의료 영상 Segmentation Tool Set (iSEG)은 전처리 및 후처리를 포함한 통합형 Segmentation Tool로, 의료 영상으로부터 해부학 모델을 효율적이고 빠르고 유연하게 생성할 수 있습니다. 이러한 모델은 개인 맞춤형 치료 계획을 세우거나 In-silico 임상시험 모집단을 설정하는 데 사용할 수 있습니다. 

경쟁 영역 성장 (competitive region growing), 퍼지 연결성 분석 (fuzzy connectedness analysis), 레벨셋 (level-set), 위상 유연 보간 (topologically flexible interpolation), 혈관 전용 세분화 (dedicated vasculature segmentation) 등 다양한 Segmentation 방법을 제공하여 효율적이고 강력한 표면 모델을 생성할 수 있습니다. 

iSEG는 Desktop 버전의 Sim4Life와 실시간으로 연동할 수 있으며, Sim4Life.web의  클라우드 기반 파이프라인의 모듈로도 할용할 수 있습니다.

Sim4Life는 AI와 컴퓨터 비전 기능을 포함하고 있어, MRI 데이터를 기반으로 40개 조직 클래스를 갖춘 정밀한 개인 맞춤형 해부학적 head model을 높은 정확도로 생성할 수 있습니다. 이 기능은 개인 맞춤형 뇌 자극 계획 수립, 변이성 평가 및 in-silico 시험을 위한 Virtual Population 생성 등 정밀 의학에 폭넓게 적용할 수 있습니다.

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포저(Poser)를 사용하면 사용자가 Virtual Popluation(ViP, IT'IS 재단, 스위스, 버전 3.0 이상)모델의 자세를 설정하고 물리 기반 솔버(Physics-based solver)를 사용하여 특정 사용 사례를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 포저는 뼈대를 관절에서 회전시키는 방식으로 구현되며, 이 과정에서 연조직이 수동으로 변형되며 최적화된 계산 기법을 통해 변형을 실시간으로 매끄럽게 시각화 할 수 있습니다. 또한 사용자가 저장해둔 다양한 자세를 손쉽게 불러오고 전환할 수 있습니다.

Sim4Life는 diffusion tensor imaging(DTI) 데이터를 활용하여 저주파 EM simulation에 anisotropic conductivity 분포를 할당하는 기능을 지원합니다. 이 기능 신경 관련 시뮬레이션에서 특히 중요한데, 척수(spinal cord), 척수 신경근(spinal roots), 말초 신경(peripheral nerves)의 방향과 국소적으로 정렬된 방향을 따라 나타나는 전도도(conductivity)는 직교 방향의 전도도보다 최대 10배까지 높을 수 있기 때문입니다. 또한 이 플랫폼은 두개골과 뼈에 heterogeneous acoustic property map을 할당하고 열 시뮬레이션에서 MR perfusion map을 사용할 수 있도록 지원합니다.

Sim4Life는 개인 맞춤형 모델링을 위한 다양한 기능을 제공합니다.:

• 해부학적 형태를 쉽게 조정할 수 있는 제어점(control point) 모핑(morphing)
• 라벨 필드(label-field) 및 표면의 이미지 등록 기반 모델링(Image registration-based modeling)
• 표면 기반 모핑(morphing)
• 이미지 기반 조직 속성 할당
• 뇌 아틀라스 공동 등록
• AI 기반 헤드 모델 생성
• 임플란트 삽입 도구(Implant insertion tools)
  (예: 스텐트용 혈관 중심선 추출, 정형외과용 임플란트 투영 도구, 리메싱(remeshing) 도구)
• 이미지 데이터, 시뮬레이션 결과 및 지오메트리의 하이브리드 렌더링
• 개인 맞춤형 10-10 EEG 전극 배치

Sim4Life Phased-array Antenna Toolkit은 5G mmWave 안테나 배열의 설계, 분석 및 최적화를 위한 시중에서 가장 효율적인 솔루션을 제공합니다. 이를 통해 엔지니어는 위상 배열 안테나를 신속하게 개발하고 연구하여 규정 준수를 비롯한 까다로운 성능 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 전력 밀도 알고리즘은 평면과 곡면 모두에서 IEC/IEEE 63195 표준을 완벽하게 준수합니다.

Sim4Life의 다중 파라미터·다중 목표 (Multi-Parameter Multi-Goal) Optimizer는 가상 프로토타입의 최적화 및/또는 조정을 위한 효과적이고 사용하기 쉬운 도구 모음입니다. 이 도구 모음은 실제 공학 및 의료 응용을 위해 전역 최적화 기법(예: 확률적 반응 표면법)을 제공합니다. Sim4Life는 HPC 기반 솔버의 우수한 속도와 전용 알고리즘을 결합하여 복잡한 환경에 포함된 전체 (CAD 기반) 기기의 효율적인 최적화를 가능하게 합니다. 최적화 프레임워크는 모델링, 시뮬레이션, 후처리를 포함한 Sim4Life의 전체 workflow를 포괄합니다.

Sim4Life는 이제 하나 이상의 독립적인 환경에서 모든 계산 작업을 수행할 수 있는 새로운 시뮬레이션 엔진을 제공합니다. 사용자 친화적인 GUI를 통해 접근할 수 있는 Sweeper를 사용하면 메모리 효율성을 유지하면서 변수와 수식을 사용하여 전체 프로젝트(모델링, 시뮬레이션 및 분석)를 강력하고 유연하게 파라미터화할 수 있습니다. 완벽하게 구성 가능한 파라미터 sweep이 하향식으로 수행되므로 사용자는 결과 분석에만 집중하고 숫자 처리 및 데이터 관리는 시뮬레이션 엔진에 위임할 수 있습니다.

3D 객체 배열 임의 생성 도구를 사용하면 몇 번의 마우스 클릭만으로 복잡한 위상 배열의 CAD 모델을 간편하게 생성할 수 있습니다. 혁신적인 백그라운드 로직 덕분에 위상 배열의 FDTD 시뮬레이션 설정은 이제 드래그 앤 드롭 작업만큼 간단해졌습니다. 사용자는 미리 정의된 위상/진폭 여기 패턴(예: 체비체프(Chebycheff) 가중치)을 적용할 수 있어 다양한 조건에서 작동하는 위상 배열을 쉽게 시뮬레이션할 수 있습니다.

MATCH는 안테나, 안테나 배열, RX/TX MR 코일과 같은 단일 및 다중 포트 기기를 위해 설계된 다목적 정합 회로(Matching Circuit) 애플리케이션입니다. 사용자는 시뮬레이션의 S-매트릭스에 로딩 또는 정합 회로(Matching Circuit)를 추가할 수 있으므로, 시뮬레이션을 다시 수행할 필요 없이 회로를 포트에 연결(튜닝 및/또는 매칭 목적)한 후 새로운 산란 계수 값(scattering values)을 계산할 수 있습니다. MATCH는 다음과 같은 기능을 제공합니다:

• 다중포트 시뮬레이션 또는 Touchstone 파일에서 데이터 입력
• 새 설정 생성 또는 기존 설정 불러오기
• 포트 및 부하 지정
• 정합 회로(Matching Circuit) 유형(T, π, 없음) 및 순서 선택
• 결과 S-matrix 띄우기 또는 내보내기
   

안테나 다이버시티 도구(MIMO)를 사용하면 다중 안테나 시스템의 다이버시티 성능을 종합적으로 분석할 수 있습니다. 이 도구는 다음과 같은 기능을 제공합니다:

• 자동 시뮬레이션 설정 및 데이터 추출
• 평균 유효 이득(MEG:Mean Effective Gain): 주어진 산란 환경에서 안테나 요소가 수신하는 총 전력을 평가.
• 상관 계수(Correlation Coefficient): 방사 패턴 측면에서 두 안테나 요소 간의 관련성을 정량화. 이 도구는 이 파라미터를 반영하기 위해 envelope correlation을 계산.
• Diversity Gain(DG): 안테나 배열이 단일 요소보다 얼마나 뛰어난 성능을 발휘하는지 보여줌. DG는 특히 Rayleigh fading 환경에서 ergodic누적 분포 함수(CDF)의 1%에서의 정전 확률을 기준으로 정의됨.

MUSAIK RF Array Designer는 MRI 수신 코일 배열의 설계, 최적화, 그리고 성능 검증을 위한 포괄적인 프레임워크를 제공합니다. 이는 시뮬레이션 결과 또는 실험 데이터를 기반으로 하며, 사용자가 어레이 코일의 시뮬레이션 결과를 불러와 병렬 영상화(PI, parallel imaging) 성능을 평가할 수 있도록 지원합니다. 실험으로 얻은 데이터에도 동일한 분석을 적용할 수 있어, 다양한 설계 과정의 정확한 검증이나 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 평가할 수 있습니다. 사용자는 신호 대 잡음비(SNR)를 평가하고, 시뮬레이션 및/또는 실험 데이터셋을 활용해 2D parallel MRI g-factor map을 생성할 수 있습니다.

MRI System Simulator(SYSSIM)는 임의의 펄스 시퀀스(pulse sequence)에 대해 MR 영상에 대한 현실적인 전자기장 효과를 예측합니다.이 도구는 제공된 모델 기하(model geometry), 재료 특성(material properties), RF 및 그래디언트 필드(gradient fields), 펄스 시퀀스를 기반으로 Bloch 방정식(Bloch equations)을 풀어 MRI k-space 신호를 예측합니다. 솔버는 실제 해부학적 구조에서 볼 수 있는 것과 같은 비균일 재료 분포(inhomogeneous material distribution)를 처리할 수 있습니다. RF 필드 분포는 이전 EM 시뮬레이션에서 제공하거나 이상적인 것으로 가정할 수 있습니다. 시뮬레이터는 신호 송수신을 위한 다중 채널(multiple channels)을 지원합니다. Gradient Echo 및 Spin Echo 시퀀스의 두 가지 파라미터화된 예제 구성이 포함되어 있으며, 사용자는 Python 인터페이스를 통해 맞춤형 MRI 펄스 시퀀스를 구현할 수 있습니다.

SYSSIM은 뉴욕대학교 의과대학의 Christopher Collins 교수와 협력하여 개발되었습니다. 자세한 내용은 다음 출판물을 참고하시기 바랍니다: "Cao, Z., Oh, S., Sica, C.T., McGarrity, J.M., Horan, T., Luo, W. and Collins, C.M. (2014), Bloch‐based MRI system simulator considering realistic electromagnetic fields for calculation of signal, noise, and specific absorption rate. Magn. Reson. Med., 72: 237-247. doi:10.1002/mrm.24907"

병렬 전송 도구상자(Parallel Transmit toolbox)는 고자장 MRI(high-field MRI) 응용을 위한 설계 및 안전 도구(design and safety tools) 세트로, 사용자 요청이 많은 기능입니다. 이 도구는 다중 포트 병렬 전송(multi-port parallel transmit) MRI 코일의 시뮬레이션에서 Q-Matrix, VOP 및 SAR 값을 계산, 압축, 내보내기(export)할 수 있도록 하여, 온라인 안전 모니터링(online safety monitoring)을 가능하게 하고, 코일 제조업체/사용자가 규제 요건(regulatory requirements)을 충족하도록 지원합니다.

• 다중 채널 병렬 송신 코일 어레이(multi-channel parallel transmit coil array)의 시뮬레이션 결과를 소수의 VOPs로 압축하는 도구 세트
• 모든 가능한 쉬밍(shimming) 구성에서, 보수성을 보장하면서(conservativeness guaranteed) 조정 가능한 사전 정의된 과대 추정치(a priori known over-estimation)를 포함한 신속한 SAR 예측
• Worst-case SAR 식별
• Q-matrix 및 질량 평균 Q-matrix (mass-averaged Q-matrix) 계산
• Q-matrix 및 VOP 데이터의 MATLAB 내보내기(export)

Gradient Coil Designer(GRAD)는 표면(surfaces) 또는 모델 객체(model objects)로 정의된 주어진 코일 구조(coil geometry)에 대해 현실적인 와이어 패턴(wire pattern)을 생성합니다. 또한 mT/m 단위로 지정된 강도의 그래디언트 필드(gradient field)를 생성하기 위해 코일을 구동하는 데 필요한 전류 크기를 계산합니다.
이 솔버는 경계 요소법(BEM, Boundary Element Method)을 사용하여 임의의 기하를 가진 능동 차폐 저항 전자석(actively shielded resistive electromagnet)의 와이어 패턴을 설계합니다. GRAD는 UWO의 Blaine Chronik 교수와 협력하여 개발되었습니다.

주요 기능

• 균일(uniform)하거나 현실적인(realistic) B0 분포 고려
• 전류 밀도(current density)와 필드 균일성(field homogeneity)을 최적화하면서, 전력(power)과 인덕턴스(inductance)는 최소화

응용 분야

• 임의의 형상을 가진 그래디언트 코일(gradient coil) 설계
• 그래디언트 필드와 다른 요소 간의 상호작용(interaction) 계산 (예: 그래디언트 차폐, RF 코일 및 차폐, 환자 내부의 이식 장치)
• 임플란트 유무에 따른 그래디언트 코일 안전성 평가 (예: 신경 자극, 진동)

Parameterized MRI Volume Coil Designer (BCAGE)는 매개변수화된 birdcage 스타일의 볼륨 코일을 설계하고 시뮬레이션할 수 있는 대화형(interactive) 도구입니다. 사용자가 지정한 사양(user specifications)에 따라 코일 모델을 생성하고, 펜실베이니아 주립대 허시 캠퍼스(Pennsylvania State University – Hershey)에서 개발한 Birdcage Builder를 활용해 튜닝 커패시터 값을 계산합니다. BCAGE는 다음과 같은 기능을 제공합니다:

• 임의의 주파수에서 작동하는 일반 고역 통과(High-Pass), 저역 통과(Low-Pass) 및 대역 통과(Band-Pass) 코일 생성
• 원통형 시스템(cylindrical system)을 위한 유연한 기하학적 옵션 (다리(legs), 엔드 링(end rings), 차폐(shielding), 급전 방식(feed type), 커패시터(capacitors))
• 튜닝 커패시터 값(tuning capacitor values) 및 공진 주파수(resonant frequency) 계산
• 매개변수 변경 가능한 형상 생성
• 주파수(Frequency), 대역폭(Bandwidth), 커패시터 값, 센서(Sensor) 및 격자(Grid)에 대한 자동 설정을 포함한템플릿 시뮬레이션(template simulation) 생성

IMAnalytics는 이식형 의료기기의 종합적인 안전성 평가를 위한 새로운 소프트웨어 플랫폼 솔루션입니다. 이 모듈은 ISO 10974에 정의된 Tier 3 접근법을 사용하여 이식형 기기의 원위 전극(distal electrodes)에서 RF 유도 전력 침착(RF-induced power deposition) 및 가열과 펄스 발생기의 리드 단자에서의 전압을 특성화합니다. 또한, ISO 10974의 Tier 2 접근법에 사용하거나 ASTM F2182 팬텀 측정을 교정하기 위해 관심 영역에서 RF 유도 전기장을 추출합니다. IMAnalytics와 IT'IS MRIxViP1.5T/3.0T 필드 라이브러리는 FDA의 승인을 받은 최초의 계산적 모델링 기반 의료 기기 개발 도구(MDDT:Medical Device Development Tools) 입니다.

임플란트 안전 도구(IMSAFE, Implant Safety Tool)는 MRI 노출 동안 임플란트의 RF 안전성(RF Safety)을 평가하려는 임플란트 제조업체와 연구자를 지원하기 위해 개발되었습니다. 이 도구는 ISO/IEC Technical Specification 10974에 명시된 4단계 접근 방식 중 Tier 3를 충족하는데 도움이 됩니다. 임상 임플란트 라우팅(clinical implant routing)의 변형은 IMSAFE 대화형 라우팅 생성기(interactive routing generator)를 통해 도입 및 제어할 수 있습니다. 사용자는 기본 스플라인(base spline)과 수직 디스크(perpendicular disc)를 이용하여 임플란트가 위치할 볼륨(volume)을 정의할 수 있습니다. 이후 사용자는 생성할 스플라인의 수를 선택하고 스플라인이 피해야 하는 장기 등의 제약 조건을 설정할 수 있습니다. 생성된 임상 라우팅(clinical routing)을 따라 접선 전기장(tangential electric field) 통계(statistics)를 이 도구를 통해 얻을 수 있으며, 전기장 및 자기장의 슬라이스(slice) 및 벡터 뷰(vector view)와 같은 기본 필드 추출(field extraction)도 지원됩니다.

GUI와 Python API 모두를 통해 접근할 수 있는 전용 라우팅(routing) 도구는 임플란트 리드 경로나 wire(예: 신경 경로)를 다루는 작업을 지원합니다. 여기에는 스플라인(spline)을 매끄럽게 연결하는 도구, 사용자가 정의한 위치에서 주어진 반경과 방향으로 스플라인(spline) 고리를 생성하는 UI 도구, 그리고 혈관 중심선 추출 기능이 포함됩니다. 이 도구는 MRIxViP 사용자가 MRI 안전성 평가를 위한 임플란트 라우팅(routing)을 생성할 수 있도록 지원해 줍니다. 또한 IT’IS에서는 신경 기능화된 신경 경로를 생성하고 편집하는 데 활발히 사용되고 있습니다.