实验的必要性：

1．MRI是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术。可获得组织和器官的解剖结构、功能结构和病变信息，是一种无损伤体外探测技术，是当今医疗诊断的重要手段。但磁共振成像设备却长期受国外企业所垄断，为加快解决医疗器械、医用设备领域“卡脖子”问题，习近平书记今年5月28日在中国科学技术协会第十次全国代表大会上发表重要讲话，提出了“奔着最紧急、最紧迫的问题去培养医疗器械、医用设备领域核心技术人才”，本项目就是要把培养生物医学工程专业人才与国家需求相对接。

2．“磁共振成像原理”是我校生物医学工程、医学影像技术、医学影像专业本科生的主干课程的核心知识点，其中蕴涵了自然科学的各种成就和技术，可引导学生创新思维。磁共振成像原理一直是学生的学习难点，学习MRI原理需要对微观物理世界进行想象、重构，并且基于量子力学、磁场等抽象的物理概念和数学模型，很难直观的进行形象表达。

3．由于MRI需要极高的磁场强度，真实MRI环境具有一定的危险性，同时MRI设备昂贵，这些因素都不利于传统MRI实验的开展。

实验的实用性：

传统MRI原理抽象概念多、公式复杂，相关实验的成本高、间接测量多、抽象推理难，造成了该部分知识长期处于传统黑板教学的范畴，数字化、网络化、仿真训练都难以开展。本仿真实验将传统实验实训难以展示的部分用虚拟的方式呈现出来，将大大加深学生对MRI知识的直观理解、更深刻感受到微观物理量与宏观现象的本质联系。因此该实验课程的开设在相关院校的课堂教学及医院相关科室的技能培训都具有积极的作用。

教学设计的合理性：

本项目设创造性的采用了“从宏观到微观，再从微观到宏观”的设计主线，借助宏观场景来提高学生的理解力，串接微观的表达来加深理解。同时，在仿真软件中将抽象微观物理量进行宏观展现，通过数理模型和时空尺度转换，将互动操作与微观的表达直接关联起来，形成了MRI原理学习的“全过程可视化”，学生可以在直接目视状态下完成“清晰成像”的仿真实验，并直观感受到各宏观操控引起微观状态变化及最终成像的影响。通过临床案例观察脑出血在不同时期的磁共振图像特点，理解血液在不同出血期性状以及其成像参数变化的内在原因。设计既生动形象又不失科学性。

实验系统的先进性：

本虚拟仿真实验用于替代成本高、准备时间长、实现困难、具有一定危险性的真实磁共振成像实验。该项目“以实为本、虚实结合”，采用了“多维沉浸式”、“微观可视化”、“数理模型化”设计，展现了“宏（观）微（观）同框”、“抽（象）形（象）同时”的虚拟仿真，满足了学生认知实习、专业实验、专业实训、专业实习等要求的综合实践教学体系，形成了以“仿真实验”拓展“真实实验”的“绿色实践教学”。

MRI是利用原子核在磁场内共振所产生信号经重建成像的一种成像技术，与其他医学成像技术相比，MRI是多参数成像，其蕴涵了自然科学的各种成就和技术。本实验应用到的原理有：

磁共振原理：置于均匀主磁场B₀中的磁性核，以相同角速度ω₀=γB₀旋进。施加射频信号激励后，引起共振吸收能量，即产生了磁共振。停止射频脉冲，处在激发态的核跃迁到低能级，按特定频率发出电磁波，将吸收的能量释放，辐射出的电磁波，在接收线圈中感应出电压信号即为核磁共振信号。

医学原理：用于临床MRI自旋核只有氢核。人体含有大量的水，从磁矩方面考察，水分子相当是两个“裸露”的氢核。氢核在不同的化学环境中，它们的纵向弛豫时间T₁、横向弛豫时间T₂不同。不同组织、同种组织不同病理期T₁、T₂有差别，这正是MRI医学基础。

图像加权形成原理：人体内各体素磁化强度矢量（与磁共振信号相关）随时间变化曲线不同，因为非线性的，各体素磁化强度矢量值的差异也随时间变化。选择适当T_I、T_R和T_E，使T₁或T₂引起的磁共振信号差异相对较大，即完成加权的设定。

断层定位原理：通过施加线性梯度磁场实现定位。当z方向加入梯度磁场后总磁场强度为B₀＋Gz，旋进频率ω＝γ（B₀＋Gz），在z不同各层面上有不同的旋进频率。设射频脉冲频率是单一的，那么只有与射频脉冲频率相同的z₀层才能被激发，即发生共振。当改变射频频率时，所选层面位置就发生相应变化(同法可以实现与x轴或y轴垂直面成像选层)。选定z层面后，y方向加相位编码梯度场G_y，坐标为y体素感受到磁场为yG_y，不同y坐标体素有不同的共振频率，在y方向加相位编码梯度场结束时，不同y坐标的体素将处于不同的相位。然后x方向施加频率编码梯度场G_x，不同x坐标体素有不同的共振频率，在加入频率编码时采集信号；实现z平面上各体素定位。

选层厚度原理：影响层厚的主要因素：（1）梯度磁场对层厚的影响。设射频脉冲角频率为ω，一般具有一定的宽度Δω，若Δω不变，则梯度越大层厚越薄，反之越厚。（2）射频脉冲宽度Δω对断层厚度的影响，梯度磁场不变则射频脉冲宽度越大选层层厚越厚，反之越薄。

断层厚度与磁场梯度及射频脉冲宽度的关系

K空间与图像重建：所选层面施加相位编码梯度后，施加频率编码梯度场同时采集信号。采集的时域信号数据，经傅里叶变换为频域信号，存储于k空间。对空间的数据施以傅里叶逆变换，实现图像重建。

（1）学生交互性操作步骤，共14大步，100多小步

2）交互性步骤详细说明

一、磁共振基础概念模块

该模块的实验方法为观察法，用户通过调节不同的参数，观察原子核、体素、断层、磁场等变化，记录到对应的表格中，系统进行判分，实验包含：原子核的磁性、静磁场中的磁性核、磁共振、弛豫过程、梯度磁场五部分内容。

操作流程及实验报告见：图1-图9。

图1：原子核的磁性 图2：磁性核微观描述

图3：磁性核宏观描述 图4：磁共振的基本原理

图5：磁共振的宏观表现 图6：弛豫及其规律

图7：弛豫的机制 图8：梯度磁场

图9：磁共振基础概念实验报告汇总

二、磁共振成像原理综合设计实验

该模块的实验方法包含自主设计法、观察法、比较法，用户根据实验目的调节主磁场B₀大小，调节合适的梯度磁场完成选层、频率编码和相位编码，选择合适的序列，调节TI、TE、TR使图像对比度达到最大，以呈现最清晰的图像。

1、进入场景，系统弹出当前实验目标

图10：磁共振成像实验主界面

2、点击，弹出“核磁成像实验基本原理概述”，进行原理预习

图11：磁共振成像实验原理概述

3、B₀可进行数值调节，调整过程中可查看频率编码和相位编码中各体素磁化强度矢量转速变化

图12：B₀与频率编码和相位编码关系

4、调节Z轴梯度G_Z、G_Y、G_X，可实现选层位置变化

图13：G_Z与选层位置的关系

5、调节Y轴、X轴梯度G_Y、G_X，进行相位编码和频率编码，实现定位

图14：G_Y、G_X与相位编码和频率编码的关系

6、选择不同脉冲序列，设置序列参数（TI、TR、TE）后，实现各种信号加权

图15：序列、加权、对比度、K空间

7、不同对比度对应不同MRI图像

图16：不同对比度成像效果

8、完成单个成像目标后，根据成像质量由系统自动实验成功与否

图17：完成当前任务后的提示信息

9、完成该部分实验后，点击提交，弹出实验报告，实验报告自动生成，对学生操作流程进行记录、评价

图18：实验报告

三、磁共振成像在医学上的应用

该模块的实验方法包含自主设计法、观察法和比较法，学生面对虚拟患者，在模拟的MRI检查室，根据自身知识结构合理选择参数和流程，完成相应MRI检查，检查结果为图片库中随机的真实图片，学生读片后标记病灶，解释病灶部位与正常组织图像差异原因。

1、进入磁共振检查场景

图19：进入虚拟MRI检测场景

2、查看检查单

图20：查看患者检查单

3、询问及告知相关注意事项

图21：询问并告知患者相关注意事项

4、协助患者躺在检查床上准备进行检查

图22：患者躺在床上准备检查

5、准备上机操作

图23：上机操作进行检查

6、进入模拟软件初始界面

图24：模拟软件操作-初始页面

7、选择定位像，并点击扫描

图25：选择定位像，开始扫描

8、如果定位像成功，学生可自主选择不同方式进行成像

图26：不同加权图像

9、检查结束后，提示患者离开等待结果

图27：结束检查

10、点击图片开始读片

图28：点击图片开始读片

11、系统根据选择病灶情况，给出评价

图29：不用选择情况的操作提示，绿色表示正确，红色表示错误

12、系统根据学生操作弹出得分

图30：系统弹出最终得分

13、完成3个模块实验后，系统给出该学生实验成绩统计结果

图31：实验成绩统计结果