虚实结合的MRI实验实训项目开发与实践

夏 天, 陈珊珊, 周敏雄, 苗志英, 张凯威, 施群雁, 汪红志

(1. 上海健康医学院 医学影像学院， 上海 200093; 2. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院， 上海 200093;3. 苏州纽迈分析仪器股份有限公司， 江苏 苏州 215000)

虚实结合的MRI实验实训项目开发与实践

夏 天1, 陈珊珊1, 周敏雄1, 苗志英2, 张凯威2, 施群雁3, 汪红志1

(1. 上海健康医学院 医学影像学院， 上海 200093; 2. 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院， 上海 200093;3. 苏州纽迈分析仪器股份有限公司， 江苏 苏州 215000)

磁共振成像(MRI)是一门综合性学科，针对其原理的实验实训教学一直是难点。由于成本高昂、设备巨大、扫描参数固化，教学效率低等原因，直接使用MRI真机和小型磁共振教学实验仪一方面无法完全实现科学化、规范化和批量化的MRI技术实验教学，另一方面降低了操作的难度，局限了MRI的应用潜力，弱化了对学生图像质量的分析和控制能力培养。通过长期的教学实践和调研思考，提出了小型MRI模拟设备与虚拟软件相结合是实验教学的发展趋势，利用小型模拟设备进行结构教学，虚拟MRI实验实训软件进行原理教学，该软件能够模拟MRI的整个过程，正向与逆向学习相结合的方式使学生理解与掌握MRI相关原理。在此基础上，提出了“1+N+1”的虚实结合的实验实训教学模式，提高了教学实效。

虚实结合; 磁共振成像实验教学; 磁共振成像虚拟教学软件

0 引 言

磁共振成像(MRI)是一门涵盖核物理、电子技术、材料科学、计算机技术、数学、医学解剖的综合性学科，是典型的高新技术[1-4]。MRI作为五大医学影像模式之一，虽然发展时间较短，但相比其他模式的成像技术，其多参数成像、任意截面成像、高软组织对比、无电离辐射、无骨像伪影等优势使其在临床上越来越受欢迎，并逐步占据了主导地位。

除了基本的临床诊断方面的优势之外,磁共振血管造影已经有作为血管造影金标准的取代传统DSA，不断提高的磁共振成像速度也使得磁共振心脏电影得以实现，这对于研究心脏的多种功能参数很有益处。磁共振还可以实现功能成像，以灌注成像、弥散成像、心脏电影等手段能够在生理改变的初期发现病灶,为疾病的治疗提供宝贵的时间。BOLD方法进行的脑功能成像是认识和揭开大脑功能的最主要手段。

总之，医学核磁共振已经成为临床医学诊断所不可缺少的最重要的检查手段，其应用领域以每年15%的比例在得以拓展[5]。

随着国产技术的发展，二级基层医院磁共振设备的普及率越来越高，临床对MRI的需求以及MRI企业的快速发展，对MRI操作技师、生产、调试、安装、维修、开发设计等工程师的巨大需求也在不断增加。因此，对于这些专业技术人才的培养成为了紧迫的任务。

MRI技术及设备是上述专业中最重要的一门核心课程。MRI技术原理深奥晦涩难懂，由于涉及各学科理论较多，故学习难度较大，教学过程中，靠教师的PPT讲解，很难被学生理解。

具体到临床MRI技师而言，由于原理的复杂和序列、参数的多样性，使得设备厂商都不得不固化扫描序列包，参数设置“程式化封闭化”，甚至是“一键式扫描”。这种扫描设置虽然降低了操作的难度，但是也局限了MRI的应用潜力。操作者难以通过具体图像的特点，加扫其他序列。同时扫描参数的固化，也不利于操作者对于成像原理以及参数对图像影响的理解，弱化了对于图像质量的分析和控制能力；医学影像技术本科人才培养的目的，除了操作设备之外，还要能够对影像设备进行功能开发和拓展应用。而能开发设备应用功能，就需要熟练掌握原理。同时根据现阶段学生的学习特点，更需要提供一种从感性认识到理性认识的学习工具。

这些都对MRI从业人员的基本原理的掌握提出了高要求。因此，非常有必要开展科学化、规范化和批量化的MRI技术实验实训教学。本文作者通过大量的调研与实践，开发了虚实结合的MRI实验实训项目满足了以上需求。

1 建设思考与调研

医学影像技术专业实验教学面临的问题来自实验设备。直接采用临床设备作为MRI原理教学，存在明显的不足：设备昂贵，巨大，台套数有限，无法开展规模化教学，通常作为演示性实验；参数设置选项化；数据采集过程后台化；一键式操作；只适用于作为临床操作教学；显然直接用于原理教学，效果不好。通过调研发现许多MRI技师有10年的操作经验，但对MRI的基本原理还是非常模糊。

采用小型化的MRI实验设备，在原理教学方面有许多优势。① 价格低，约为临床设备的1/20价格；② 参数可以任意设置，数据采集过程是开放式；硬件结构微型化且可拆卸搭建，因此对于了解设备结构的有好处[6]。使用这类设备开展实验教学已10年，取得了较好教学效果。但通过10年的教学实践，也发现诸多不足。主要体现在以下几个方面：

(1) 价格因素。专门的MRI实验教学仪价格仍然较高(一套设备平均在15万元)，在许多高校用于实验教学的设备经费有限的情况下，无法形成规模化实验教学，要实现随时随地的“全天候”实验实训操作则更加不可能；

(2) 传统的硬件实验仪由于成本相对较低，使得一些硬件指标无法满足高端成像序列的要求，所以无法实现全部的成像原理教学；

(3) 硬件实验仪进行某些成像实验的时间太长，一副图像需要采集10 min左右， 造成一次实验课(90 min)能开展的实验操作量有限，教学效率较低。同时很长的数据采集过程中，学生的课堂纪律难以控制；

(4) 同时实验过程中，硬件实验仪的故障还会导致部分学生实验不得不终止或更换到其他组，导致课堂秩序混乱，教学效果得不到保证。

随着“互联网+”时代的到来与国产MRI设备大量使用，结合调研与思考，传统的实验方式将发生深刻的变化，主要有两个变化趋势，即从真机到小型MRI模拟设备，从实际操作到虚拟操作的转变；小型化模拟设备具有真机一致的原理结构，成像样品从人换成小样品，优点是成本低廉，主要用于设备结构教学；虚拟设备将真实临床的固化界面操作转变为原理参数的开放式操作，并可以借助网络拓展教学的时间与空间。小型模拟设备实验与虚拟实验操作的目的，不是为了熟练而操作；是通过参数改变的操作；观察现象，了解参数导致信号和图像变化的原因，掌握原理，为真机操作奠定理论基础。

2 开发虚拟实训软件

基于上述思考，作者萌生了自行开发一套不需要硬件支持就可以完成实验项目的虚拟软件的想法，经过3年的规划和实施完善， 终于完成了这套虚拟MRI成像实训软件的开发[7-13]。

这款软件完全可以规避硬件实验仪不足，较低采购成本，允许大批量开展实验实训。同时由于是软件实训平台，结合网络平台，教师和学生可在实验室以外的任何场所、任何时间“全天候”开展实训操作。

该软件除了可以实现硬件实验仪的所有实验功能外，还可以开展硬件实验仪不能满足的所有高端成像序列的实训要求。实验过程中，可以采用加速模式，达到与实际序列参数完全相同的实验模拟效果，大大提高了实验效率。

同时，也可以任意设置不同的场强、均匀性以及电子学噪声程度来开展实训；可以对相同样品采用不同硬件参数进行成像效果对比。这是传统的硬件实验仪无法做到的。

通过设置参数演绎正确的结果，是一种“正向的”学习方式；区别于正向学习，该软件还可以通过设置不同的参数，得出不同的伪影表现，通过实验模拟来反推伪影的成因，是一种基于错误结果逆向思维的推出原因的“逆向”学习方法。MRI技师非常头痛的一个事情是MRI伪影的出现，借助该软件，可以通过了解伪影的表现，分析其原因，从而为临床上有效解决伪影问题打下较好基础。

软件主界面如图1所示，包括原理演示模块(Theory)、预扫描模块(prescan), 虚拟成像模块(imaging)和波谱分析模块(该部分内容由于不涉及成像将在本文不做赘述)等4个部分的功能。

图1 软件主界面

原理演示模块采用动画形式分别展示了核磁共振信号的产生过程，预扫描模块展示了成像数据的采集和图像重建过程，界面如图2所示。在预扫描、模块中，学习者可通过对参数的设置，结合软件仿真的FID信号来实践拉莫尔频率测定、射频脉冲角度确定和电子匀场等工作的实现过程，深度理解核磁共振仪器在成像之前所做的前期工作。

图2 预扫描模块界面

虚拟成像模块中，分为两个部分。

(1) 正常成像子模块。 通过设置各种参数，可实现选择序列 (SE序列、FSE序列、GRE序列、IR序列、EPI序列等)、参数调整、数据采集、K空间填充、图像重建等功能。通过选择不同的样品模板或人体颅部等常见模板，获得多种成像技术：各种权重像、脂肪抑制成像、水抑制成像、反弹点成像技术、半傅里叶扫描技术等。并在成像过程中模拟磁场不均匀性、电子学噪声等影响。虚拟成像界面可帮助学习者了解磁共振成像的整个过程，并且可以快速观察到不同序列、不同组织及不同技术参数设置对磁共振信号、K空间、MRI图像的影响，通过实践更好掌握核磁共振成像技术。SE序列下不同权重成像结果如图3所示。

(a)T1权重像(b)T2权重像(c)质子密度像

图3 SE序列下不同权重像

(2) 伪影成因分析子模块。该模块中，通过设置不同的硬件误差或参数误差，从而得到不同程度的伪影表现。可设置的参数有主磁场均匀性、电子学噪声程度、中心频率偏差、正交检波误差度、ADC采样直流偏置电流、射频串扰、样品位置偏离、梯度不稳定度、样品运动程度、化学位移场强、以及数据采样错误等，可模拟实现的伪影有截断伪影、卷褶伪影、化学位移伪影、镜像伪影、中心点伪影、中心线伪影、灯心绒伪影、运动伪影、射频串扰伪影、位置偏移伪影等。如图4和图5分别是伪影成因分析子模块界面和尖峰数据导致的灯心绒状伪影的实验效果图。

图4 伪影成因分析子模块界面

(a)数据点为(60,60)(b)数据点为(36,96)

(c)数据点为(24,108)(d)数据点为(118,118)

图5 不同位置的尖峰数据产生的条纹伪影

3 整体实验教学实施方案

在教学实践中，采用1+N+1的实验教学模式：其中的1代表一套硬件的专用MRI教学实验仪，能将试管样品的成像过程开放式体现出来，其作用主要了解系统的基本结构，体验实际操作，主要进行演示性实验；需要说明的是基于型号为MRIjx的台式MRI教学试验仪，作者共开发了31个相关实验，分为原理实验、成像实验、硬件电路实验和应用拓展实验四个部分，并完成编著出版“核磁共振成像技术实验教程”(科学出版社出版)[14]。

N代表多套虚拟核磁共振成像原理实训软件，其能实现与硬件实验仪相同的界面操作和显示，其功能更加强大，作用是针对成像的过程来设计实验，通过对参数任意调整导致信号和图像的变化，来实现对理论的掌握。现有的硬件实验仪由于采用封闭式的参数设置，没有比较， 意义不大；这部分实验可以人手一套，完成课堂的实操实验教学，甚至可以随时随地开展反复的实训操作，达到熟练掌握。基于虚拟实训软件， 可以开展核磁共振预扫描、成像以及伪影成因分析等实验项目共20个。由于采用计算机虚拟实验，实验结果具有一致性，同时可以实现批量化、规范化实验操作训练，教学效率很高。

最后的1，表示一套临床MRI系统真机，有了前期的小样品的台式设备和虚拟成像实验的基础，最后通过真机进行人体的实际成像演示操作，从而完成整个MRI技术实验的整体开展。

该实验平台的构建的目的是实现从试管样品到人体样品，从开放式小型化到临床真机，从虚拟的开放式参数设置的成像过程操作到临床的选项式参数设置的成像过程操作的过渡，从原理、结构和临床全方位掌握核磁共振成像的原理。

4 结 语

随着国家医药卫生体制改革推进、国产化医疗高端设备的不断成熟与完善，二级及以下的基层医院配置磁共振成像设备逐渐普及，为分级诊疗的就医格局提供了保障。但由于基层医院MRI技术员匮乏将成为其发展的瓶颈，故对MRI技术人员规范培养迫在眉睫。本文通过虚实结合“1+N+1”的核磁共振成像技术实验实训教学模式，促进了在校学生对晦涩抽象的核磁共振技术理论的学习与掌握，强化了对于图像质量的分析和控制能力的培养，达到了进行科学化、规范化与批量化的实验实训教学的目的。通过虚实结合的实验实训，还可为即将入职或已入职的MRI技术人员进行相关培训，不仅可以缩短培养周期，提高实效性，在充分发挥MRI技术优势的潜力同时为医院和企业培养更多实用性人才。

[1] 俎栋林,高家红.核磁共振成像物理原理和方法[M]. 北京：北京大学出版社,2014.

[2] Stocker T, Vahedipour K, Pflugfelder D,etal. A high performance computing MRI simulations[J]. Magn Reson Med,2010,64(1):186-193.

[3] 陈武凡,康立丽.MRI原理与技术[M].北京：科学出版社,2012.

[4] 张学龙,汪红志,黄 勇,等.医学影像物理学教程[M].北京：科学出版社,2013.

[5] 匡 斌,何超明. 磁共振成像虚拟扫描技术的发展及趋势浅谈[J].磁共振成像,2011(3):218-224.

[6] 汪红志, 聂生东, 张学龙. 筹建核磁共振成像技术实验室的探索与思考[J]. 实验技术与管理，2007(5):126-128.

[7] 水 力.磁共振成像仿真平台设计与实现[J].软件导刊，2014,13(6):147-150.

[8] 汪红志, 武 杰, 张学龙. MRI采样参数对图像影响规律的研究[J]. 仪器仪表学报, 2007，28(4):224-227.

[9] 许红玉. 汪红志.核磁共振成像理论教学的Matlab仿真实现[R]. 生物医学物理研究, 2008.

[10] 郑 倩.医学图像分割方法研究及其应用[D].广州：南方医科大学,2014.

[11] Nicholas P, Fushman D, Ruchinsky V,etal. The virtual NMR spectrometer: A computer program for efficient simulation of NMR experiments involving pulsed field gradients[J]. J Magn Reson, 2000, 145(2):262-275.

[12] 王 军，王 昕.一种基于Matlab的快速MRI图像三维重建方法[J].泰山医学院学报,2012(7):515-517.

[13] Bernstein M A, King K F, Zhou Xiaohong. Handbook of MRI Pulse Sequences[M]. USA:Elsevier Academic Press, 2004.

[14] 汪红志, 张学龙, 武杰, 核磁共振成像技术实验教程[M].北京:科学出版社，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

科技部重大科学仪器专项(2013YQ170463); 上海健康医学院种子基金

夏 天(1978-)，男，江苏徐州人，博士，讲师，研究方向：磁共振技术开发与应用。

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

汪红志(1975-)，男，湖北黄岗人，博士，副教授，研究方向：磁共振技术开发与应用。

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

G 482; G 642.0

A

1006-7167(2017)08-0104-04