网络平台和技术开发相结合 拓展贵重仪器科研潜能

丁秋萍 何宏建

摘要：大型仪器是科研重器。教育部门和各高校高度重视大型仪器的开放共享，近年在大型仪器共享平台建设方面取得了很大的进展。在当前信息化技术迅速发展的背景下，如何通过网络平台及配套技术开发提高仪器的性能、拓展仪器的功能，提高仪器的高效有效利用，是一个值得探讨和论述的课题。本文将以科研型3T磁共振成像系统为例，从自动安全监测、数据质量控制、数据自动传输、存储、远程数据分析、新序列开发以及实时磁共振、磁共振模拟机等配套设备开发角度，阐述依托工程技术团队，借助网络平台，技术开发和应用相结合拓展仪器科研潜能的实例。这种基于网络平台，开发应用相结合的方法，有效助推大型仪器施展科研潜能，提高仪器利用率。

关键词：磁共振成像;网络平台;质量控制;仪器利用率

中图分类号：R197.39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）02-0220-03

0 引言

贵重大型仪器是科研的重器，价格昂贵。教育部门和各高校高度重视大型仪器的开放共享，在大型仪器共享平台建设方面取得了很大的进展，如清华大学、浙江大学等高校利用信息技术手段，建设了规范、高效的通用型及专业型大型仪器共享平台[1-2]，在仪器设备信息查阅、预约、财务结算方面为师生提供了便利，提高了仪器使用效益和效率。就特定贵重大型仪器而言，除了仪器自带的成熟的数据采集功能，还有很多值得开发、拓展和完善的空间，而这些空间对于创新性的科研工作来说往往是如虎添翼。目前，通过网络平台及配套技术开发提高仪器的性能、拓展仪器的功能，进而提高仪器的高效有效利用，很少有文章系统论述。

本文将以3T磁共振成像系统为例，介绍技术开发和科研应用相结合的实例。科研用大型仪器3T磁共振成像系统的管理依托工程院系，除了配置成熟的产品，如脑功能视听觉刺激系统、MRI同步采集脑电系统、眼动系统。为了充分施展科研用贵重仪器设备的潜质，依托工程类专业技术团队，在网络平台和配套技术开发方面做了大量探索，进一步拓展功能，深挖仪器设备的科研潜能。这种网络平台和一起开发相结合的做法，好比给仪器设备戴上救生圈，为仪器设备保驾护航，给仪器设备插上翅膀，助推仪器施展科研潜能，提高仪器利用率。

1 数据自动传输、可靠存储和远程数据分析

磁共振成像的实验数据分为医学数字图像传输协定（Digital Imaging and Communication in Medicine，DICOM）图像数据和原始K空间数据，一个被试的DICOM数据通常是几百兆到几个吉字节（Gigabyte，GB），原始采集空间数据则更大，几个GB到几百个GB不等。上百个被试大队列的实验数据完全称得上大数据。这么大量的数据，快速、便捷、稳定的传输和存储对于科学实验至关重要。作者所在磁共振团队协同企业开发了数据自动传输、可靠存储和远程分析系统。

1.1 DICOM图像数据影像数据同步实时传输系统

数据同步实时传输系统事先与磁共振成像仪器和服务器的对接，系统会自动获取Dicom数据，并对获取的Dicom数据头文件信息智能解析，将Dicom数据按标准目录进行存储。Dicom数据可以按被试名、扫描时间等信息进行快速检索。

1.2 影像数据计算平台

为了方便影像大数据的远程并行计算分析，团队协同企业在数据同步系统基础上开发了影像数据分析平台，分为用户访问层、计算层、数据层。设置影像数据管理系统、数据管理、SSH终端、Linux桌面等功能模块，影像数据计算存储平台通过这些功能模块访问。

Linux桌面为用户提供独立的通过浏览器工作的远程Linux工作环境。通过Web浏览器，可访问Linux桌面，以图形化界面访问计算资源。Linux桌面中可运行图形化界面的软件，环境中集成了基本的系统工具和一些常用的磁共振数据分析应用软件，如AFNi、FSL、FreeView、dcm2nii、matlab、DSI-Studio、Freesurfer等。用户可以方便地使用流程化分析工具，通过并行、GPU、云计算等计算机方法加速大规模数据分析效率，为大队列多模态的磁共振数据快速计算提供了强大的支撑。

1.3 实时功能磁共振

快速可靠的数据传输为实时功能磁共振技术的实现提供了基础。

功能磁共振成像利用磁共振来测量神经元活化引发的血液动力学的改变，间接检测大脑功能区域，是人们研究人类中枢神经系统作用机制的重要途径。然而，大多数功能磁共振研究，实验结果需要花费数小时进行线下处理后得到，无法实时地监测被试的配合程度，更无法实时反馈给被试进行人机互动。为此，Cox等人率先提出实时功能磁共振成像实现了在与采集速度比拟的时间里完成功能图像数据的处理[3]。

浙大磁共振团队从技术上实现了实时磁共振过程，并可以根据当前实时监测受试者的任务响应水平，并根据受试者的任务情况决定后续将要呈现给受试者的刺激材料，灵活地调整多阶段功能任务扫描的时长，帮助缩短脑功能信号采集的总时间[4]。这对提高临床病人的脑功能活动扫描效率和功能区的快速定位有很好的实际意义。

2 数据质量控制和仪器安全保障

仪器安全是最基本的要求，利用网络设备可以解放人力，提高可靠性。数据质量是科学实验成功的关键，更是科研严谨性的前提。数据质量控制方面工作的重要性不言而喻。数据质量控制从工程技术角度可以作多方面的努力。以3T磁共振成像系统为例，可以从机器本身的稳定性、机器之间的可比性角度入手;也可以從实验对象，3T磁共振成像的实验对象主要是人，可以开发模拟磁共振在正式实验前进行训练。

2.1 数据质量控制

2.1.1 质量控制软件开发

磁共振团队在实际科研的基础上总结、提升、完善，形成了一套多中心磁共振结构和功能成像的质量控制方法[5]，并对包含了近10家单位联合的多中心脑图谱项目磁共振数据进行了质量控制，通过分析和比较，各中心的机器性能稳定，各中心之间部分各向异性均值的变异系数（CV）为8.2%，高于其他指标，各指标差异均存在统计显著性（p<0.05）。

2.1.2 质量控制用水模制作

为了能够更准确地运用更多参数进行质量控制，磁共技术团队尝试制作了多种水模，有用于定量测量磁共振弛豫时间的，用于测量磁共振弥散成像的，用于代谢物波谱成像的，还利用磁共振扫描得到的高分辨3D结构图像，经过专业软件处理，保留脑壳部分，用PLC材料进行3D打印得到外壳，再在脑部空腔内填充模拟人脑组织磁共振参数的特制凝胶，得到仿人脑水模。用静电纺丝方法制作几十微米量级粗细的同轴中控电纺丝，仿人脑神经元，相关的工作还在进一步完善和标准化。

2.1.3 磁共振模拟机的开发

磁共振扫描人体被试需要在幽闭的检查孔里待较长时间，通常医院磁共振检查时间在15分钟左右，科研磁共振扫描时间更长，通常在40分钟左右甚至更长的时间，并且，扫描过程中有很大的噪音。如果能在磁共振扫描前，在模拟磁共振上先进行体验、适应，可以消除被试的紧张感，在体验的过程中解说检查体味、注意事项，可以节省宝贵的磁共振扫描时间。特别是对儿童被试，通过事先体验，增加亲切感，可以免除打镇静剂。

结合儿童磁共振扫描需要，磁共振团队开发了带脑功能视听觉刺激模块的磁共振模拟机（见图1）。磁共振模拟训练装置主要由机身、带反光镜的线圈、带按键的视听觉反馈模块、电脑主机和显示屏、贴合儿童喜好的软装几部分组成。磁共振模拟机的设计过程除了注重安全和使用功能，选材和颜色还充分考虑儿童的喜好，基本实现了以下功能：儿童进入磁共振模拟机房间，有一种温馨感、亲切感，儿童乐意体验。磁共振机身部分扫描床、检查孔尺寸采用真机大小，扫描床可手动进床，机身部分采用小房子造型加彩色皮软包，实现功能的同时增加趣味性。自制的头线圈模型可上下盖合，上面配有反光镜，可以躺着看显示屏。按键反馈系统，采用真机按键一比一大小，可以真实模拟任务态的整个过程。录制了磁共振噪音，体验过程中播放噪音，体验过程更加真切。

磁共振模拟机有助于确认患者能否遵从磁共振检查的要求，并且能否准备临床扫描，从而减少了不必要的预约，节省了宝贵的扫描时间。

2.2 个性化开发磁共振设备网络监测用摄像头

磁共振成像仪器采用超导系统，为了确保液氦不挥发维持超导环境，压缩机需要24小时工作。为了检测压缩机工作是否正常，磁共振团队结合本科生的科研训练计划项目，个性化开发了高场磁共振支持设备的远程监控系统，实现了压缩机和空调系统的监测端摄像头抓拍、图片云端存储、接收端APP界面设计、显示。监控设备采用手机移动端对磁共振系统支持设备进行远程、实时监控、长程记录和及时报警，轻巧、便携、可拆卸，且适用于黑暗、狭小的空间，实现无人值守，可有效降低设备故障造成的巨大经济损失。

3 新序列开发

磁共振成像系统依托生物医学工程专业，所在团队引进了多位青年千人计划研究员，和磁共振厂家紧密合作，开展超前于临床的快速高分辨新序列开发，形成了一定的特色。其中实验室自主开发了快速定量磁共振指纹图谱技术，申请了专利，快速定量检测的新方法和神经内科医生紧密合作，用于癫痫疾病的病灶发现和精准定位，为手术治疗提供指导，相关文章发表在Radiology等杂志上[6]。

正在开展的磁共振序列开发还有神经元髓鞘水定量成像、超高分辨弥散成像序列、化学转移成像序列，正在和神经内科、口腔科、人脑库等团队联合开展基础和临床研究。

4 总结和讨论

仪器设备资源是高校科研院所的重要物质基础，也是培养高质量人才和产出高质量科研成果的保障[7]。贵重大型仪器又是仪器设备中的战斗机，从安全保障、数据质量控制、附属设备开发、新序列开发等多角度拓展仪器潜力的同时，还可以多层次培养人才，多学科合作，形成多赢的局面。

仪器功能的拓展可以给本科生创造练手的机会，给实验技术人员提供精进实验技术、机器功能开发的机会，给基础和临床团队提供使用技术支撑，吸引仪器共享用户的同时，也为技术开发团队拓展应用空间，也能和仪器供应商合作共赢，形成多方良性互动。

这种网络平台和技术开发相结合，拓展贵重仪器科研潜能的模式也有一定的局限性。贵重仪器需要依托工程技术背景的团队，以技术开发为侧重的科研和实际应用相结合，才能调动各方的积极性。这种模式也受限于仪器设备的战斗力和生命周期。不管怎样，这样的模式有利而无弊，值得进一步探索。高校院所依托网络平台的配套技术开发也是仪器设备配套功能培育的好途径，相关技术也可以通过企业进一步测试、整合，在高校院所内快速推广，缩短技术更新迭代的时间。

参考文獻

[1] 梁思率，杨树国，王臻，陶洪明，方驰.仪器共享平台系统关键技术研究[J].2016，35（6）：277-279.

[2] 唐梅，宋兴辉，李艳伟，章璐，杨晨.高校医学大型仪器设备共享平台的建设与思考[J].中国医学教育技术，2017，31（3）：256-258.

[3] Cox R W，Jesmanowicz A，Hyde J S.Real-time functional magnetic resonanceimaging[J].Magnetic Resonance in Medicine，1995，33（2）：230-236.

[4] 何宏建，韩璐，丁秋萍，窦权，钟健晖.具有实时反馈和任务更新功能的脑功能实验任务刺激系统：中国，ZL201710249326.1[P].2018.

[5] 李晨，童琪琦，龚婷，何宏建，丁秋萍，钟健晖.多中心扩散MRI的质量控制[J].中国医学影像技术， 2019，35（1）：20-24.

[6] Congyu Liao，Kang Wang，Xiaozhi Cao，Yueping Li，Dengchang Wu，Huihui Ye，Qiuping Ding，Hongjian He，Jianhui Zhong*，Detection of lesions in mesial temporal lobe epilepsy by using MR fingerprinting[J].Radiology，2018（288）：804-812.