小动物磁共振成像影像学实验课程教学设计思路浅谈

王战京 赵媛媛 武文琦 雷建锋 首都医科大学中心实验室 （北京 100069）

内容提要： 小动物磁共振成像（MRI）技术是利用磁共振仪器进行生物组织成像的一种技术。能够实现活体成像，具有无创、无辐射、快速等优点。由于MRI设备昂贵目前还不是临床医院应用的主流，但小动物MRI技术作为一种重要的手段应用于基础医学和药物开发研究。文章通过分析小动物MRI影像学实验课程教学现状，结合当前计算机信息技术发展以及实验教学改革要求进行讨论与分析，探索小动物MRI影像学实验课程改革思路，并对小动物MRI影像学实验课程内容体系优化和考核方式改革提出一些建议。

分子影像学作为一门融合了细胞生物学、核医学、放射医学、超声医学、药理学、物理学和材料科学等学科的交叉学科，在过去30年得到了迅速的发展。分子影像学的仪器也呈指数级别增长，不断改进的仪器和迭代重建的算法产生大量高分辨的图像，这些图像为分析和揭示微小的病变并实现人体运作过程的精确量化成为可能。分子影像包括计算机体层成像、光学成像、放射性核素成像、超声成像和磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）[1]。首都医科大学于2010年组建小动物影像学研究平台。购置了小动物MRI影像设备、小动物荧光成像系统、小动物正电子发射体层成像/单光子发射计算机体层成像/计算机体层成像系统，标志着本校小动物影像方面的研究从零到一的突破。经过十几年地从事小动物MRI影像学工作。发现目前本校小动物MRI影像设备使用率呈现逐年上升的趋势，但相对应的小动物影像学实验课教学工作进展缓慢。如何在非常有限的时间内让学生了解小动物MRI影像学，使小动物MRI影像学在学生今后主持或参与的医学实验中起到积极的作用是现在教学所面临的一个重要课题。

1.小动物MRI影像学教学的现状分析

在最近十几年国际上由政府主导的大型针对大脑的研究项目相继展开。我国也于2021年正式启动“脑科学与类脑科学研究”（Brain Science Andbrain-Like Intelligence Technology）即“中国脑计划”[2]。MRI技术是脑科学研究左膀右臂。而小动物MRI影像学对动物脑的研究也日益走进各大研究院校视野。目前医学院校设有医学影像学专业，但是学生学习的重点是如何通过影像检查作出医学诊断，而小动物影像学主要目的是通过影像检查对大量实验动物进行分析统计得出结论用于支持科研课题研究。当前本校主要做的科研课题为实验动物模型研究，例如：小鼠脑功能成像、小鼠体内药物代谢与疗效评价等。来本校中心实验室做小动物MRI实验的学生多数不是影像学专业背景。这类学生既不了解影像学也不了解小动物MRI影像学知识，导致这项技术成为他们科研工作中的绊脚石，如何挪开这个绊脚石就需要在实验教学方面设计一些教学方案。

小动物MRI影像学实验课程主要以小动物MRI扫描为主，也就是利用小动物进行扫描，获得图像来帮助指导老师或者学生对小动物进行基础医学方面研究。由于中国小动物MRI技术发展时间较短，所以现有的教材和国外教材不同，例如：美国使用的是化学橡胶公司出版社（CRC-Press）出版的《MRI:Physics, Image Reconstruction, and Analysis》[3]。中国使用的是南京东南大学出版社出版的《核磁图像处理与理论》[4]这两本书虽然都是影像学书籍，但是对于实验过程中如何使用小动物MRI仪器并没有明确的说明。小动物MRI影像学实验课程主要面向的是基础医学科研课题研究工作者，使用设备的科研工作者有限并且每个基础医学实验课题各不相同从而对于小动物MRI扫描个性化需要较为普遍所有国家没有统一的教材适用于小动物影像学教学。

2.小动物MRI影像学实验课程教授内容与教学方法

参考不同学生的理论基础，不同课题组对MRI实验的不同要求。制定了MRI理论课程，上机实践操作，多媒体教学三个模块。

2.1 MRI理论课程

理论课程的主要目的是让学生对MRI有一个大概的了解所以教授课程内容不宜过深。课上主要教授学生磁共振的发展史，MRI的原理，磁共振设备系统的构成，磁共振序列的分类。由于课时数较少。所有内容不能详细讲述，要做到详略得当，其中磁共振序列分类的讲解是这个部分内容的重点，其他内容学生了解即可。

2.1.1 磁共振的发展史

1946年斯坦福大学的F.Bloch和哈佛大学的E.Purcell领导的2个小组分别发现了磁共振现象，到1974年得到大鼠MRI图像。1982年商品化磁共振投入使用，再到现在磁共振检查成为大型医院常规检查。短短的50年历史中MRI相关的16名科学家获得了13次诺贝尔奖这说明MRI是近现代人类重大科研突破[5]。学生应该了解和知道大概的历史进程，为能够接触到这门科学感到由衷自豪。

2.1.2 MRI的原理

磁共振是一个非常复杂的物理现象[6]。中心实验室面向的授课对象是在校或者医院的广大医学工作者相对物理知识不足，课时时间也非常有限。如何让学生理解这个现象要从最简单的原子组成开始讲起，进而原子核的自旋，人们如果通过在物质外部增加外部的磁场使物质产生磁化。拉模方程的解释和在MRI领域的应用。通过磁共振的电动力学解释让学员明白MRI信号的产生和接收，决定磁共振信号强度的因素有哪些从而推导出为什么现在普遍的MRI设备都是使用H原子为检测对象的。通过简短的讲解让学员大致明白磁共振信号的产生，但是所产生的信号是杂乱无章，下个环节就需要讲解MRI的原理。这个方面需要学生明白空间编码的概念，MRI的层面选择得如何进行，在同一层面上通过梯度添加频率编码和相位编码进而通过傅立叶成像就可以生产一幅MRI影像了。原理课的最后需要讲几个重要的MRI的基本概念。比如：两个弛豫时间，回波信号，射频脉冲序列等[7,8]。

2.1.3 磁共振系统构成

小动物MRI设备系统（见图1）由主磁体，梯度线圈，射频线圈，射频调节器，梯度放大器，脉冲序列计算机，图像重建计算机，操作系统等设备构成[9]。

图1.小动物MRI系统框图

2.1.4 磁共振序列的分类

磁共振序列是指把射频脉冲，梯度场和信号采集时间等相关参数的设置及其在时序的排列。序列可以按照检测信号，用途与扫描快慢进行分类。这里按照用途进行分类，这是因为学生更关心的是这些序列可以干什么和怎样使用这些序列。这就像手机里的App，人们关心App能够帮助他们处理哪些事情和如何用好这个App，而App是用哪些代码写成的并不被关注是一个道理。在小动物磁共振序列主要分为定位成像、结构成像（T1，T2）、MRA、DTI、BOLD、ASL、MRS，这七类共振序列[10]。需要讲解生理相关基础概念，序列的应用范围，实验设计的相关注意事项这些。以BOLD序列为例，即血氧水平依赖法（Blood Oxygenation LevelDependent，BOLD），简单来说人体血液中的脱氧血红蛋白是顺磁性物质，含氧血红蛋白是逆磁性物质。当脑组织兴奋时，局部血管扩张，流入大量含氧的丰富血液，其携带的含氧血红蛋白大量增加，MRI信号强度就会相应升高。BOLD系列主要用于检测脑功能与脑结构的内在联系主要应用于脑功能研究，人类老年病的基础研究，药物干预的脑部疾病应用，脑部刺激方面的应用，还有中医针灸学的应用等。在实验设计方面要充分考虑MRI扫描无创性和重复扫描的特性。可以在干预前，干预中，干预后多次对同一个实验对象扫描。实验对象不宜少于六个以便于日后统计分析。由于目前关于小动物的脑图谱还比较少，BOLD实验只适用于成年大鼠与小鼠研究。其实关于序列的知识还有很多，每一个序列也有各自的特点。这部分内容也是整堂课的要点，需要花费大量时间进行备课，讲课时也要细致耐心做到一一解答。

2.2 上机实践操作

本校有一台布鲁克公司的7.0T小动物MRI设备为学生提供可亲自动手操作的机会。可以让同学们结合所选课题的特点自主实践，学习基本的实验流程进而创新实验设计，充分提高仪器的使用效率。

2.2.1 仪器构造

在理论课上讲解仪器构造，实践课上学生们可以近距离接触和观察实体。实验室的布局，仪器的操作系统，磁体的组成，机柜内部的构造，各类线圈的如何使用和功能，麻醉机，监护仪，水域加热器这些仪器学生可以在老师的带领下自主操作，提高学生的动手能力为以后自主操作打下坚实的基础。

2.2.2 实验流程

实验流程是指从实验动物选择开始直到图像采集完成。大致分为八个步骤（见图2）。

图2.小动物MRI实验步骤

实验动物选择需要根据不同的实验要求选择大鼠、小鼠，鸟类等，必要时还可以对一些离体组织进行采集。对应不同的扫描对象和采集的部位不同使用线圈也有所不同，例如大鼠头部采集需要使用到大鼠头部表面线圈进行采集。如果需要采集头部血管成像为了保持图像均匀一致会采用大鼠体线圈采集等，要根据当时实验情况，通过经验选取合适的线圈才能起到事半功倍的效果。实验动物麻醉也分为吸入式麻醉和腹腔注射麻醉。现在一般实验室采用异氟烷加氧气的麻醉方式，但是遇到一些特殊情况时腹腔注射麻醉也是一种解决方法。以上是实验前的准备工作。下一步需要学生在操作时把实验对象放入仪器中，放置中必须做到磁体中心、线圈中心与扫描部位中心的三个中心对齐，这步尤其关键。只有做好这一步才能扫描出来一张高质量的图片。

小动物MRI操作与医院MRI操作基本上是一致的。但小动物是针对各个不同课题组的需求需要对各个序列扫描参数进行单独调试。在中心实验室日常经常用到的序列分为定位成像、结构成像、血管造影、DTI成像、BOLD成像、ASL成像、波谱成像。所有参数设置完成后就可以进行图像采集了。

2.2.3 实验操作规范与安全问题

医学实验安全问题是医学实验课的首要问题，在教学中要反复强调，例如实验前的准备工作，涉及毒品的使用，进入MRI室检查身上是否携带金属制品等。实验操作规范要为学生讲清楚。各种应急预案也应提前告知。做到有备无患。教师自己也为学生树立良好榜样。

2.3 多媒体教学

多媒体教学目的是让学生使用第三方软件自主分析数据。教师需要准备不同序列的MRI图像和下载不同软件。在上课前一天学生需要拷贝MRI图像和安装分析软件。MRI图像为特有的DICOM格式所以需要进行转换。目前处理MRI数据软件分别有用于把DICOM格式转换为NIFTI格式的dcm2niigui。看图软件MRIcro、MRIcron、血管三维重构软件RadiAntDICOM。三维重构软件ITK-SNAP。由中国科学院高能物理研究所聂彬彬团队开发的专门用于处理小动物VBM数据和BOLD数据的spmAnimalIHEPV。处理MRS数据的Bruker TOPSIPIN。处理DTI数据的diffusion toolkit等。学生对这些软件很陌生但学生必须很熟练地掌握这些软件才能对MRI数据进行分析。这是小动物MRI技术教学的难点，所以对于这块内容首先要求教师要不断提高自己的业务水平，其次在教学中要有耐心一步一步讲解[11,12]。

3.讨论

小动物MRI影像学在国内属于新兴学科发展空间很大。本研究课程设计还比较简单，许多细节有待在今后的工作中不断总结完善。旨在让学生更好地使用小动物MRI设备为基础医学科研创新增砖添瓦，为进一步提高实验室实验效率，有序开发MRI设备尽一份力。