引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）系统是当前最重要的医学诊断手段之一，也是揭开人类生命之谜的重要工具.它不仅可以根据诊断需要提供成像组织灵活多样的对比度，还可以进行解剖学和生理学研究^[1].MRI系统的架构多年以来一直保持相对稳定，无论哪一种MRI系统，通常均由以下几部分构成：操作平台（主计算机host）、系统机柜（即设备间，包括控制器件、功率器件以及信号处理部分）、磁体部分（即扫描间，主磁体、梯度线圈和射频线圈等）及周边冷却设备、电气设备等.传统系统架构如图 1所示.

如上图所示，在实际的物理空间分布上，操作间与设备间、设备间与扫描间的各组件距离较远，且设备间与扫描间需穿过起屏蔽作用的穿墙板才能进行连接，这些连接的长度大概在十几米到几十米不等，线路连接复杂且容易引入串扰风险，所以以下设备模块之间的传输可考虑采用无线化方案：（1）操作平台（主计算机host）与控制模块之间的数据传输；（2）控制模块与患者交互控制模块之间的控制信号传输；（3）控制模块与接收链路的接收控制单元的信号传输.操作间的操作平台与设备间的控制模块之间的通信可仍旧保留目前传统的网线连接，也可考虑采用无线化通信方式；设备间内，控制模块与重建模块，控制模块与射频激发器、梯度控制器之间，其相互间的距离很近，信号传输可以采用无线化方式也可以采用传统的同轴电缆或光纤连接；在扫描间内，接收控制单元与接收线圈之间的数据传输可以考虑采用无线传输模式；而设备间内与射频放大器、梯度放大器相关的连接则是用于大功率的信号传输.值得注意的是，对于MRI设备，特别是超高场MRI设备，射频链路的优化一直是研究热点之一^{[2, 3]}.

基于以上因素，我们考虑对传统MRI架构进行简化和调整.现代无线通信技术的发展日新月异，5G技术的高速率、广覆盖、低时延的优良特性使得万物互联成为可能.目前5G技术主要应用于增强移动带宽（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、高可靠低时延（Ultra-Reliable and Low Latency Communication，uRLLC）和海量机器类通信（Massive Machine Type Communication，mMTC）3大应用场景.其中，eMBB主要应用于对网络传输速率有极高要求的领域；uRLLC主要应用于对时延要求和可靠性要求很高的行业中；mMTC主要应用在智慧城市、智能家居这些连接数量庞大、接入成本低的场景.MRI系统可以借助这个潜能巨大的平台以实现更为简洁高效的系统架构^[4-6].

1 基于当前5G通信平台的新型MRI系统架构设想

5G通信拥有非常快的传输速度（5G计划的标准中要求单个5G基站至少能够支持20 Gbps的下行速率以及10 Gbps的上行速率），同时网络的延迟率大幅度下降，可以降低到5 ms之内（uRLLC的5G应用场景中要求的时延必须低于1 ms），可靠性高达99.999%.基于此，我们提出以下设想.

1.1 系统关键控制单元之间实现无线互联

5G通信的关键技术之一是终端直通（Device-to-Device，D2D），是指两个对等的用户节点之间直接进行通信的一种通信方式，是设备到设备之间的直接信息交互过程，不需要从基站进行信息中转，从而提高了信息收发和传输的效率.在由D2D通信用户组成的分散式网络中，每个用户节点都能发送和接收信号，并具有自动路由的功能.

基于此，我们考虑将MRI系统尽可能的无线化.对于前文中提到的现有MRI系统中各模块间的通信电缆以及光纤数量较多的问题，考虑通过无线互联的方式实现这些模块之间的数据交互.图 2是一个无线控制模式下的MRI系统架构方案设想.

在无线架构下，操作平台与控制模块之间采用无线通信的方式，在操作平台主机上设置的扫描序列、扫描参数等信息通过无线传输方式与机柜内部的控制模块进行通信，而在传统的MRI系统架构下，操作平台和控制模块、重建模块之间是通过光纤进行连接的；控制机柜内部的信息控制交互仍采用传统方式，即通过内部连线和射频控制部件及梯度控制部件进行信息传递.

另一方面考虑接收链路的无线化，可采用不同的方式实现：当采集到的MRI信号被接收线圈接收后，可以直接在线圈端就把接收到的信号通过无线的方式发送回接收机；也可以采用图 2中描述的方式，在系统中线圈接口后端实现无线化的转换.这两种方式相比较而言，后一种方式实现起来相对简单，但仍然会受到系统接口硬件通道数的限制，而如果将无线转化放在线圈端，接收到的数据通过分时传输技术传输给接收机，则将突破硬件通道数量限制，大大提高MRI系统的接收能力和效率.这个改变将会省去大量的控制线以及射频信号传输线，但缺点是线圈设计的复杂度大大增加，相当于把无线转换的任务加到了线圈设计上.此外，和现有的传统方式相比较，接收机的分时接收将节约接收通道数量，不需要一个通道对应一个物理连接，从而可将传统的一对一全双工有线连接方式进化为分时多址无线信息交互方式，从而可以对实际扫描过程中的一些流程进行简化.例如，可用于同一患者的多部位检查，预先设定扫描流程，配置完善所有需要用到的线圈，在扫描过程中，每扫描完一个部位，相应的接收线圈会把相应数据传输给系统，从而避免了每扫完一个部位即需更换线圈的需求，从而节省了时间，大大提高了扫描效率.

1.2 多个系统之间实现无线互联

MRI检查时间较长，单独一个序列的持续时间从十几秒到若干分钟不等.然而，在扫描过程中，系统的控制模块、数据重建模块在大部分的时间里都处于空闲状态，利用率比较低.因此，可以考虑一种新的系统拓扑结构，把这两个模块以共享的方式供多个系统使用，各系统之间以分时共享的形式利用这部分资源.

5G通信平台的超高可靠与uRLLC传输技术给该分时共享结构的实现提供了可能性，此结构结合1.1节中的无线化控制和接收概念可以组建成一个高效、共享的新型MRI诊疗平台.新型MRI系统架构所提出的共享并不是指简单的数据存储——类似目前智慧医疗里常用的云端数据库，而是把控制模块、重建模块单独放在控制中心的服务器上进行独立控制、处理、运算.而客户端只是磁体、梯度放大器、射频放大器、电源等大功率器件.基于高速通信网络的新型MRI系统架构如图 3所示.

图 3所示是一个新型的多系统平台结构，多台MRI系统分时共享一个数据处理单元，各自拥有其独立的终端以及磁体、梯度、射频及其功率放大器、电源等硬件设备；能够实现独立的扫描，每台MRI系统的数据处理以及后期存储工作都在数据控制中心完成.

该新型系统架构相比于传统系统架构，区别主要有以下两点：首先，传统MRI结构中的控制主机被简单的终端替代，新终端的作用只是简单的人机交互，用户通过ID登录进入MRI系统并通过无线协议与系统中心处理单元进行数据交互，完成患者信息的记录以及序列的设置，重建图像的浏览等等；其次，原有系统机柜中只保留功率器件部分，即梯度放大器、射频放大器、电源模块等.而传统系统中的控制模块、重建模块，以及用于计算及重建的主机则单独另组成一个数据处理单元，它们三者之间可以通过光纤进行通信，保证三者之间数据传输的实时性和可靠性.数据处理单元作为一个数据控制及处理中心，它与操作间和扫描间通过无线进行通信，并保持同步.以其中一个系统的运行为例，其架构如图 4所示.

在新型系统架构下，数据控制的整个流程是：用户在操作终端配置好将要扫描的序列并下载到远程的数据处理单元上，经计算处理后，由数据处理单元发给对应的硬件系统（梯度控制器、射频发生器、接收机等）；而接收数据通过无线方式传回给数据处理单元后进行重建，最后将图像传输回操作终端.从扫描序列给出指令到相应硬件接收到指令，这整个流程信息传递的实时性需求一般在十几个毫秒以上，而超高精度时间同步是5G承载的关键技术之一，其时间同步要求在±10 ns之内，网络延迟率可降低到5 ms内，可满足MRI控制信号交互的实时性需求.

2 新型MRI系统结构的特点、应用场景的展望

5G通信的高带宽、低时延、海量连接的特性使MRI系统的简化成为可能，新型架构将带来以下的优势：无线接收方案省去了MRI系统内部模块间大量的通信电缆，降低了电缆间互相干扰而带来的噪声等风险，也简化了线缆安装的复杂程度；多台MRI设备可以共用一个数据处理单元，该共用单元可实时处理多台扫描终端的数据，充分提高了该处理单元的使用效率，单机成本也得以降低；打破了传统固定场地的单机模式，能够实现不同地理位置之间的同步互连，扫描画面和数据的无缝共享与传输以及远程的交互诊断、多方会诊等.