磁共振成像技術(shù)實驗儀在磁共振成像設(shè)備教學(xué)中的探索與實踐

繆月紅 陳 晉 唐福州

貴州醫(yī)科大學(xué) 貴州貴陽 550025

磁共振成像(MRI)技術(shù)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(fā)態(tài)，當(dāng)撤銷射頻脈沖后，在組織恢復(fù)平衡狀態(tài)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(shù)。磁共振成像設(shè)備作為現(xiàn)代大型醫(yī)學(xué)影像設(shè)備之一，凝聚多項先進成像技術(shù)及眾多科學(xué)成果于一身，它涉及物理學(xué)、電磁技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)及低溫超導(dǎo)技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域。與其他醫(yī)學(xué)影像設(shè)備相比，磁共振成像設(shè)備具有明顯的優(yōu)點：無輻射損傷；可進行多參數(shù)、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(jīng)系統(tǒng)成像具有無與倫比的優(yōu)勢，在當(dāng)今醫(yī)學(xué)影像診斷領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。因此，磁共振成像設(shè)備是影像學(xué)專業(yè)、醫(yī)工交叉類專業(yè)等的重要必修內(nèi)容。

一、磁共振成像設(shè)備教學(xué)現(xiàn)狀

我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)是典型的醫(yī)工交叉專業(yè)，因此在為該專業(yè)開設(shè)的“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”這門專業(yè)核心課程中，磁共振成像設(shè)備是教學(xué)的重點內(nèi)容?！搬t(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”這門課程的總學(xué)時為54，其中理論課36學(xué)時，實驗課18學(xué)時。磁共振成像設(shè)備部分的總學(xué)時為20，其中理論課8學(xué)時，實驗課12學(xué)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(shù)方法、磁共振成像設(shè)備基本結(jié)構(gòu)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)，掌握磁共振設(shè)備的原理和應(yīng)用，熟悉磁共振設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能，具備研發(fā)、管理、安裝與維護磁共振設(shè)備的基本能力，幫助學(xué)生了解磁共振成像設(shè)備的發(fā)展全貌，培養(yǎng)學(xué)生對醫(yī)療行業(yè)的認(rèn)同、對中國制造的堅信，弘揚大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生的專業(yè)自豪感和愛國情懷。

然而，在磁共振成像設(shè)備教學(xué)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(xué)、高等數(shù)學(xué)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(xiàn)象之間環(huán)環(huán)相扣、層層遞進。學(xué)生不僅需要具備這些基礎(chǔ)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(chǎn)生畏難情緒和抵觸心理，學(xué)習(xí)主動性和積極性不高，這使得教學(xué)難度進一步增加。第二，儀器設(shè)備資源難以滿足教學(xué)使用要求。醫(yī)用磁共振成像設(shè)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(yī)用磁共振成像設(shè)備開放性低，生產(chǎn)廠家一方面為了提高設(shè)備的操作便捷性，另一方面為了保護知識產(chǎn)權(quán)，通常將復(fù)雜的原理及算法“封裝”起來，實際軟件操作界面簡潔明了，醫(yī)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(yī)用磁共振設(shè)備的安全性要求較高。進入磁共振設(shè)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(shè)備間，否則會存在重大的安全隱患，然而常規(guī)教學(xué)條件難以滿足這些要求。

二、磁共振成像技術(shù)實驗儀簡介

在新工科背景下，本著“以學(xué)生為主體”的教學(xué)理念，我們嘗試采用虛擬—現(xiàn)實相結(jié)合的教學(xué)模式來開展磁共振成像設(shè)備的教學(xué)。因此，我校購置了磁共振成像技術(shù)實驗儀，這是一款專為核磁共振成像技術(shù)實驗教學(xué)而設(shè)計的小型臺式核磁共振儀器。主要用于配合教學(xué)演示、基本實驗操作以及部分科研實驗需求，使教師能夠結(jié)合理論教學(xué)演示磁共振成像過程，學(xué)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(yī)用磁共振成像設(shè)備相同的模塊和功能，學(xué)生可以真實體驗磁共振成像的基本原理、基本結(jié)構(gòu)、技術(shù)方法及應(yīng)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(shù)據(jù)，可進行圖像重建的仿真實驗，以及算法優(yōu)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(shè)勻場實驗、信號檢測實驗等。

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

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

三、磁共振成像設(shè)備實驗教學(xué)設(shè)計

磁共振成像設(shè)備實驗教學(xué)是在理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，通過展示、演示、操作和實踐等方式，讓學(xué)生對各種磁共振成像設(shè)備的結(jié)構(gòu)有更為感性直觀的認(rèn)識，加深對磁共振成像設(shè)備工作原理的理解，提高學(xué)生對理論課程的學(xué)習(xí)效果。通過實驗教學(xué)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)觀察能力和動手實踐能力，幫助學(xué)生獲得磁共振成像設(shè)備相關(guān)的知識和技能，有助于培養(yǎng)學(xué)生實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)的學(xué)習(xí)方法，特別是啟迪思維、培養(yǎng)科學(xué)精神和創(chuàng)新能力，不斷適應(yīng)時代進步的需要。

磁共振成像設(shè)備實驗教學(xué)采用虛擬—現(xiàn)實相結(jié)合的教學(xué)模式，學(xué)生既可以應(yīng)用磁共振成像技術(shù)實驗儀及其配套的紐邁核磁共振分析應(yīng)用軟件、紐邁核磁共振成像軟件開展傳統(tǒng)實驗，也可以應(yīng)用MRI虛擬數(shù)據(jù)采集與圖像重建軟件開展虛擬實驗。實驗教學(xué)圍繞核磁共振物理原理和磁共振成像技術(shù)兩個方面開展，主要針對磁共振成像設(shè)備理論教學(xué)中的重點和難點，進行實驗教學(xué)設(shè)計。具體開設(shè)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(xué)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(diào)節(jié)實驗。通過該實驗，學(xué)生可以理解硬射頻脈寬與硬射頻脈沖能量之間的關(guān)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(xué)目標(biāo)是使學(xué)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(shù)對磁共振圖像大小及形狀的影響。通過調(diào)整采樣參數(shù)，觀察磁共振圖像的大小及形狀的變化規(guī)律，可以加深學(xué)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(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)分辨的影響。本實驗通過調(diào)整磁共振信號的采集次數(shù)，即K空間的原始數(shù)據(jù)量，利用不同原始數(shù)據(jù)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(xué)生理解K空間對圖像結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)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(xué)生對SE序列成像過程和原理的理解，掌握SE序列成像有關(guān)的參數(shù)設(shè)置。

(7)自旋回波權(quán)重像實驗。實驗過程中，通過調(diào)整TR和TE，分別獲得質(zhì)子密度加權(quán)像、T1加權(quán)像、T2加權(quán)像，幫助學(xué)生理解不同權(quán)重像的概念及特點，了解弛豫時間不同的組織在權(quán)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(xué)生對FSE序列成像過程和原理的理解，掌握FSE序列成像有關(guān)的參數(shù)設(shè)置。

四、教學(xué)設(shè)計應(yīng)用結(jié)果分析

在為我校生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)2018級學(xué)生開設(shè)的“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”課程中，首次運用了上述磁共振成像設(shè)備實驗教學(xué)設(shè)計。從課堂教學(xué)過程來看，教師講授的難度降低，對于課堂上提出的問題，學(xué)生的反應(yīng)較為積極，有效互動的次數(shù)增多，學(xué)習(xí)的主動性和積極性較高。課堂教學(xué)效果有了一定程度的提高。

2017級學(xué)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(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)生在“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”期末考試中磁共振成像設(shè)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(biāo)，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(jié)果顯示，應(yīng)用磁共振成像技術(shù)實驗儀進行實驗教學(xué)，學(xué)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(xué)生的干擾性較大，學(xué)生容易混淆一些相關(guān)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(xué)生都較為困難。其可能的原因：學(xué)生對于磁共振成像設(shè)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(nèi)在邏輯關(guān)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(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)2016級、2018級MRI考試分析

圖1 貴州醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)2016級、2018級MRI考試得分對比

五、結(jié)語與展望

磁共振成像設(shè)備作為“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”這門專業(yè)核心課程的重點內(nèi)容，具有知識點復(fù)雜抽象、邏輯推理性強、教學(xué)內(nèi)容多、授課學(xué)時少的特點，教師講授和學(xué)生學(xué)習(xí)均面臨較大的困難。為了提高教學(xué)效果，我校購置了磁共振成像技術(shù)實驗儀，精心設(shè)計實驗教學(xué)方案，并將其應(yīng)用于2018級生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)教學(xué)當(dāng)中。結(jié)果顯示，不僅課堂教學(xué)效果得到了一定程度的改善，且磁共振成像設(shè)備部分的考試得分率也有了一定程度的提高。

然而學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中，仍然存在機械性記憶、物理學(xué)原理和物理學(xué)現(xiàn)象之間脫節(jié)、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(xué)中，引入思維導(dǎo)圖，進一步優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容組織形式，加深各知識點間的理解與關(guān)聯(lián)；利用3DsMax等軟件，制作磁共振成像物理學(xué)原理、物理學(xué)現(xiàn)象、設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面的動畫，形象生動地將知識展示出來，使學(xué)生更容易理解和接受。

總之，磁共振成像設(shè)備作為“醫(yī)學(xué)影像設(shè)備學(xué)”這門課程的教學(xué)重點和教學(xué)難點，需要不斷創(chuàng)新教學(xué)理念，改進教學(xué)方法，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計和方案，完善教學(xué)內(nèi)容組織形式，從而不斷提高磁共振成像設(shè)備的教學(xué)質(zhì)量。