虛實結(jié)合的MRI實驗實訓(xùn)項目開發(fā)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(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院， 上海 200093; 2. 上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)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(jié)合的MRI實驗實訓(xùn)項目開發(fā)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(yī)學(xué)院 醫(yī)學(xué)影像學(xué)院， 上海 200093; 2. 上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)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(xué)科，針對其原理的實驗實訓(xùn)教學(xué)一直是難點。由于成本高昂、設(shè)備巨大、掃描參數(shù)固化，教學(xué)效率低等原因，直接使用MRI真機和小型磁共振教學(xué)實驗儀一方面無法完全實現(xiàn)科學(xué)化、規(guī)范化和批量化的MRI技術(shù)實驗教學(xué)，另一方面降低了操作的難度，局限了MRI的應(yīng)用潛力，弱化了對學(xué)生圖像質(zhì)量的分析和控制能力培養(yǎng)。通過長期的教學(xué)實踐和調(diào)研思考，提出了小型MRI模擬設(shè)備與虛擬軟件相結(jié)合是實驗教學(xué)的發(fā)展趨勢，利用小型模擬設(shè)備進行結(jié)構(gòu)教學(xué)，虛擬MRI實驗實訓(xùn)軟件進行原理教學(xué)，該軟件能夠模擬MRI的整個過程，正向與逆向?qū)W習(xí)相結(jié)合的方式使學(xué)生理解與掌握MRI相關(guān)原理。在此基礎(chǔ)上，提出了“1+N+1”的虛實結(jié)合的實驗實訓(xùn)教學(xué)模式，提高了教學(xué)實效。

虛實結(jié)合; 磁共振成像實驗教學(xué); 磁共振成像虛擬教學(xué)軟件

0 引 言

磁共振成像(MRI)是一門涵蓋核物理、電子技術(shù)、材料科學(xué)、計算機技術(shù)、數(shù)學(xué)、醫(yī)學(xué)解剖的綜合性學(xué)科，是典型的高新技術(shù)[1-4]。MRI作為五大醫(yī)學(xué)影像模式之一，雖然發(fā)展時間較短，但相比其他模式的成像技術(shù)，其多參數(shù)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(yōu)勢使其在臨床上越來越受歡迎，并逐步占據(jù)了主導(dǎo)地位。

除了基本的臨床診斷方面的優(yōu)勢之外,磁共振血管造影已經(jīng)有作為血管造影金標(biāo)準(zhǔn)的取代傳統(tǒng)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(xiàn)，這對于研究心臟的多種功能參數(shù)很有益處。磁共振還可以實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(yī)學(xué)核磁共振已經(jīng)成為臨床醫(yī)學(xué)診斷所不可缺少的最重要的檢查手段，其應(yīng)用領(lǐng)域以每年15%的比例在得以拓展[5]。

隨著國產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，二級基層醫(yī)院磁共振設(shè)備的普及率越來越高，臨床對MRI的需求以及MRI企業(yè)的快速發(fā)展，對MRI操作技師、生產(chǎn)、調(diào)試、安裝、維修、開發(fā)設(shè)計等工程師的巨大需求也在不斷增加。因此，對于這些專業(yè)技術(shù)人才的培養(yǎng)成為了緊迫的任務(wù)。

MRI技術(shù)及設(shè)備是上述專業(yè)中最重要的一門核心課程。MRI技術(shù)原理深奧晦澀難懂，由于涉及各學(xué)科理論較多，故學(xué)習(xí)難度較大，教學(xué)過程中，靠教師的PPT講解，很難被學(xué)生理解。

具體到臨床MRI技師而言，由于原理的復(fù)雜和序列、參數(shù)的多樣性，使得設(shè)備廠商都不得不固化掃描序列包，參數(shù)設(shè)置“程式化封閉化”，甚至是“一鍵式掃描”。這種掃描設(shè)置雖然降低了操作的難度，但是也局限了MRI的應(yīng)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(shù)的固化，也不利于操作者對于成像原理以及參數(shù)對圖像影響的理解，弱化了對于圖像質(zhì)量的分析和控制能力；醫(yī)學(xué)影像技術(shù)本科人才培養(yǎng)的目的，除了操作設(shè)備之外，還要能夠?qū)τ跋裨O(shè)備進行功能開發(fā)和拓展應(yīng)用。而能開發(fā)設(shè)備應(yīng)用功能，就需要熟練掌握原理。同時根據(jù)現(xiàn)階段學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，更需要提供一種從感性認識到理性認識的學(xué)習(xí)工具。

這些都對MRI從業(yè)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(xué)化、規(guī)范化和批量化的MRI技術(shù)實驗實訓(xùn)教學(xué)。本文作者通過大量的調(diào)研與實踐，開發(fā)了虛實結(jié)合的MRI實驗實訓(xùn)項目滿足了以上需求。

1 建設(shè)思考與調(diào)研

醫(yī)學(xué)影像技術(shù)專業(yè)實驗教學(xué)面臨的問題來自實驗設(shè)備。直接采用臨床設(shè)備作為MRI原理教學(xué)，存在明顯的不足：設(shè)備昂貴，巨大，臺套數(shù)有限，無法開展規(guī)?；虒W(xué)，通常作為演示性實驗；參數(shù)設(shè)置選項化；數(shù)據(jù)采集過程后臺化；一鍵式操作；只適用于作為臨床操作教學(xué)；顯然直接用于原理教學(xué)，效果不好。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)許多MRI技師有10年的操作經(jīng)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(shè)備，在原理教學(xué)方面有許多優(yōu)勢。① 價格低，約為臨床設(shè)備的1/20價格；② 參數(shù)可以任意設(shè)置，數(shù)據(jù)采集過程是開放式；硬件結(jié)構(gòu)微型化且可拆卸搭建，因此對于了解設(shè)備結(jié)構(gòu)的有好處[6]。使用這類設(shè)備開展實驗教學(xué)已10年，取得了較好教學(xué)效果。但通過10年的教學(xué)實踐，也發(fā)現(xiàn)諸多不足。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 價格因素。專門的MRI實驗教學(xué)儀價格仍然較高(一套設(shè)備平均在15萬元)，在許多高校用于實驗教學(xué)的設(shè)備經(jīng)費有限的情況下，無法形成規(guī)?；瘜嶒灲虒W(xué)，要實現(xiàn)隨時隨地的“全天候”實驗實訓(xùn)操作則更加不可能；

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

(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(xué)效率較低。同時很長的數(shù)據(jù)采集過程中，學(xué)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(dǎo)致部分學(xué)生實驗不得不終止或更換到其他組，導(dǎo)致課堂秩序混亂，教學(xué)效果得不到保證。

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來與國產(chǎn)MRI設(shè)備大量使用，結(jié)合調(diào)研與思考，傳統(tǒng)的實驗方式將發(fā)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(shè)備，從實際操作到虛擬操作的轉(zhuǎn)變；小型化模擬設(shè)備具有真機一致的原理結(jié)構(gòu)，成像樣品從人換成小樣品，優(yōu)點是成本低廉，主要用于設(shè)備結(jié)構(gòu)教學(xué)；虛擬設(shè)備將真實臨床的固化界面操作轉(zhuǎn)變?yōu)樵韰?shù)的開放式操作，并可以借助網(wǎng)絡(luò)拓展教學(xué)的時間與空間。小型模擬設(shè)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(shù)改變的操作；觀察現(xiàn)象，了解參數(shù)導(dǎo)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(chǔ)。

2 開發(fā)虛擬實訓(xùn)軟件

基于上述思考，作者萌生了自行開發(fā)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(jīng)過3年的規(guī)劃和實施完善， 終于完成了這套虛擬MRI成像實訓(xùn)軟件的開發(fā)[7-13]。

這款軟件完全可以規(guī)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(xùn)。同時由于是軟件實訓(xùn)平臺，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)平臺，教師和學(xué)生可在實驗室以外的任何場所、任何時間“全天候”開展實訓(xùn)操作。

該軟件除了可以實現(xiàn)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(xùn)要求。實驗過程中，可以采用加速模式，達到與實際序列參數(shù)完全相同的實驗?zāi)M效果，大大提高了實驗效率。

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

通過設(shè)置參數(shù)演繹正確的結(jié)果，是一種“正向的”學(xué)習(xí)方式；區(qū)別于正向?qū)W習(xí)，該軟件還可以通過設(shè)置不同的參數(shù)，得出不同的偽影表現(xiàn)，通過實驗?zāi)M來反推偽影的成因，是一種基于錯誤結(jié)果逆向思維的推出原因的“逆向”學(xué)習(xí)方法。MRI技師非常頭痛的一個事情是MRI偽影的出現(xiàn)，借助該軟件，可以通過了解偽影的表現(xiàn)，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(chǔ)。

軟件主界面如圖1所示，包括原理演示模塊(Theory)、預(yù)掃描模塊(prescan), 虛擬成像模塊(imaging)和波譜分析模塊(該部分內(nèi)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(chǎn)生過程，預(yù)掃描模塊展示了成像數(shù)據(jù)的采集和圖像重建過程，界面如圖2所示。在預(yù)掃描、模塊中，學(xué)習(xí)者可通過對參數(shù)的設(shè)置，結(jié)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(xiàn)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(yù)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(shè)置各種參數(shù)，可實現(xiàn)選擇序列 (SE序列、FSE序列、GRE序列、IR序列、EPI序列等)、參數(shù)調(diào)整、數(shù)據(jù)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(shù)：各種權(quán)重像、脂肪抑制成像、水抑制成像、反彈點成像技術(shù)、半傅里葉掃描技術(shù)等。并在成像過程中模擬磁場不均勻性、電子學(xué)噪聲等影響。虛擬成像界面可幫助學(xué)習(xí)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(shù)參數(shù)設(shè)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(shù)。SE序列下不同權(quán)重成像結(jié)果如圖3所示。

(a)T1權(quán)重像(b)T2權(quán)重像(c)質(zhì)子密度像

圖3 SE序列下不同權(quán)重像

(2) 偽影成因分析子模塊。該模塊中，通過設(shè)置不同的硬件誤差或參數(shù)誤差，從而得到不同程度的偽影表現(xiàn)?？稍O(shè)置的參數(shù)有主磁場均勻性、電子學(xué)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?dāng)_、樣品位置偏離、梯度不穩(wěn)定度、樣品運動程度、化學(xué)位移場強、以及數(shù)據(jù)采樣錯誤等，可模擬實現(xiàn)的偽影有截斷偽影、卷褶偽影、化學(xué)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?dāng)_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(shù)據(jù)導(dǎo)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(shù)據(jù)點為(60,60)(b)數(shù)據(jù)點為(36,96)

(c)數(shù)據(jù)點為(24,108)(d)數(shù)據(jù)點為(118,118)

圖5 不同位置的尖峰數(shù)據(jù)產(chǎn)生的條紋偽影

3 整體實驗教學(xué)實施方案

在教學(xué)實踐中，采用1+N+1的實驗教學(xué)模式：其中的1代表一套硬件的專用MRI教學(xué)實驗儀，能將試管樣品的成像過程開放式體現(xiàn)出來，其作用主要了解系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，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(xué)試驗儀，作者共開發(fā)了31個相關(guān)實驗，分為原理實驗、成像實驗、硬件電路實驗和應(yīng)用拓展實驗四個部分，并完成編著出版“核磁共振成像技術(shù)實驗教程”(科學(xué)出版社出版)[14]。

N代表多套虛擬核磁共振成像原理實訓(xùn)軟件，其能實現(xiàn)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(shè)計實驗，通過對參數(shù)任意調(diào)整導(dǎo)致信號和圖像的變化，來實現(xiàn)對理論的掌握。現(xiàn)有的硬件實驗儀由于采用封閉式的參數(shù)設(shè)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(xué)，甚至可以隨時隨地開展反復(fù)的實訓(xùn)操作，達到熟練掌握?；谔摂M實訓(xùn)軟件， 可以開展核磁共振預(yù)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(jié)果具有一致性，同時可以實現(xiàn)批量化、規(guī)范化實驗操作訓(xùn)練，教學(xué)效率很高。

最后的1，表示一套臨床MRI系統(tǒng)真機，有了前期的小樣品的臺式設(shè)備和虛擬成像實驗的基礎(chǔ)，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(shù)實驗的整體開展。

該實驗平臺的構(gòu)建的目的是實現(xiàn)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(shù)設(shè)置的成像過程操作到臨床的選項式參數(shù)設(shè)置的成像過程操作的過渡，從原理、結(jié)構(gòu)和臨床全方位掌握核磁共振成像的原理。

4 結(jié) 語

隨著國家醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革推進、國產(chǎn)化醫(yī)療高端設(shè)備的不斷成熟與完善，二級及以下的基層醫(yī)院配置磁共振成像設(shè)備逐漸普及，為分級診療的就醫(yī)格局提供了保障。但由于基層醫(yī)院MRI技術(shù)員匱乏將成為其發(fā)展的瓶頸，故對MRI技術(shù)人員規(guī)范培養(yǎng)迫在眉睫。本文通過虛實結(jié)合“1+N+1”的核磁共振成像技術(shù)實驗實訓(xùn)教學(xué)模式，促進了在校學(xué)生對晦澀抽象的核磁共振技術(shù)理論的學(xué)習(xí)與掌握，強化了對于圖像質(zhì)量的分析和控制能力的培養(yǎng)，達到了進行科學(xué)化、規(guī)范化與批量化的實驗實訓(xùn)教學(xué)的目的。通過虛實結(jié)合的實驗實訓(xùn)，還可為即將入職或已入職的MRI技術(shù)人員進行相關(guān)培訓(xùn)，不僅可以縮短培養(yǎng)周期，提高實效性，在充分發(fā)揮MRI技術(shù)優(yōu)勢的潛力同時為醫(yī)院和企業(yè)培養(yǎng)更多實用性人才。

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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(xué)儀器專項(2013YQ170463); 上海健康醫(yī)學(xué)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(shù)開發(fā)與應(yīng)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(shù)開發(fā)與應(yīng)用。

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

G 482; G 642.0

A

1006-7167(2017)08-0104-04