磁共振成像原理虚拟仿真实验的设计与实现.pdf

产业与科技论坛2023年第22卷 第6期Industrial&Science Tribune2023（22）6磁共振成像原理虚拟仿真实验的设计与实现李修寒 段 磊 王 超 吴小玲 王 伟【内容摘要】为了形象直观表达磁共振成像原理本教学团队经过多年的教学积累创造性采用了“从宏观到微观再从微观到宏观”的设计思想利用数理模型和时空尺度转换借助宏观场景串接微观要素进行表达将可互动的宏观操作与微观状态改变直接关联起来形成了磁共振成像原理“全过程可视化”本仿真实验既生动形象又不失科学性学生自主发挥空间大成就感强 对生物学工程等专业实验教学及医院相关科室人员技能培训都发挥了积极作用【关键词】虚拟仿真实验磁共振成像原理生物医学工程【基金项目】本文为南京医科大学 年度校级教育研究课题重点项目“生物医学工程专业虚拟仿真实验项目建设与实践探索”(编号:)研究成果【作者简介】李修寒()男江苏徐州人南京医科大学生物医学工程与信息学院助理实验师硕士研究方向:医学图像处理段磊王超吴小玲南京医科大学生物医学工程与信息学院【通讯作者】王伟()男江苏南通人南京医科大学生物医学工程与信息学院高级实验师博士研究方向:医学图像处理 一、引言磁共振成像()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”问题习近平总书记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”本实验就是要把培养生物医学工程专业人才与国家需求相对接“磁共振成像原理”是生物医学工程、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 而磁共振成像原理一直是学生的学习难点学习 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传统教学方法很难直观地进行形象表达、难以实现实际教学目标 同时由于 需要极高的磁场强度真实的 环境具有一定的危险性同时 设备昂贵这些因素都不利于传统 实验的开展传统 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 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 因此该虚拟仿真实验课程的开设对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二、虚拟仿真实验平台的结构设计理念本实验创造性地采用了“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将微观的抽象概念用图像化的方式动态表达进而实现了 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 实验整体构成如图 所示图 磁共振成像原理虚拟仿真实验教学过程与方法场景仿真设计:本实验高度模拟真实物理世界的元素如核磁共振检查室、受检者、操作技师按照医院真实场景设计磁共振设备、相关线圈配件根据实物建模并可自由搭配组合成像音效采用了医院磁共振设备的真实录音数模仿真设计:本实验在设计过程中对微观现象、抽象概念采用了科学的数理模型可连续直观地呈现其客观变化规律因此实现了结果的高度仿真如在“弛豫过程”部分可通过数学模型展示外部磁场对弛豫过程的影响在“脉冲序列”部分可调节不同的 和 时间实现不同的图像加权效果在“梯度磁场”部分通过调节不同方向的梯度磁场实现灵活选层及相位频率编码等临床仿真设计:综合实验部分我们采用了临床真实案例通过观察脑出血在不同出血期的磁共振图像特点理解成像参2023年第22卷 第6期产业与科技论坛2023（22）6Industrial&Science Tribune数不同对结果的影响以及内在微观物理原因本实验系统利用三维模型加纹理自动映射技术制作高保真三维数字化模型 本实验系统在交互设计上以科技、可视化风格为主页面采用卡片式布局通过间距、组件的统一页面更加规整易于扩展方便迭代开发 另一方面模块化的布局使整个页面功能清晰有效降低了用户的学习成本 核磁共振响应模型进行了深入细致的原理解析使得学生能够深入直观地理解核磁共振成像的基本原理以及临床病人躯体变化与核磁共振影像之间的相互关系 这对学生在本领域的创新发展有着重要意义三、实验的模块化构成本实验通过模块化设计分层递进式学习掌握完整的磁共振成像原理知识 具体来讲本实验主要分为三大模块:磁共振基础概念、磁共振成像原理综合设计实验、磁共振成像在医学上的应用(一)磁共振基础概念 进入磁共振基础概念模块后学生通过选择参数和状态观察静磁场中磁性核的表现、磁共振现象、弛豫过程、梯度磁场的作用并记录到实验报告中系统自动进行评价(学生登录系统会随机获得不同的任务)在这个模块利用虚拟仿真技术实现时空尺度转换借助宏观场景表示原子核、磁矩、磁化强度矢量、进动、弛豫、序列、编码、空间等微观的、抽象的物理概念 实现微观放大可见时间伸缩可观抽象概念可视大大提高了学生的感知认识(二)磁共振成像原理综合设计实验 磁共振成像原理设计性实验模块中基于磁共振原理、数理模型及实时运算高仿真技术将建立的“磁共振序列”“磁共振加权”及“梯度磁场”等精准数学模型嵌入相应环节仿真模块将快速实时计算出不同参数的仿真输出 学生可按成像流程调节梯度磁场、序列参数、各种加权等参数最后获得图像 如通过调节 轴梯度后可实现选层位置变化和层厚变化调节 轴 轴梯度实现相位编码和频率编码完成平面定位功能通过选择不同脉冲序列和序列参数(、)可产生不同的加权信号磁共振成像效果发生相应变化 完成虚拟仿真实验后填写实验报告学生登录该模块后系统会随机给出任务系统结合学生操作将学生得到的图像与标准图像进行对比给出评价并实时分析学生的学习成效 系统通过“时空尺度转换”实现宏观操控引起微观状态变化的可视化实现了“抽(象)形(象)同现”“宏(观)微(观)同框”的虚拟仿真通过系列交互操作学生可直观感受到多参数对磁共振图像的影响进一步理解磁共振成像原理 实验细节如图 所示图 磁共振成像实验主界面(三)磁共振成像在医学上的应用 磁共振成像临床应用模块设计了真实磁共振检查室并融入了脑出血的临床案例学生以角色扮演方式进入模拟情景沉浸式地学习 当学生登录后系统随机给出虚拟仿真患者学生合理选择参数和流程完成相应 检查案例数据采用了临床真实随机磁共振图像学生结合医学知识进行读片后标记病灶深刻理解病灶部位与正常组织图像差异原因系统自动进行评价 部分实验细节如图、图 所示图 虚拟患者躺在床上准备检查图 不同加权参数得到的图像在 原理设计性实验模块学生进入场景后在各个节点上有不同的实验任务 如在脉冲序列部分在选择不同脉冲序列和序列参数(、)后出现不同的信号加权图像效果发生变化在进行 轴梯度调节后会实现选层位置变化在进行 轴 轴梯度调节后通过实现相位编码和频率编码来进行平面定位 由一系列虚拟仿真实验操作让学生感受各种因素对 的影响 脑出血临床案例让学生面对虚拟患者在模拟 检查室完成 检查基本操作过程随机获得图片库中的真实图片要求学生从图片中查找病灶解释病灶部位与正常组织图像差异原因该实验设计基于互动学习与仿真操作来提高学生对磁共振成像原理重点及难点的掌握度及抽象概念的认知度重点解决磁共振成像原理学习中验证成本高、间接测量多、抽象推理难的问题四、设计特色与创新该实验设计基于互动学习与仿真操作来提高学生对磁共振成像原理重点及难点的掌握度及抽象概念的认知度重点解决磁共振成像原理学习中验证成本高、间接测量多、抽象推理难的问题 具体有以下几个设计特点(一)多维沉浸式设计 通过设备结构、原理展现、临床应用等多个维度学习磁共振原理 观察设备内部结构、了解设备工作原理和模拟问诊流程增加代入感观察断层、体素、原子核、磁场等变化总结、分析相关规律通过对脑出血实际临床案例分析深刻理解微观物理现象对宏观成像及临床诊断的意义(二)微观可视化设计 创造性地采用了“从宏观到微观再从微观到宏观”的设计思想借助宏观场景来提高学生对磁共振成像原理中磁矩、进动、弛豫等微观概念的理解力串接微观的表达来加深理解并最终将这些微观影响映射为宏观现象产业与科技论坛2023年第22卷 第6期Industrial&Science Tribune2023（22）6金桂花养颜手工药皂的研制覃 意 卢红梅 傅敏贤 李伶斯 雷修胤 黄耀源【内容摘要】天然环保是大健康时代的主题 金桂花手工药皂加入金桂花的提取精华和天然佳品蜂蜜纯手工制作香气持久具有抗菌消炎、延缓衰老及滋养皮肤的功效【关键词】金桂花美容养颜手工药皂香皂研制【基金项目】本文为广西农业职业技术大学校级 年度学生创新课题(编号:桂农职院研 号)研究成果【作者单位】覃意卢红梅傅敏贤李伶斯雷修胤黄耀源广西农业职业技术大学【通讯作者】卢红梅(.)女广西南宁人广西农业职业技术大学讲师硕士研究方向:中药民族药开发 香皂是日常生活中比较普遍的一种洗涤用品 刘畅等的调查研究表明目前市售的香皂主要以动物脂肪和碱液为主要原料在高温下均匀混合再添加各种稳定剂、起泡剂、合成香料等加工而成是一种化学合成的清洁剂 而中药香皂添加了有效中药成分既具有普通香皂的清洁力又具有中药成分的保健功效 中药手工皂又叫中药“冷制皂”天然健康、温和环保及滋养护肤 金桂花香气怡人、持久其提取物含有丰富的多酚、黄酮及多糖等成分具有较好的抗自由基、抗氧化及延缓衰老的作用 蜂蜜是天然食品所含成分超过 种其中含量最多的是葡萄糖及果糖等碳水化合物其次是蛋白质、氨基酸、黄酮、维生素、矿物质元素及酶等营养非常丰富 蜂蜜中具有显著抗氧化活性的物质有酚类、黄酮、维生素、类胡萝卜素、抗氧化酶等 对皮肤而言蜂蜜抗菌消炎、保湿、滋润能增强肤质弹性让肌肤细致和滑嫩 本研究拟用金桂花的提取物和蜂蜜制作一种具有美容养颜及延缓衰老功效的手工药皂制作工艺探讨如下一、实验材料与仪器(一)材料 金桂花采摘自广西境内蜂蜜是天然品橄榄油(.广东产)椰子油(.菲律宾产)棕榈油(.广东产)氢氧化钠(上海琳帝化工有限公司)(二)仪器 搅拌器烧杯玻璃棒量筒药匙温度计长柄勺电磁炉不锈钢锅手工皂硅胶模具竹制切皂台硅胶铲摇摆式高速粉碎机(型号:温岭市林大机械有限公司)电子天平(型号:上海佑科仪器仪表有限公司)试纸(.中国江苏泰州市奥克滤纸厂)二、制作方法及步骤(一)制作原理 为皂化反应碱催化下的油脂水解反应将油脂与氢氧化钾或氢氧化钠混合后即可得到甘油和高级脂肪酸钠盐或钾盐手工皂的主要成分为高级脂肪酸钠盐(二)金桂花药材的准备 以金桂花浸泡油、金桂花煎煮浓汤及其超微细粉作为药料 用浸泡油方式萃取金桂花中的精油和脂溶性成分方法:称取金桂花 用 橄榄油浸泡 个月所得金桂花橄榄浸泡油作为主油 用水煎煮法提取金桂花的水性成分方法:称取 金桂花放入不锈钢锅内加入 水煎煮 过滤并浓缩成浓汤放冷 金桂花用摇摆式高速粉碎机打碎成细粉备用 (三)数理模型化设计 依据核磁共振的物理原理基于数理模型实时运算高仿真技术建立了“原子核弛豫”“磁共振序列”“磁共振加权”及“梯度磁场”等各种精准数学模型并嵌入相应的模块 仿真模块将快速实时计算出不同参数对应的模拟输出结果使实验的过程更加科学、真实五、结语本虚拟仿真系统满足了生物医学工程相关专业学生的认知学习、专业实验、专业实训、专业实习等要求形成了以“仿真实验”拓展“真实实验”的“绿色实践教学”为学生创造了接近真实的学习环境学生无时空限制地研究探索磁共振成像技术不断提高学生的科学思维能力和实际应用能力 学生自主发挥空间更大成就感更强达到了预期教学效果 系统不仅能够服务于生物医学工程、影像技术、医学影像等相关专业的学生还将向医院影像技术等科室开放 后续将继续扩充磁共振成像内容并建设 、超、等成像仿真实验 把培养生物医学工程相关专业人才与国家需求对接为“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”而努力【参考文献】王化鹏秘超群徐树兴.医用磁共振成像系统的工作原理及校准方法探究.计量与测试技术():钟晓燕卜祥磊田辉勇.压缩感知在磁共振成像中的应用研究.医疗装备:刘亚丰余龙江.虚拟仿真实验教学中心建设理念及发展模式探索.实验技术与管理:张增明王中平张宪锋等.国家级物理虚拟仿真实验教学中心的建设实践.实验技术与管理():陈芬刘思妤.虚拟仿真实验教学系统在药理学实验教学中的应用.湘南学院学报(医学版):陈国辉刘有才刘士军等.虚拟仿真实验教学中心实验教学体系建设.实验室研究与探索:田婧罗通罗华锋等.新建本科院校虚拟仿真实验室的建设及教学.实验科学与技术():