《磁共振原理与设备》教学实验研究

李玲 余后强

摘要：MRI实验教学在部分高校中是不可或缺的，但是随着MRI成像的高速发展，也慢慢突显出传统实验的不足和弊端。该文针对MRI教学在原理、结构 、功能，及在专业教学和人才培训中的应用做了详细阐述。利用GY-3DNMR-10三维核磁共振成像教学仪、MRI图像处理软件和医院捐赠的MRI设备来完善MRI实验教学。

关键词：磁共振成像教学仪；MRI实验；磁共振教学改革

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）06-1259-04

On the Teaching Experimental Investigation of

LI Ling1， YU Hou-qiang2

（1.Department of Biomedical Engineering， Hubei University of Science and Technology， Xianning 437100， China； 2. Department of Mathematics and Statistics， Hubei University of Science and Technology， Xianning 437100， China）

Abstract： It is essential of MRI experiment teaching in some universities， but with the rapid development of MRI imaging， it also highlights the shortcomings of traditional experimental slowly and disadvantages. Aiming MRI teaching in principle， structure， function， and application in teaching and training in a detailed elaboration. Use GY-3DNMR-10 three-dimensional magnetic resonance imaging teaching instrument， MRI image processing software and hospitals donated MRI MRI equipment to improve experimental teaching.

Key words： MRI imaging device； MRI experiment； MRI teaching reform

《MRI原理与设备》是一门交叉学科，是20世纪80年代初期发展起来的影像诊断技术，属于典型的高新技术。目前是医学影像技术、医学影像诊断、医学物理学及生物医学工程等相关专业的必修专业课之一。MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）是目前医院常用的检查手段之一，和超声成像、X射线成像及核医学成像并称为四大影像。MRI具有多参数成像、多方位成像、无辐射、针对软组织分辨力高及组织特异性强等优点[1-2]。

目前，在MRI领域出现了很多新技术，而这些技术都是医工结合的有力证明。由于我国临床医生缺乏MRI的理论知识，又没有临床工程师的支持，就导致了我国在MRI的临床应用和科学研究方面落后的面貌，和国外发达国家相比，我们对MRI的利用率非常低，MRI的很多功能也得不到有效的开发利用。要改变这种落后的面貌，一方面，我们要大力培养MRI的临床工程师；另一方面，我们也应该对MRI的临床医生进行MRI的理论和方法的培训，从而更有效的应用MRI设备[3-5]。

1 传统MRI实验的不足

目前许多相关院校开设的核磁共振实验项目一般都是采用传统的扫场法进行的。由于射频是一直施加的，因此激发频率为一个单一的值，因此很难观察MRI现象。整个信号控制和数据处理都是模拟的，没有三维梯度的概念，因此不能进行二维MRI成像，更不能有三维MRI成像。磁共振实验设备不能满足我们当前对学生培养的目的。

2 优化的实验内容

建设MRI成像技术实验室，需要一台医用MRI成像设备。现在实验室购进GY-3DNMR-10三维核磁共振成像教学仪，并接受了医院捐赠的磁共振设备，并配以磁共振软件设计。在实验教学中，笔者把实验主要分为MRI原理、MRI结构组成和MRI图像处理。真正做到实践和理论相结合。

2.1 MRI实验原理

在磁共振教学中，我们实验室利用GY-3DNMR-10三维核磁共振成像教学仪器，达到前所未有的教学效果。

已经开发出的实验：磁共振信号、磁共振一维成像、二维成像、三维成像、测量横向弛豫时间和测量纵向弛豫时间。上述实验可以满足MRI原理实验教学的需要。在实际实验过程中，可以根据学生的专业不同选择不同的实验内容[6-8]。

2.1.1 实验仪器系统构成

GY-3DNMR-10三维核磁共振成像教学仪器由恒温磁体、主机、电源、计算机、及处理显示软件组成。恒温磁体由恒温器、磁体、梯度线圈、射频探头线圈组成。主机由DDS（数字直接合成器）、射频功率放大器、正交检波接收机和控制主机（包括A/D转换、D/A梯度控制器、脉冲控制器）、以及通讯接口组成。电源由梯度放大器、直流电源组成。如图1所示。

图1 GY-3DNMR-10系统框图

2.2 部分已开发出的实验内容

2.2.1MRI信号

1）用计算机软件或示波器观察自由衰减信号（FID信号）

用第一脉冲进行观察。我们用电脑）进行观测。观察波形变化，目的使FID信号衰减最慢。运行软件第一步就是共振频率设置。按下“参数设置”页面，选择你所连接的串行口然后按下“自动采集”出现采集的信号图及傅立叶变换的频谱图，同时出现闪动的“采集”字样如图2。

图2 频率设置界面

2）调节匀场

在磁场中放入装有纯水溶液的样品管，分别调节电源上匀场调节电位器，同时调节软件中的XY匀场至傅立叶频谱中峰最尖锐最高信号最长。在自动采集过程中调试共振频率，达到理想状态的FID信号。如图3所示，说明信号的频率是采样率的倍数（混叠现象）调节共振频率。

2.2.2一维成像、二维成像和三维成像

1）一维成像

磁共振成像是利用磁共振的共振频率严格正比与磁场这基本规律，采用梯度磁场达到不同空间位置对应不同共振频率，从而完成核磁共振成像。

将注油三孔样品放入探头中，观察自由衰减信号及其频谱，逐渐加大梯度场观察信号及频谱的变化。调偏Z匀场调节使峰变宽变低，同时出现Z轴线上投影的一维成像信号。调节Z梯度和工作频率，使得信号频谱占半个屏幕同时在中间如图4。

图4 Z梯度空间频率编码一维成像

2）二维成像

所以按下“成像记录及操作”和“记录”，记录结束后，按下“二维傅立叶变换”，调节“行选择”可以看到每一列可以得到二维图像。

图5 三孔芝麻油二维图像

3）三维成像

放入三维结构的物体如含水中气泡的有机玻璃试管，然后根据说明书操作进行三维采集，采集结束后按三维富里叶变换后就可以进行不同方向切面观察物体，同时与实物进行对比。

2.3 MRI图像处理

利用MRI图像处理软件，可以对现有二维MRI图像进行三维重建，并可以对相应感兴趣区有选择性的分割。结合常用分割方法讲解对应的算法和软件模型。比如对MRI肝脏的分割过程。分割部分界面如图6所示。

图7 运行过程界面

完成了MRI完整肝脏组织的提取。下图为分割所得的肝脏图像。如图8所示。

图8 最后分割所得MRI完整的肝脏图片

图像分割的准确性直接影响后续计算机辅助诊断的有效性，因此，图像分割在图像处理方面具有重要意义。

2.4 MRI仪器组成和作用

目前利用医院捐赠的永磁和超导MRI机，带领学生认识MRI机的组成以及每个组成部分的原理和作用，并根据需要，可以选择拆卸设备，让学生比较容易的掌握MRI的系统结构和组成。并有专业老师配以原理的讲解，分为永磁、常导和超导三种类型MRI重点分析其区别和结构组成，为深入学习MRI的原理奠定基础，并为培养临床工程师打下坚实的基础。

3 讨论

实验根据培养我国MRI专业且合格的物理师、技师和工程师的要求做出了调整。由于在医院，技术人员只能按照公司设定或医生指定的序列完成扫描，无法针对特定的问题做出应变，更不要说设计序列和参数了，所以说，目前为止，国内具备核磁共振专业水平的高等院校很少，具有条件集中和专门训练MRI物理师、MRI技师和MRI临床工程师的高校更是缺乏，所以国内高校只有改变这种人才培养的局面，才能使我国能够跟上核磁共振技术的发展步伐。

在两年的实验教学中，和以往相比，提高了教学效率，学生的理论课堂和实验课堂兴趣都有较大提高。在实验课堂中，学生根据实验部分，自行动手连接各实验仪器，并可以亲自拆卸医院捐赠的设备，提高了他们的动手能力。部分选做内容的设计，满足了不同实验能力的学生对学习的需求。

参考文献：

[1] 张学龙，汪红志，杨培强，等.核磁共振成像技术教学实验研究[J].实验室研究与探索，2008，27 （12）：27-30.

[2] 聂生东，俞文文，等.NMR20台式磁共振成像仪及其在教学中的应用[J].中国医疗设备，2008（23）：22-23.

[3] 黄磊，翟健，陈基明，等.核磁共振成像教学模式改革探索与实践[J].包头医学院学报，2011，27（6）：106-107.

[4] 张洁天，让庆澜.核磁共振成像一维空间编码教学实验[J].物理实验，2006，26（10）：3-8.

[5] 张家新.浅析如何加强核磁共振理论教学和实验教学的联系[J].中国现代教育装备，2010，1（89）：120-130.

[6] 郑超，陈润锋，周广荣.原理性和研究性核磁共振实验教学探索与实践[J].实验技术与管理，2011，10（28）：130-133.

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

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