《MRI原理與設(shè)備》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與優(yōu)化探討

李 玲,余后強(qiáng)

(1.湖北科技學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 ，湖北 咸寧 437100；2.湖北科技學(xué)院 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院 ，湖北 咸寧 437100)

《MRI原理與設(shè)備》實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與優(yōu)化探討

李 玲1,余后強(qiáng)2

(1.湖北科技學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院 ，湖北 咸寧 437100；2.湖北科技學(xué)院 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院 ，湖北 咸寧 437100)

在高校磁共振成像教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中是不可或缺的，但是隨著MRI成像的高速發(fā)展，也慢慢突顯出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足和弊端。本文根據(jù)MRI專業(yè)課探索了一套理論和實(shí)踐相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)方法。利用GY-3DNMR-10三維核磁共振成像教學(xué)儀，對MRI原理及功能在專業(yè)教學(xué)和人才培養(yǎng)中做了詳細(xì)闡述，并利用醫(yī)院捐贈的MRI設(shè)備針對儀器的組成和結(jié)構(gòu)進(jìn)行講解，最后配以醫(yī)院的見習(xí)來完善MRI實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

磁共振成像教學(xué)儀；MRI實(shí)驗(yàn)；磁共振教學(xué)改革

《MRI原理與設(shè)備》是一門集物理、醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉學(xué)科，是醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、醫(yī)學(xué)影像診斷、醫(yī)學(xué)物理學(xué)及生物醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)專業(yè)的必修專業(yè)課之一。MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)是目前醫(yī)院常用的檢查手段之一，和超聲成像、X射線成像及核醫(yī)學(xué)成像并稱為四大影像。MRI具有多參數(shù)成像、多方位成像、無輻射、針對軟組織分辨力高及組織特異性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。近年來，磁共振成像設(shè)備在國內(nèi)醫(yī)院使用的更加廣泛和普及，也凸顯出了臨床使用和科學(xué)研究向兩極逐漸分化的現(xiàn)象。

國內(nèi)近幾年對教材的編寫工作比較重視，不斷地有新的版本出現(xiàn)。多種常用的版本，內(nèi)容體系和組織形式上和原來老教材變化不大，基本上還是按照MRI物理學(xué)的體系編排，加入一點(diǎn)醫(yī)學(xué)應(yīng)用。目前比較有代表性的教材是案例版的，每章加入了一些醫(yī)學(xué)案例，這是一個(gè)好的嘗試，但仍需改進(jìn)。課程內(nèi)容體系的設(shè)計(jì)基本還是原來的體系框架，不適合即將畢業(yè)走向社會工作的學(xué)生。

一、原來核磁共振實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

原來的《MRI原理與設(shè)備》實(shí)驗(yàn)課主要包括計(jì)算機(jī)演示和醫(yī)院見習(xí)兩部分。雖然實(shí)驗(yàn)室有針對測量氫核的磁共振頻率和弛豫時(shí)間有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，但是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及較少較淺，不便于學(xué)生對磁共振原理和設(shè)備本身精髓的理解。而計(jì)算機(jī)演示比較抽象，不能讓學(xué)生對磁共振原理加深認(rèn)識。

二、優(yōu)化重構(gòu)后的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室購進(jìn)GY-3DNMR-10三維核磁共振成像教學(xué)儀，并接受了醫(yī)院捐贈的超導(dǎo)磁共振設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者把實(shí)驗(yàn)主要分為MRI原理部分、MRI結(jié)構(gòu)組成部分和醫(yī)院見習(xí)部分。真正做到實(shí)驗(yàn)課把理論知識和實(shí)踐相結(jié)合。

(一)MRI實(shí)驗(yàn)原理部分

我們學(xué)校在購進(jìn)了GY-3DNMR-10三維核磁共振成像教學(xué)儀器。目前能夠開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目很多。在磁共振教學(xué)中，用GY-3DNMR-10臺式磁共振成像儀，MRI專業(yè)教師可以達(dá)到前所未有的教學(xué)效果 。

已經(jīng)開發(fā)出的實(shí)驗(yàn)：共振頻率的調(diào)整、測量拉莫爾頻率、自由感應(yīng)衰減信號、增益實(shí)驗(yàn)、SE回波法測量橫向弛豫T2、反轉(zhuǎn)恢復(fù)法和飽和恢復(fù)法測縱向弛豫T1、化學(xué)位移測量、觀察T2和T1加權(quán)圖像、一維梯度編碼成像、磁共振偽影、二維成像、三維成像、MR圖像質(zhì)量評價(jià)。上述實(shí)驗(yàn)可以滿足MRI原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中，可以根據(jù)學(xué)生的專業(yè)不同選擇不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

1.實(shí)驗(yàn)儀器簡介

(1)系統(tǒng)構(gòu)成。GY-3DNMR-10三維核磁共振成像教學(xué)儀器由恒溫磁體、主機(jī)、電源、計(jì)算機(jī)及處理顯示軟件組成。恒溫磁體由恒溫器、磁體、梯度線圈、射頻探頭線圈組成。主機(jī)由DDS(數(shù)字直接合成器)、射頻功率放大器、正交檢波接收機(jī)和控制主機(jī)(包括A/D轉(zhuǎn)換、D/A梯度控制器、脈沖控制器)以及通訊接口組成。電源由梯度放大器、直流電源組成。

(2)“恒溫磁體”。“恒溫磁體”由恒溫控制器和磁鐵、探頭和梯度線圈組成。

(3)主機(jī)部分 ?！爸鳈C(jī)”由DDS(數(shù)字直接合成器)、射頻功率放大器、正交檢波接收機(jī)和控制主機(jī)(包括A/D轉(zhuǎn)換、D/A梯度控制器、CPU、脈沖控制器)、以及通訊接口組成。

(4)電源部分。電源由“勻場線圈電源”和“梯度磁場放大器”以及多組穩(wěn)壓電源組成。

其中穩(wěn)壓電源主要提供給“恒溫磁鐵”和“主機(jī)”的各種工作電壓。

(二)學(xué)生常做實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.用計(jì)算機(jī)軟件或示波器觀察自由衰減信號(FID信號)

打開儀器，在磁場中放入裝有純水溶液的樣品管，打開計(jì)算機(jī)軟件，在自動采集過程中調(diào)試共振頻率，達(dá)到理想狀態(tài)的FID信號。

2.一維、二維成像

在二維成像之前，可以對定標(biāo)樣品“三注油孔”一維成像有所認(rèn)識。本文主要了解二維成像的原理。所以按下“成像記錄及操作”和“記錄”，記錄結(jié)束后，按下“二維傅立葉變換”，調(diào)節(jié)“行選擇”可以看到每一列可以得到二維圖像。

3.三維成像

放入注水有機(jī)玻璃管，三維采集后，按三維傅立葉變換后既可以看到不同方向切面觀察物體，同時(shí)三維重構(gòu)后可以看到三維立體水柱。

4.用脈沖核磁共振法測量弛豫時(shí)間常數(shù)

(1)用GY-PNMR-10核磁共振成像教學(xué)儀測量水和芝麻油的橫向弛豫時(shí)間T2

把裝有純水溶液的樣品管放入樣品口中，確定共振頻率，調(diào)整“共振頻率設(shè)定”，得到正確的共振頻率。建立最佳的自選回波序列，選擇“自選回波測量T2”。為了得到最好的回波信號，必須FID信號幅度最大。

通過點(diǎn)擊“脈沖間隔”按鈕改變脈沖間隔時(shí)間，點(diǎn)擊“回波信息”，測量回波幅度和回波時(shí)間。

(2)反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列(IR)測量水和芝麻油的縱向弛豫時(shí)間T1

設(shè)置反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖序列，調(diào)節(jié)脈沖間隔按鈕，隨著間隔的增大信號幅度越來越低，直到信號復(fù)位為0，點(diǎn)擊計(jì)算T1。界面如圖10所示。

5.GY-3DNMR-10三維核磁共振成像教學(xué)儀器在專業(yè)教學(xué)和人才培訓(xùn)中的應(yīng)用

教學(xué)實(shí)踐證明，GY-3DNMR-10三維核磁共振成像教學(xué)儀不失為一款理想的磁共振成像教學(xué)儀器。就實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和形式等問題，我們總結(jié)了一些在核磁共振學(xué)習(xí)中普遍遇到的問題，最終編寫了能夠與實(shí)際需求相結(jié)合的配套實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教材。

(三)MRI設(shè)備總體組成和部分結(jié)構(gòu)

磁共振設(shè)備的軟件和硬件結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，其中硬件又涉及學(xué)科較廣泛，數(shù)據(jù)信號采集、圖像重建以及重建后的圖像處理和三維重建都很復(fù)雜，內(nèi)容涉及到電子技術(shù)、信號處理、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、圖像處理及計(jì)算機(jī)技術(shù)等多方面的知識。目前利用十堰太和醫(yī)院捐贈的永磁和超導(dǎo)MRI機(jī)，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識MRI機(jī)的組成以及每個(gè)組成部分的原理和作用，并根據(jù)需要，可以選擇拆卸設(shè)備，讓學(xué)生比較容易的掌握MRI的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成。并有專業(yè)老師配以原理的講解，分為永磁、常導(dǎo)和超導(dǎo)三種類型MRI重點(diǎn)分析其區(qū)別和結(jié)構(gòu)組成，為深入學(xué)習(xí)MRI的原理奠定基礎(chǔ)，并為培養(yǎng)臨床工程師打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(四)MRI醫(yī)院見習(xí)部分

我們在學(xué)生已經(jīng)掌握了MRI原理和設(shè)備的情況下，帶領(lǐng)學(xué)生到附屬醫(yī)院MRI室見習(xí)，主要結(jié)合核磁共振設(shè)備操作和應(yīng)用，讓學(xué)生側(cè)重對具體MRI設(shè)備的操作和成像過程加以熟悉，并學(xué)會調(diào)節(jié)參數(shù)和懂得注意事項(xiàng)等。見習(xí)的目的主要是為學(xué)生實(shí)習(xí)和畢業(yè)后盡快適應(yīng)醫(yī)院工作環(huán)境。同時(shí)適用于部分學(xué)生的臨床操作和科學(xué)研究。

三、討論

本文主要針對過去磁共振成像實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的不足，根據(jù)新進(jìn)設(shè)備和人才的需求對教學(xué)內(nèi)容做了優(yōu)化和改革初探，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容重新編排了實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。在兩年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，和以往相比，提高了教學(xué)效率，學(xué)生的理論課堂和實(shí)驗(yàn)課堂興趣都有較大提高。在實(shí)驗(yàn)課堂中，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)部分，自行動手連接各實(shí)驗(yàn)儀器，并可以親自拆卸醫(yī)院捐贈的設(shè)備，提高了他們的動手能力。部分選做內(nèi)容的設(shè)計(jì)，滿足了不同實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ膶W(xué)生對學(xué)習(xí)的需求 。

所以，MRI系統(tǒng)而又專業(yè)的教學(xué)具有不可替代的重要價(jià)值。目前，在磁共振成像高速發(fā)展的今天，一套有效而又適合臨床工程師和技師要求的教育模式是很有必要的，為培養(yǎng)高質(zhì)量的專業(yè)人才值得推廣應(yīng)用。

[1] 邱建峰，等．核磁共振實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探討[J]．中國醫(yī)療裝備，2005，(12)：30～33.

[2] 聶生東，俞文文，等．NMR20臺式磁共振成像儀及其在教學(xué)中的應(yīng)用[J] ．中國醫(yī)療設(shè)備，2008，(23)：22～23.

[3] 岳惠，周輝，魏德祥，等．開設(shè)核磁共振實(shí)驗(yàn)的探討[J]．物理實(shí)驗(yàn)，2001,21(1):6～10.

[4] 黃磊，翟健，陳基明，等．核磁共振成像教學(xué)模式改革探索與實(shí)踐[J]．包頭醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，27(6):106～107.

[5] 張潔天,讓慶瀾.核磁共振成像一維空間編碼教學(xué)實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2006,26(10):3～8.

[6] 張家新.淺析如何加強(qiáng)核磁共振理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的聯(lián)系[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010,1(89)：120～130.

[7] 鄭超，陳潤鋒，周廣榮.原理性和研究性核磁共振實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011,10(28)：130～133.

[8] Boris 0 S，Michel T，Robert W S，et al．Electronic Properties and Solid—State 87Rb and 1 3C NM R Studies of M esoporous Tantalum Oxide Rubidium Fulleride Composites[J]．Chem．Mater，2005，(17)： 467～1 478．

[9] Gerhard W．Modern NMR in Undergraduate Education：Introduction[J]．Modern NMR Spectroscopy in Education，2007，(1)：1～6．

[10] Fadvva O，Li Yuzhou．Dynamic NMR in an Advanced Laboratory[J]． Modern NMR Spectroscopy in Education，2007，(14)：190～204.

2095-4654(2015)01-0202-03

2014-11-23

R445.2-4

A