一、专业与年级要求

本实验属于东南大学生物科学与医学工程学院医学电子学方向专业课程《医学成像原理》，该课程面向生物医学工程专业，本科三年级以上、硕博士研究生。

二、基本知识和要求

进行本项目的实验学习的学生应具备基本的大学物理、波动理论、数字图像处理等知识，具体如下：

(1) 大学物理：掌握磁场对磁矩的作用以及简单的量子力学，能够从经典力学和量子力学的角度分析质子在磁场中的运动

(2) 波动理论：掌握基本的电磁场理论，能够从电磁波的角度分析磁共振信号的产生与检测

(3) 数字图像处理：掌握数字图像处理的相关算法，能够对检测得到的磁共振图像进行一定程度上的优化

1. 磁共振影像技术发展迅速，前景价值可观，是医学影像发展一大热点方向。

近年来，各种人体成像设备成为技术含量和附加值最高的一类医学影像设备，特别是磁共振影像技术已成为支持发展脑科学与神经教育学、医学影像、智能医学工程、纳米医学、大数据生物信息等重要学科领域的新技术和新途径；磁共振成像当前显示脑功能的物质和思想运动过程最重要的可视化工具，比其他方法更加直观而可靠地观测到大脑工作时的情况，是探索脑科学的最重要工具之一；如何掌握磁共振成像核心技术和前沿应用，将坚定的理想信念、高尚的道德情操和突出的创新思维等要素植入教学项目，让学生通过此虚拟仿真系统，能够系统地掌握专业基础知识，不断学习适应发展，能够在生物医学工程及相关领域从事科学研究、技术开发和管理等工作，为国家重大医疗设备国产化做出贡献，也为国家双一流生物医学工程学科中的脑与学习科学，生物医学大数据，智能医学工程等重点发展方向，培养出具有家国情怀和国际视野的担当引领未来和造福人类的人才。

2. 医学成像课程为核心主干课程，是理论型和实践性都很强的综合型课程

《医学成像系统》是生物医学工程的核心主干课程， 磁共振成像部分是本课程的重点，通过本课程的教学使学生了解和掌握主要医学成像设备的基本工作原理、成像的基本机制，实现的基本技术以及实际应用，为今后设计、改进、使用、创新和发展医学成像设备打下基础。本课程实施系列改革，尝试全英文教学和实验，探索更加适应双一流高校国际化教学和科研建设的教学模式，通过“以学生为发展中心” 和 “沉浸式”“项目式”的教学设计理念，完全克服了真实实验难以实现、成本高昂、时空限制等方面原因，真正实现了通过提供具有良好沉浸感、临场感、交互感、轻松感、满足感的虚拟仿真实验场景，创造真实的学习体验，激发学生参与实验的兴趣，有效促进学生多学科、多专业、多课程知识点的融会贯通和能力的塑造。

3. 由于磁共振设备昂贵、医疗资源宝贵等一系列因素，相关实验教学必须依托虚拟仿真技术展开。

由于本课程是理论型和实践性都很强的综合型课程， 但是，实践教学存在以下不利因素：

（1） 相关的大型医学成像设备如磁共振设备价格昂贵，单机造价上千万元，机器的日常维护也需要100万以上的成本，实验成本高，大多数高校也没有此设备，故很难实现一人一机，开展教学实验；

（2） 受制于医学伦理及临床诊疗规范，学生无法在真实人体上进行反复操练，不利于理论和实践的结合以及批判型和创新思维的建立；

（3） 仿真系统实验的建设，避免了本课程纸上谈兵的不足，使学生不仅可以在虚拟的环境中“身临其境”地学习成像知识，还可以亲手操作虚拟磁共振扫描，将理论和实践紧密结合，从而加深对相关知识点的理解，此外，还可以进一步将在虚拟扫描中积累的关于序列应用的经验，运用到未来的高级序列设计和应用中。

因此，针对磁共振成像原理和序列应用开发的虚拟仿真实验，对于建立磁共振成像原理的感性认知、在虚拟应用中反复实践，加深理解相关的重点方法和技术、完善综合从理论到应用的思维具有非常重要的意义。

磁共振成像技术是医学、计算机、物理和工程高度交叉融合的科技前沿，已成为技术含量和附加值最高的一类医学影像设备，是当前医学影像的研究热点，对具备实践能力的跨专业人才需求非常迫切。本教学团队坚持以学生为中心的教学理念，根据以往教学经验，从学生出发，根据学生学习磁共振成像原理时的难点与兴趣点，设计了磁共振成像原理和序列应用虚拟仿真实验。

一、 坚持“能实不虚、虚实结合”的原则。磁共振成像的教学非常讲求理论与实践结合，单纯的理论讲授和书本文字描述难以让学生理解复杂的磁共振原理，同时磁共振成像的实验教学却面临着仪器成本高、医院医疗资源紧缺以及医学伦理道德的严重困难，无法自由地实现学生自主操作实验，成为了磁共振教学的一大痛点。针对以上问题，我们迫切地需要一套磁共振的虚拟仿真教学软件，对于建立磁共振成像原理的感性认知、在虚拟应用中反复实践，加深理解相关的重点方法和技术、完善综合从理论到应用的思维具有非常重要的意义。

二、 仿真实验设计兼具高阶性、创新性。将书本上扁平的文字描述的磁共振原理，用生动的3D动画立体地呈现出来，大幅降低学生理解知识的难度。本项目共设计有四个实验板块，环环相扣层层深入，设计交互式动画演示磁共振物理规律和磁共振信号的形成，还设有虚拟扫描环节，学生按照自己的想法设置扫描参数，操作具有很高的自由度和挑战度。在知识角链接中收录了相关学习资料，实时更新当下医学成像发展新动态，引导学生关注时事，激发学生的学习兴趣。

三、 仿真实验具有挑战度。仿真实验均模拟客观物理规律而成，且考核点设计不是简单的知识点的记忆，而是立足于学生对知识点的运用能力，要求学生对知识理解后能灵活地运用才能获得较好的成绩，引导学生通过容错探究式的实验过程得到个性化的实验结果，培养学生解决复杂问题的综合能力和探究式的思维方式

四、 立德树人融入整个教学过程。目前医院顶级大型医学成像仪器如磁共振、CT等主要还依赖于进口，让学生了解我国目前影像行业的科研和产业现状，激发学生为我国影像科学发展而努力奋斗的热情。

根据生物科学和医学工程专业对医学成像原理的授课要求，本实验的目的如下：

(1) 掌握磁共振成像技术的发展史和前沿应用；

(2) 深刻理解核自旋、旋磁比、拉莫尔频率和进动等物理概念，掌握核磁共振现象的原理，理解核磁共振的基本机制，了解其宏观现象的描述；

(3) 掌握单个磁矩的合成、宏观磁化向量（磁矢）、旋转坐标系、RF脉冲、磁矢的弛豫（T1、T2、T2^*）、回波的形成、TE、TR、部分饱和效应的机制和概念；

(4) 了解核磁共振序列的基本定义和典型成像脉冲序列的选择和应用，掌握空间编码的概念和方法，K空间的定义和图像重建的典型方法和过程；

(5) 通过虚拟扫描的实验，掌握成像过程和图像质量的评估，了解磁共振技术在生物医学和脑科学等领域的应用。

本课程通过对磁共振的工作原理、成像的基本机制和扫描序列设计进行仿真，培养学生掌握磁共振成像的基础要点，具备设计和改进或使用维护的基本能力，为学习后续专业课程以及进行于影像相关的医学智能系统的研发打下必要的基础。

本实验共分四个小实验环节，系统根据学生的操作直接进行评分，满分为100分。每个实验环节评分标准如下。

一、 “磁共振物理基础”环节，共6分。

1.开启B0场，得1分2.拖动滚动条调整B0场大小，得1分

3.切换同位素进行观察，得1分  4.根据计算得的波长，回答未知元素类型，回答正确得3分，错误得0分

二、 “磁共振信号基础”环节，共23分

1. 点击旋转坐标系，得1分

2. 点击90°脉冲，得2分

3. 点击180°脉冲，得2分

4. 点击两次90°脉冲按钮得分，验证部分饱和效应，得2分

5. 点击90°脉冲后点击180°按钮，形成回波，得2分

6. 点击两次180°脉冲按钮，多次回波，得2分

7. 点击暂停按钮得分，记录读数，得2分

8. 根据读数计算T1值，回答正确得3分，错误得0分

9. 根据读数计算T2值，回答正确得3分，错误得0分

10. 回答开放性思考题，得3分

三、 “磁共振成像设备和成像原理认知”环节，共17分

1. 漫游扫描间，得1分

2. 学习9个配件相关知识，共9分，遗漏一个扣1分

3. 发送RF脉冲，得1分

4. 滑动改变高、低通滤波器的截止频率，思考K空间高频分量和低频分量对应图像的成分，得2分

5. 回答K空间高频分量和低频分量分别对应图像的部分，两空均为2分，回答正确得2分，答错不得分

四、 “磁共振虚拟扫描和成像质量控制和评估”环节，共54分

(1) 学习模式，共14分

1. 扫描前对患者进行安全确认，问卷得分，共3题，答对一题得1分

2. 根据患者扫描部位选择正确的体线圈，选择正确得2分

3. 进行定位像扫描，得2分

4. 进行T1W扫描，得2分

5. 进行T2W扫描，得2分

6. 对扫描结果进行扫描时长、对比度、信噪比三方面进行评估，结果为优得3分，结果为良得2分，结果为中得1分，结果为差不得分

(2) 实验模式，共40分

1) 正常案例

1. 多次尝试不同序列进行扫描，5种序列均使用得5分，漏一项扣一分

2. 调整主磁场大小，得1分

3. 调整重复时间TR2次以上，得2分

4. 调整回波时间TE2次以上，得2分

5. 调整反转时间TI2次以上，得2分

6. 调整接收带宽，得1分

7. 对扫描结果进行扫描时长、对比度、信噪比三方面进行评估，结果为优得3分，结果为良得2分，结果为中得1分，结果为差不得分

2) 肿瘤案例

1. 多次尝试不同序列进行扫描，使用2种以上序列，得3分

2. 调整主磁场大小，得1分

3. 调整重复时间TR2次以上，得2分

4. 调整回波时间TE2次以上，得2分

5. 调整反转时间TI2次以上，得2分

6. 调整接收带宽，得1分

7. 对扫描结果进行扫描时长、对比度、信噪比三方面进行评估，结果为优得3分，结果为良得2分，结果为中得1分，结果为差不得分

3) 体模案例   

1. 选择合适的序列调整重复时间、回波时间、反转时间等参数实现脂肪信号抑制扫描，根据脂肪抑制效果评估得分，结果为优得3分，结果为良得2分，结果为中得1分，结果为差不得分

2. 选择合适的序列调整重复时间、回波时间、反转时间等参数实现水信号抑制扫描，根据水抑制效果评估得分，结果为优得3分，结果为良得2分，结果为中得1分，结果为差不得分

3. 测量填写影像中的位移距离，得1分

4. 根据参数选择填写设定的带宽，得1分

5. 根据参数选择填写频率编码分辨率，得1分

6. 根据参数选择填写频率编码分辨率，得1分

计算出的化学位移，结果正确得1分