磁共振成像技術實驗儀在磁共振成像設備教學中的探索與實踐

繆月紅 陳 晉 唐福州

貴州醫科大學 貴州貴陽 550025

磁共振成像(MRI)技術是利用線性梯度場對生物組織進行空間定位，并施加一定頻率的射頻脈沖，生物組織吸收射頻脈沖的能量處于激發態，當撤銷射頻脈沖后，在組織恢復平衡狀態的過程中，利用線圈來接收生物組織的磁信號用于成像的技術。磁共振成像設備作為現代大型醫學影像設備之一，凝聚多項先進成像技術及眾多科學成果于一身，它涉及物理學、電磁技術、電子技術、計算機技術及低溫超導技術等多學科領域。與其他醫學影像設備相比，磁共振成像設備具有明顯的優點：無輻射損傷；可進行多參數、任意方位成像；組織對比度特性豐富，軟組織成像性能卓越；強大的功能成像，特別是對神經系統成像具有無與倫比的優勢，在當今醫學影像診斷領域發揮著重要的作用。因此，磁共振成像設備是影像學專業、醫工交叉類專業等的重要必修內容。

一、磁共振成像設備教學現狀

我校生物醫學工程專業是典型的醫工交叉專業，因此在為該專業開設的“醫學影像設備學”這門專業核心課程中，磁共振成像設備是教學的重點內容。“醫學影像設備學”這門課程的總學時為54，其中理論課36學時，實驗課18學時。磁共振成像設備部分的總學時為20，其中理論課8學時，實驗課12學時，主要講授磁共振成像基本原理、磁共振成像脈沖序列、磁共振成像技術方法、磁共振成像設備基本結構。學生通過學習，掌握磁共振設備的原理和應用，熟悉磁共振設備的結構和功能，具備研發、管理、安裝與維護磁共振設備的基本能力，幫助學生了解磁共振成像設備的發展全貌，培養學生對醫療行業的認同、對中國制造的堅信，弘揚大國工匠精神，激發學生的專業自豪感和愛國情懷。

然而，在磁共振成像設備教學過程中面臨著諸多困難。第一，磁共振成像原理部分涉及物理學、高等數學等諸多知識點，且知識點深奧抽象、晦澀難懂，知識點和物理現象之間環環相扣、層層遞進。學生不僅需要具備這些基礎知識，還需要很強的空間想象力和邏輯推理能力，因此容易產生畏難情緒和抵觸心理，學習主動性和積極性不高，這使得教學難度進一步增加。第二，儀器設備資源難以滿足教學使用要求。醫用磁共振成像設備價格昂貴，通常高達幾百萬，甚至上千萬，普通院校一般無法配備。且醫用磁共振成像設備開放性低，生產廠家一方面為了提高設備的操作便捷性，另一方面為了保護知識產權，通常將復雜的原理及算法“封裝”起來，實際軟件操作界面簡潔明了，醫生只須進行簡單的、流程化的操作即可。而這對于磁共振成像基本原理的理解和掌握并沒有特別大的幫助。第三，醫用磁共振設備的安全性要求較高。進入磁共振設備間時，禁止攜帶手機、鑰匙、銀行卡、首飾等金屬物件，帶有心臟起搏器、金屬血管支架等某些金屬異物的人員不能進入磁共振設備間，否則會存在重大的安全隱患，然而常規教學條件難以滿足這些要求。

二、磁共振成像技術實驗儀簡介

在新工科背景下，本著“以學生為主體”的教學理念，我們嘗試采用虛擬—現實相結合的教學模式來開展磁共振成像設備的教學。因此，我校購置了磁共振成像技術實驗儀，這是一款專為核磁共振成像技術實驗教學而設計的小型臺式核磁共振儀器。主要用于配合教學演示、基本實驗操作以及部分科研實驗需求，使教師能夠結合理論教學演示磁共振成像過程，學生也可以親自動手實驗體驗磁共振成像全過程。該實驗儀具備如下特點：

(1)真實性。該實驗儀具有與醫用磁共振成像設備相同的模塊和功能，學生可以真實體驗磁共振成像的基本原理、基本結構、技術方法及應用。

(2)軟、硬件具有高度的開放性。軟件方面，提供了K空間原始數據，可進行圖像重建的仿真實驗，以及算法優化、圖像后處理等方面的拓展性研究。硬件方面，可以針對性地開設勻場實驗、信號檢測實驗等。

(3)虛實結合的實驗教學模式。該實驗儀搭載了多套MRI虛擬數據采集與圖像重建軟件(VMRI)，使學生可以觀察到磁共振數據采集和圖像重建的具體過程。通過實驗儀和虛擬軟件相結合，每位學生都能擁有一臺自己的磁共振設備，全方位地了解磁共振成像技術。這種虛實結合的實驗教學模式，能最大限度地降低教學成本，提高教學效果。

(4)安全性。該實驗儀采用的是0.5T的永磁體，對安裝環境的要求較低，使用時沒有復雜的注意事項，有利于常規實驗教學的開展。

三、磁共振成像設備實驗教學設計

磁共振成像設備實驗教學是在理論教學的基礎上，通過展示、演示、操作和實踐等方式，讓學生對各種磁共振成像設備的結構有更為感性直觀的認識，加深對磁共振成像設備工作原理的理解，提高學生對理論課程的學習效果。通過實驗教學，可以激發學生的學習興趣，培養觀察能力和動手實踐能力，幫助學生獲得磁共振成像設備相關的知識和技能，有助于培養學生實事求是、嚴肅認真的科學態度和科學的學習方法，特別是啟迪思維、培養科學精神和創新能力，不斷適應時代進步的需要。

磁共振成像設備實驗教學采用虛擬—現實相結合的教學模式，學生既可以應用磁共振成像技術實驗儀及其配套的紐邁核磁共振分析應用軟件、紐邁核磁共振成像軟件開展傳統實驗，也可以應用MRI虛擬數據采集與圖像重建軟件開展虛擬實驗。實驗教學圍繞核磁共振物理原理和磁共振成像技術兩個方面開展，主要針對磁共振成像設備理論教學中的重點和難點，進行實驗教學設計。具體開設的實驗項目如下。

(1)拉莫爾頻率測定實驗。該實驗可以加深學生對核磁共振的基本條件、基本原理的理解，并掌握拉莫爾頻率的測定方法。

(2)硬射頻脈沖寬度調節實驗。通過該實驗，學生可以理解硬射頻脈寬與硬射頻脈沖能量之間的關系；理解硬射頻脈沖能量對FID信號的影響。

(3)機械勻場和電子勻場實驗。該實驗的教學目標是使學生掌握磁場均勻性的概念；理解磁場均勻性對磁共振信號的影響；掌握機械勻場和電子勻場的概念和基本方法。

(4)采樣參數對磁共振圖像大小及形狀的影響。通過調整采樣參數，觀察磁共振圖像的大小及形狀的變化規律，可以加深學生對于磁共振信號空間定位及信號采集范圍的理解。

(5)K空間對圖像結構和細節分辨的影響。本實驗通過調整磁共振信號的采集次數，即K空間的原始數據量，利用不同原始數據量的K空間重建磁共振圖像，并觀察磁共振圖像間的差別，使學生理解K空間對圖像結構和細節分辨的影響。

(6)自旋回波(SE)序列成像實驗。本實驗利用自旋回波序列進行成像，實驗過程中通過觀察信號的變化情況、采集時間等，可以加深學生對SE序列成像過程和原理的理解，掌握SE序列成像有關的參數設置。

(7)自旋回波權重像實驗。實驗過程中，通過調整TR和TE，分別獲得質子密度加權像、T1加權像、T2加權像，幫助學生理解不同權重像的概念及特點，了解弛豫時間不同的組織在權重像中的灰度情況。

(8)快速自旋回波(FSE)序列成像實驗。本實驗利用FSE序列進行成像，觀察信號采集過程及采集時間，可以加深學生對FSE序列成像過程和原理的理解，掌握FSE序列成像有關的參數設置。

四、教學設計應用結果分析

在為我校生物醫學工程專業2018級學生開設的“醫學影像設備學”課程中，首次運用了上述磁共振成像設備實驗教學設計。從課堂教學過程來看，教師講授的難度降低，對于課堂上提出的問題，學生的反應較為積極，有效互動的次數增多，學習的主動性和積極性較高。課堂教學效果有了一定程度的提高。

2017級學生采用線上授課方式，由于授課方式不同，所以我們將2016級、2018級生物醫學工程專業學生在“醫學影像設備學”期末考試中磁共振成像設備部分的成績進行對比，如表1和圖1所示。其中難度以試題的通過率作為指標，其計算公式為：

其中為試題平均得分，為試題滿分。難度值范圍在0～1之間，>08，表明考題容易；<02，表明考題較難。

試卷分析結果顯示，應用磁共振成像技術實驗儀進行實驗教學，學生的考試成績總體上得到了一定程度的提升。其中填空題成績的提高最為顯著，其平均得分率提高了20.02%，難度降低了0.19。選擇題成績的改善不太明顯，其可能的原因：錯誤選項對學生的干擾性較大，學生容易混淆一些相關的知識點。簡答題部分，平均得分率雖然提高了7.04%，但提高之后只有20.67%，仍處于較低水平。難度分析顯示，簡答題對于兩屆學生都較為困難。其可能的原因：學生對于磁共振成像設備的知識點，采取機械性記憶的方式，并沒有真正理解磁共振成像的物理原理，找出物理原理的內在邏輯關系，所以存在記憶效果差、費時多、效率低、遺忘快等問題。

表1 貴州醫科大學生物醫學工程專業2016級、2018級MRI考試分析

圖1 貴州醫科大學生物醫學工程專業2016級、2018級MRI考試得分對比

五、結語與展望

磁共振成像設備作為“醫學影像設備學”這門專業核心課程的重點內容，具有知識點復雜抽象、邏輯推理性強、教學內容多、授課學時少的特點，教師講授和學生學習均面臨較大的困難。為了提高教學效果，我校購置了磁共振成像技術實驗儀，精心設計實驗教學方案，并將其應用于2018級生物醫學工程專業教學當中。結果顯示，不僅課堂教學效果得到了一定程度的改善，且磁共振成像設備部分的考試得分率也有了一定程度的提高。

然而學生在學習的過程中，仍然存在機械性記憶、物理學原理和物理學現象之間脫節、前后知識難以融會貫通的問題。針對這些問題，考慮在以后的教學中，引入思維導圖，進一步優化教學內容組織形式，加深各知識點間的理解與關聯；利用3DsMax等軟件，制作磁共振成像物理學原理、物理學現象、設備結構等方面的動畫，形象生動地將知識展示出來，使學生更容易理解和接受。

總之，磁共振成像設備作為“醫學影像設備學”這門課程的教學重點和教學難點，需要不斷創新教學理念，改進教學方法，優化教學設計和方案，完善教學內容組織形式，從而不斷提高磁共振成像設備的教學質量。