梯度线圈同时通电，观察到此时射频线圈和梯度线圈高亮度显示，正在工作状态。此时纵向磁化矢量开始衰减，出现了横向磁化矢量以供信号检测。

然后关闭射频和梯度线圈，再对相位编码梯度线圈进行通电，观察到此时纵向磁化矢量变大，逐渐恢复，横向磁化矢量开始减小。

关闭相位编码梯度线圈，再次给射频线圈通电，施加180°脉冲，观察到磁化矢量翻转180°。再次关闭射频线圈，给频率编码梯度线圈通电，开始采集信号。此时听到模拟数据采集时线圈发出很强的噪音。

观察此时出现的K空间数据的曲线显示，有三种颜色的曲线，红绿蓝分别对应数据的实部、虚部和幅值。观察数据值在K空间低频和高频区域的动态变化，理解MRI频域采集数据的原理。

根据选择的序列为T2加权，按照设置的参数：TE＝60ms,TR＝1500ms，计算采集128行K空间数据所需要的时间，观察和实验中扫描的时间是否相同，试验证明是相同的。

对128行K空间数据进行图像重建。先进行全K空间数据的图像重建，观察头部的图像质量。然后将数据隔行舍弃，进行加速因子为2的部分K空间数据的图像重建，再观察图像质量。此时可以看到后者出现图像伪影，图像质量明显不如前者，证明了缺失数据对图像质量的影响很大。

改变患者的成像方位，依次再对矢状位和冠状位方位进行数据扫描，重复上述过程，比较三个方位的图像。确认三个方位在全采集时图像质量为优，结束数据扫描和图像重建的工作，保存图像结果。将患者退出磁体，关闭设备，回到系统初始状态。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。