虛實結合的MRI實驗實訓項目開發與實踐

夏 天, 陳珊珊, 周敏雄, 苗志英, 張凱威, 施群雁, 汪紅志

(1. 上海健康醫學院 醫學影像學院， 上海 200093; 2. 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院， 上海 200093;3. 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司， 江蘇 蘇州 215000)

虛實結合的MRI實驗實訓項目開發與實踐

夏 天1, 陳珊珊1, 周敏雄1, 苗志英2, 張凱威2, 施群雁3, 汪紅志1

(1. 上海健康醫學院 醫學影像學院， 上海 200093; 2. 上海理工大學 光電信息與計算機工程學院， 上海 200093;3. 蘇州紐邁分析儀器股份有限公司， 江蘇 蘇州 215000)

磁共振成像(MRI)是一門綜合性學科，針對其原理的實驗實訓教學一直是難點。由于成本高昂、設備巨大、掃描參數固化，教學效率低等原因，直接使用MRI真機和小型磁共振教學實驗儀一方面無法完全實現科學化、規范化和批量化的MRI技術實驗教學，另一方面降低了操作的難度，局限了MRI的應用潛力，弱化了對學生圖像質量的分析和控制能力培養。通過長期的教學實踐和調研思考，提出了小型MRI模擬設備與虛擬軟件相結合是實驗教學的發展趨勢，利用小型模擬設備進行結構教學，虛擬MRI實驗實訓軟件進行原理教學，該軟件能夠模擬MRI的整個過程，正向與逆向學習相結合的方式使學生理解與掌握MRI相關原理。在此基礎上，提出了“1+N+1”的虛實結合的實驗實訓教學模式，提高了教學實效。

虛實結合; 磁共振成像實驗教學; 磁共振成像虛擬教學軟件

0 引 言

磁共振成像(MRI)是一門涵蓋核物理、電子技術、材料科學、計算機技術、數學、醫學解剖的綜合性學科，是典型的高新技術[1-4]。MRI作為五大醫學影像模式之一，雖然發展時間較短，但相比其他模式的成像技術，其多參數成像、任意截面成像、高軟組織對比、無電離輻射、無骨像偽影等優勢使其在臨床上越來越受歡迎，并逐步占據了主導地位。

除了基本的臨床診斷方面的優勢之外,磁共振血管造影已經有作為血管造影金標準的取代傳統DSA，不斷提高的磁共振成像速度也使得磁共振心臟電影得以實現，這對于研究心臟的多種功能參數很有益處。磁共振還可以實現功能成像，以灌注成像、彌散成像、心臟電影等手段能夠在生理改變的初期發現病灶,為疾病的治療提供寶貴的時間。BOLD方法進行的腦功能成像是認識和揭開大腦功能的最主要手段。

總之，醫學核磁共振已經成為臨床醫學診斷所不可缺少的最重要的檢查手段，其應用領域以每年15%的比例在得以拓展[5]。

隨著國產技術的發展，二級基層醫院磁共振設備的普及率越來越高，臨床對MRI的需求以及MRI企業的快速發展，對MRI操作技師、生產、調試、安裝、維修、開發設計等工程師的巨大需求也在不斷增加。因此，對于這些專業技術人才的培養成為了緊迫的任務。

MRI技術及設備是上述專業中最重要的一門核心課程。MRI技術原理深奧晦澀難懂，由于涉及各學科理論較多，故學習難度較大，教學過程中，靠教師的PPT講解，很難被學生理解。

具體到臨床MRI技師而言，由于原理的復雜和序列、參數的多樣性，使得設備廠商都不得不固化掃描序列包，參數設置“程式化封閉化”，甚至是“一鍵式掃描”。這種掃描設置雖然降低了操作的難度，但是也局限了MRI的應用潛力。操作者難以通過具體圖像的特點，加掃其他序列。同時掃描參數的固化，也不利于操作者對于成像原理以及參數對圖像影響的理解，弱化了對于圖像質量的分析和控制能力；醫學影像技術本科人才培養的目的，除了操作設備之外，還要能夠對影像設備進行功能開發和拓展應用。而能開發設備應用功能，就需要熟練掌握原理。同時根據現階段學生的學習特點，更需要提供一種從感性認識到理性認識的學習工具。

這些都對MRI從業人員的基本原理的掌握提出了高要求。因此，非常有必要開展科學化、規范化和批量化的MRI技術實驗實訓教學。本文作者通過大量的調研與實踐，開發了虛實結合的MRI實驗實訓項目滿足了以上需求。

1 建設思考與調研

醫學影像技術專業實驗教學面臨的問題來自實驗設備。直接采用臨床設備作為MRI原理教學，存在明顯的不足：設備昂貴，巨大，臺套數有限，無法開展規模化教學，通常作為演示性實驗；參數設置選項化；數據采集過程后臺化；一鍵式操作；只適用于作為臨床操作教學；顯然直接用于原理教學，效果不好。通過調研發現許多MRI技師有10年的操作經驗，但對MRI的基本原理還是非常模糊。

采用小型化的MRI實驗設備，在原理教學方面有許多優勢。① 價格低，約為臨床設備的1/20價格；② 參數可以任意設置，數據采集過程是開放式；硬件結構微型化且可拆卸搭建，因此對于了解設備結構的有好處[6]。使用這類設備開展實驗教學已10年，取得了較好教學效果。但通過10年的教學實踐，也發現諸多不足。主要體現在以下幾個方面：

(1) 價格因素。專門的MRI實驗教學儀價格仍然較高(一套設備平均在15萬元)，在許多高校用于實驗教學的設備經費有限的情況下，無法形成規模化實驗教學，要實現隨時隨地的“全天候”實驗實訓操作則更加不可能；

(2) 傳統的硬件實驗儀由于成本相對較低，使得一些硬件指標無法滿足高端成像序列的要求，所以無法實現全部的成像原理教學；

(3) 硬件實驗儀進行某些成像實驗的時間太長，一副圖像需要采集10 min左右， 造成一次實驗課(90 min)能開展的實驗操作量有限，教學效率較低。同時很長的數據采集過程中，學生的課堂紀律難以控制；

(4) 同時實驗過程中，硬件實驗儀的故障還會導致部分學生實驗不得不終止或更換到其他組，導致課堂秩序混亂，教學效果得不到保證。

隨著“互聯網+”時代的到來與國產MRI設備大量使用，結合調研與思考，傳統的實驗方式將發生深刻的變化，主要有兩個變化趨勢，即從真機到小型MRI模擬設備，從實際操作到虛擬操作的轉變；小型化模擬設備具有真機一致的原理結構，成像樣品從人換成小樣品，優點是成本低廉，主要用于設備結構教學；虛擬設備將真實臨床的固化界面操作轉變為原理參數的開放式操作，并可以借助網絡拓展教學的時間與空間。小型模擬設備實驗與虛擬實驗操作的目的，不是為了熟練而操作；是通過參數改變的操作；觀察現象，了解參數導致信號和圖像變化的原因，掌握原理，為真機操作奠定理論基礎。

2 開發虛擬實訓軟件

基于上述思考，作者萌生了自行開發一套不需要硬件支持就可以完成實驗項目的虛擬軟件的想法，經過3年的規劃和實施完善， 終于完成了這套虛擬MRI成像實訓軟件的開發[7-13]。

這款軟件完全可以規避硬件實驗儀不足，較低采購成本，允許大批量開展實驗實訓。同時由于是軟件實訓平臺，結合網絡平臺，教師和學生可在實驗室以外的任何場所、任何時間“全天候”開展實訓操作。

該軟件除了可以實現硬件實驗儀的所有實驗功能外，還可以開展硬件實驗儀不能滿足的所有高端成像序列的實訓要求。實驗過程中，可以采用加速模式，達到與實際序列參數完全相同的實驗模擬效果，大大提高了實驗效率。

同時，也可以任意設置不同的場強、均勻性以及電子學噪聲程度來開展實訓；可以對相同樣品采用不同硬件參數進行成像效果對比。這是傳統的硬件實驗儀無法做到的。

通過設置參數演繹正確的結果，是一種“正向的”學習方式；區別于正向學習，該軟件還可以通過設置不同的參數，得出不同的偽影表現，通過實驗模擬來反推偽影的成因，是一種基于錯誤結果逆向思維的推出原因的“逆向”學習方法。MRI技師非常頭痛的一個事情是MRI偽影的出現，借助該軟件，可以通過了解偽影的表現，分析其原因，從而為臨床上有效解決偽影問題打下較好基礎。

軟件主界面如圖1所示，包括原理演示模塊(Theory)、預掃描模塊(prescan), 虛擬成像模塊(imaging)和波譜分析模塊(該部分內容由于不涉及成像將在本文不做贅述)等4個部分的功能。

圖1 軟件主界面

原理演示模塊采用動畫形式分別展示了核磁共振信號的產生過程，預掃描模塊展示了成像數據的采集和圖像重建過程，界面如圖2所示。在預掃描、模塊中，學習者可通過對參數的設置，結合軟件仿真的FID信號來實踐拉莫爾頻率測定、射頻脈沖角度確定和電子勻場等工作的實現過程，深度理解核磁共振儀器在成像之前所做的前期工作。

圖2 預掃描模塊界面

虛擬成像模塊中，分為兩個部分。

(1) 正常成像子模塊。 通過設置各種參數，可實現選擇序列 (SE序列、FSE序列、GRE序列、IR序列、EPI序列等)、參數調整、數據采集、K空間填充、圖像重建等功能。通過選擇不同的樣品模板或人體顱部等常見模板，獲得多種成像技術：各種權重像、脂肪抑制成像、水抑制成像、反彈點成像技術、半傅里葉掃描技術等。并在成像過程中模擬磁場不均勻性、電子學噪聲等影響。虛擬成像界面可幫助學習者了解磁共振成像的整個過程，并且可以快速觀察到不同序列、不同組織及不同技術參數設置對磁共振信號、K空間、MRI圖像的影響，通過實踐更好掌握核磁共振成像技術。SE序列下不同權重成像結果如圖3所示。

(a)T1權重像(b)T2權重像(c)質子密度像

圖3 SE序列下不同權重像

(2) 偽影成因分析子模塊。該模塊中，通過設置不同的硬件誤差或參數誤差，從而得到不同程度的偽影表現。可設置的參數有主磁場均勻性、電子學噪聲程度、中心頻率偏差、正交檢波誤差度、ADC采樣直流偏置電流、射頻串擾、樣品位置偏離、梯度不穩定度、樣品運動程度、化學位移場強、以及數據采樣錯誤等，可模擬實現的偽影有截斷偽影、卷褶偽影、化學位移偽影、鏡像偽影、中心點偽影、中心線偽影、燈心絨偽影、運動偽影、射頻串擾偽影、位置偏移偽影等。如圖4和圖5分別是偽影成因分析子模塊界面和尖峰數據導致的燈心絨狀偽影的實驗效果圖。

圖4 偽影成因分析子模塊界面

(a)數據點為(60,60)(b)數據點為(36,96)

(c)數據點為(24,108)(d)數據點為(118,118)

圖5 不同位置的尖峰數據產生的條紋偽影

3 整體實驗教學實施方案

在教學實踐中，采用1+N+1的實驗教學模式：其中的1代表一套硬件的專用MRI教學實驗儀，能將試管樣品的成像過程開放式體現出來，其作用主要了解系統的基本結構，體驗實際操作，主要進行演示性實驗；需要說明的是基于型號為MRIjx的臺式MRI教學試驗儀，作者共開發了31個相關實驗，分為原理實驗、成像實驗、硬件電路實驗和應用拓展實驗四個部分，并完成編著出版“核磁共振成像技術實驗教程”(科學出版社出版)[14]。

N代表多套虛擬核磁共振成像原理實訓軟件，其能實現與硬件實驗儀相同的界面操作和顯示，其功能更加強大，作用是針對成像的過程來設計實驗，通過對參數任意調整導致信號和圖像的變化，來實現對理論的掌握。現有的硬件實驗儀由于采用封閉式的參數設置，沒有比較， 意義不大；這部分實驗可以人手一套，完成課堂的實操實驗教學，甚至可以隨時隨地開展反復的實訓操作，達到熟練掌握。基于虛擬實訓軟件， 可以開展核磁共振預掃描、成像以及偽影成因分析等實驗項目共20個。由于采用計算機虛擬實驗，實驗結果具有一致性，同時可以實現批量化、規范化實驗操作訓練，教學效率很高。

最后的1，表示一套臨床MRI系統真機，有了前期的小樣品的臺式設備和虛擬成像實驗的基礎，最后通過真機進行人體的實際成像演示操作，從而完成整個MRI技術實驗的整體開展。

該實驗平臺的構建的目的是實現從試管樣品到人體樣品，從開放式小型化到臨床真機，從虛擬的開放式參數設置的成像過程操作到臨床的選項式參數設置的成像過程操作的過渡，從原理、結構和臨床全方位掌握核磁共振成像的原理。

4 結 語

隨著國家醫藥衛生體制改革推進、國產化醫療高端設備的不斷成熟與完善，二級及以下的基層醫院配置磁共振成像設備逐漸普及，為分級診療的就醫格局提供了保障。但由于基層醫院MRI技術員匱乏將成為其發展的瓶頸，故對MRI技術人員規范培養迫在眉睫。本文通過虛實結合“1+N+1”的核磁共振成像技術實驗實訓教學模式，促進了在校學生對晦澀抽象的核磁共振技術理論的學習與掌握，強化了對于圖像質量的分析和控制能力的培養，達到了進行科學化、規范化與批量化的實驗實訓教學的目的。通過虛實結合的實驗實訓，還可為即將入職或已入職的MRI技術人員進行相關培訓，不僅可以縮短培養周期，提高實效性，在充分發揮MRI技術優勢的潛力同時為醫院和企業培養更多實用性人才。

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[14] 汪紅志, 張學龍, 武杰, 核磁共振成像技術實驗教程[M].北京:科學出版社，2008.

Developing and Practice for the Combination of Virtual and Real Technologies in MRI Experimental Teaching

XIA Tian1, CHEN Shanshan1, ZHOU Minxiong1, MIAO Zhiying2，ZHANG Kaiwei2， SHI Qunyan3, WANG Hongzhi1

(1. College of Medical Imaging, Shanghai University of Medicine and Health Sciences, Shanghai 200093, China;2. School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093, China; 3. Suzhou Niumag Analytical Instrument Corporation, Suzhou 215000, Jiangsu, China)

It is a comprehensive subject for Magnetic Resonance Imaging (MRI) Technology whose theory is very difficult to be understood by the students. As for those reasons, such as high-cost, huge-size, curing parameters, and the low efficiency of teaching, using the real devices or small magnetic resonance teaching experiment instruments are unable to achieve the scientific, standardized and mass of teaching on the one hand. Meanwhile, it also reduces the difficulty of operation, limits the application potential of MRI and weakens the students cultivation of the ability to analyze and control the quality of the image on the other hand. In this paper, through teaching practice and thinking for a long time, the authors presented that it is the development trend of experimental teaching by combining virtual teaching software with small MRI simulation equipment. Small MRI simulation equipment is used for the structure teaching of MRI equipment, and virtual teaching software is used for the theory teaching. The software is able to simulate the whole process of MRI，and makes the students understand and master relevant principle of MRI through forward and reverse learning. On this basis, the “1+N+1” experimental teaching model of the virtuality and reality combination was presented and explained in this paper.

virtuality and reality combination； MRI experimental teaching; MRI virtual teaching software

2016-11-18

科技部重大科學儀器專項(2013YQ170463); 上海健康醫學院種子基金

夏 天(1978-)，男，江蘇徐州人，博士，講師，研究方向：磁共振技術開發與應用。

Tel.：15000635210; E-mail：：bruce_xiatian@163.com

汪紅志(1975-)，男，湖北黃崗人，博士，副教授，研究方向：磁共振技術開發與應用。

Tel.：13916346546; E-mail：wanghzhi2000@sina.com

G 482; G 642.0

A

1006-7167(2017)08-0104-04