自主实验设计在虚拟仿真磁共振实验教学中的探索与思考

蔡磊，王紫薇，陈国勇，姚小玲，潘志祥，唐鹤菡，袁元，李玉明，张金戈，汪红志，李真林

1. 四川大学华西医院 放射科，四川 成都 610041；2.华东师范大学上海市磁共振重点实验室，医学影像人工智能研究中心，上海 200062

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是一门涵盖核物理、电子技术、材料科学、计算机技术、数学、医学解剖的综合性学科，MRI原理的教学亦是本科教学中的重点与难点[1]。医学影像技术本科注重培养理论基础扎实、实践操作熟练、具有临床创新思维的医学人才，磁共振原理实验教学课程对促进学生进一步掌握原理知识，训练学生操作能力、提高学生临床思维能力具有重要作用[2]。MRI虚拟软件可将临床磁共振界面操作转变为原理参数的开放式操作，并可以借助网络拓展教学的时间与空间，实现了低成本、批量化、规范化及可视化的实验教学。随着教学改革的深入，一线教学工作者需要不断思考和改进教学方法，提高学生的学习兴趣，增强学生的学习效果，满足高校对人才培养目标的要求[3]，如何运用好虚拟仿真软件这一教学工具、如何最大限度挖掘学生潜能也成为实验课教师思考的首要问题。

1 虚拟仿真磁共振实验软件的开发与应用

设备资源不足是医学影像技术专业开展实验教学所面临的首要问题。磁共振临床设备价格昂贵、安装占地面积大，且承担临床检查、科研等任务繁重，无法开展规模化的实验教学。我校传统的实验教学采用小型化的MRI设备，其相比于临床设备而言具有价格稍低（平均单价15万元）、硬件微型化等优势，但小型化的MRI设备仍然有诸多不足之处，首先，价格仍然是批量化实验教学的限制因素，教学过程中仍然面临资源少、学生多的困境，学生实验过程多以观看为主，仅少部分学生可以动手实践，无法开展个体式教学；其次，成像质量受主磁场与射频场的不均匀性、梯度涡流和电子学噪声等影响，且成像时间长，学生操作时间进一步被压缩，实验效率低、教学效果差[4-6]。

医学影像成像原理与技术MRI虚拟仿真软件[7-9]（MISim 2.0，上海培云教育科技有限公司）的开发和应用弥补了传统实验教学设备资源不足等问题，允许大批量开展实验实训，可将临床磁共振界面操作转变为原理参数的开放式操作，实现了实验过程的可视化，该软件运用于实验教学中，可以采用加速模式，在保证实验模拟效果的同时缩短成像时间，从而提高实验效率。基于虚拟仿真软件的运用，结合本科理论教学课程体系，本校开展了原理及成像准备实验、成像及伪影分析实验、磁共振定量测量实验等内容的实验教学[9-15]（图1）。

图1 磁共振虚拟仿真软件教学模块

在成像准备实验中，可开展拉莫尔频率测定、射频脉冲角度确定、电子匀场、FID信号的频谱测量等内容，通过该阶段的学习使学生掌握和理解MRI的基础和必要条件；在成像及伪影分析实验中，可开展SE序列、FSE序列、GRE序列、IR序列及EPI序列等常用序列的成像教学，通过软件可实现多参数的自主调节，如视野、TR、TE、翻转角、回波链长度等，通过不同的参数设置观察图像权重的变化，同时也可通过设置主磁场均匀性、中心频率偏差、射频串扰、化学位移场强等不同硬件或参数误差得到不同程度伪影的图像，如卷褶伪影、截断伪影、中性线伪影、射频串扰伪影、运动伪影、化学位移伪影等[7]，虚拟仿真软件磁共振实验课程及试验参数如表1所示。

2 基于虚拟仿真软件的自主实验设计磁共振实验教学实践

2.1 基于虚拟仿真软件传统实验教学的不足

我国大学生有关实验设计的程序性和策略性知识缺乏，实验原理运用也存在不足[16]。根据本校近几年使用虚拟仿真软件进行磁共振实验教学的实践情况，软件的投入使用虽然大大提高了学生动手实践的时间，培养了学生实践操作的能力，但传统的磁共振实验教学多以“教师讲解演示-学生实践操作”的模式进行教学，该教学方法在实践中暴露出许多的不足，学生根据教师的讲解，按照实验教材统一化的实验设计和步骤进行实验，使得学生学习局限于“程序化”的操作步骤，学生学习的主观能动性不高，且一部分学有余力的学生理论基础扎实，通过实验收获的仅仅是再一次理论知识的重复而无其他，因此该实验教学模式不利于学生潜能的挖掘，不能满足不同层次学生知识的拓展，不利于学生创新思维能力的培养[3,17-18]，虚拟仿真软件也并未发挥其最大效能。因此，磁共振实验教学中突出学生主体地位，变被动实验为自主实验，激发学生兴趣，注重学生理论联系实际能力、分析问题解决问题能力、实践操作能力、创新及科研能力等综合素质的培养十分必要。

2.2 基于虚拟仿真软件自主实验设计的教学实践

基于虚拟软件的优势和传统实验教学过程中的不足，借鉴相关学科实验教学宝贵经验[19-25]，本校在教学实践中不断探索教学模式与方法，以磁共振测量实验章节为例，将教学内容分为基础实验环节和自主试验环节，旨在培养学生理论实践结合及实践操作能力的同时，通过“自主实验设计”环节实现学生知识面的拓展及科研素质、创新思维等综合素质的培养。教学实施过程分为课前、课中、课后三个阶段（图2），教师课前进行备课，对实验原理和内容进行梳理，布置预习问题及任务，学生课前需要大量查阅文献，完成教师布置的任务；实验过程教师进行基础实验环节的操作演示，引导学生完成基础实验部分，学生通过基础实验环节熟练掌握实验操作，再根据自主设计的实验课题进行探索与拓展；实验结束后教师针对教学过程中的问题进行再次归纳总结并对学生的问题进行反馈，学生则需要撰写实验报告，包括基础实验的原理总结以及自主设计实验环节的结论与原理推导、误差分析等。该课程的设计与实施在培养提高学生综合素质中具有以下优势：① 实践操作能力与理实结合能力的提升，基础性实验环节的教学目标是让学生掌握基础的实验操作，培养熟练的实践操作技能，并从操作中进一步巩固理论，提高理论联系实际的能力，避免了自主实验设计环节中盲目的操作，为完成进一步的自主实验夯实基础；② 主观能动性的提升，自主实验环节打破实验教材限制，突出学生在实验中的主体地位，变被动实验为自主实验，带动学生主观能动性；③ 文献检索能力的提升，合理的自主实验设计，首先设计者需要有充分的理论储备，学生通过查阅文献等方式进行理论学习的过程促进了文献检索等自学能力的提升；④ 分析问题解决问题能力的提升，学生对实验中的意外现象进行专业分析并提出进一步研究设想，有助于提高学生分析问题解决问题的能力；⑤ 科研及创新能力的提升，学生自主拟定研究方向和实验课题，对实验结果和规律的总结，有助于培养学生科研及创新能力。

表1 虚拟仿真磁共振实验课程及实验参数

2.3 自主实验设计教学实例分享

在CPMG序列测量T2弛豫时间实验章节中，采集时间由回波时间和回波个数的乘积决定，增加回波链长度（回波个数）可增加对衰减慢的长T2分量的分辨能力，但过长的回波链将导致采集的噪声增多，若采集时间远大于样品横向磁化矢量衰减时间，信噪比将大大降低；同理，若采集时间过短，则采样不足，不能完全检测出双样品弛豫差别，表现为弛豫谱分辨力不足，无法准确测量双样品中各个样品的T2值及含量。基于此，在基础性实验阶段之后，学生自主实验设计过程如下：① 实验课题拟定，学生可自主设计“回波链长度对测量结果精确性的影响”“回波时间对测量结果精确性的影响”等实验课题；② 实验方案设计，学生根据课题自主设计实验实施方案，如保持回波时间不变，探究不同回波链长度对双组份样品测量结果的影响，或保持回波链长度不变，探究不同TE对双组份样品测量结果的影响；③ 自主实验实施，学生根据自己的实验方案，动手实践操作，实验中实时观察信号的采集过程、拟合数据的提取及弛豫谱对样品的分辨情况；④ 结果及误差分析，学生完成实验后，结合理论对实验结果进行解释，并对实验中产生的误差等进行分析并总结，通过观察采集过程知，样品T2衰减在1000 ms出已基本结束，回波链过长导致1000 ms以后采集到的均为噪声，信噪比SNR降低影响测值精度，同理采样不足同样影响测值精度（图3），学生通过自主设计实验，根据采样时间由回波时间和回波链长度共同决定，总结出要提高测值精度，需设置合理的采样时间的规律，并提出合理的参数设定方案，如数据采集时间应设置在3～5倍的样品T2值。

图2 自主实验设计磁共振实验教学框架

3 教学效果评价

图3 信号采集过程

对2018届（传统实验教学组，48人）和2019届（自主实验设计组，46人）学生进行教学效果对比分析，经前期统计，两届学生的理论成绩均无统计学差异（t=0.501，P＞0.05）。通过对两届学生的随堂测试成绩、实验完成情况两个方面进行对比分析。其中，随堂测试设置4个简答题，每题5分，总分20分，两届学生题型一致，采用独立样本t检验对两届学生随堂测试成绩进行分析，结果表明，自主实验设计组随堂测试成绩为（15.56±2.01）分，明显高于传统实验教学组的（12.81±3.12）分，差异有统计学意义（t=5.048，P＜0.05），如表2；通过实验报告撰写情况对学生实验完成情况进行分析，观察指标包括：是否掌握实验原理、是否完成实验操作、是否观察信号采集过程、是否有结果及误差分析、是否对实验规律进行总结，结果表明，相较于传统教学组，自主实验设计教学组学生在磁共振信号采集的观察、结果及误差分析、实验规律的总结等方面的完成人数及比例明显提升，见表3。

表2 传统实验教学与自主实验设计教学随堂测试成绩对比

表3 实验完成情况统计表[n（%）]

4 讨论

虚拟仿真实训软件具有操作可重复、内容可扩展、自主开放等特点[26]，是磁共振实验教学的有效工具，要发挥软件的辅助作用，获得更好的实验教学效果，实现软件与教学的有机结合，未来仍需从以下两个方面着力：① 从软件开发角度来说，虚拟仿真软件应该更真实地模拟实际，更具有专业特色。可通过教师团队与软件开发团队的深度合作，共同对虚拟软件平台进行开发和更新，教学团队的教学实践经验与软件开发团队专业的开发能力有机结合，促进虚拟软件平台的建设和可持续发展；② 从教学方法角度来看，应结合虚拟软件可重复性、可视性等优势，丰富教学方法。“实验”是指在可控条件下进行的操作，以发现未知的科学规律或现象，或用于验证已知的知识规律，或测试并建立某种科学假说[27]，因此，开展自主设计实验教学应以培养学生自主课题设计能力、自主实施实验能力、自主总结实验能力为目的[25,28]，教师应在实验过程中鼓励学生批判性、发散性和创造性思维，保证自主课题设计和实验实施过程的个性化和多样化，针对学生自主总结实验能力的匮乏，教师应引导学生从现象看本质，即从实验中实时可视化的信号采集过程去分析结果的差异，逐一完成信号采集的观察，结果分析、规律总结等实验过程。

医疗设备和新技术日新月异的发展对临床医学影像技术人才提出了更高的从业要求，因此，本科教学过程中注重学生综合素质的培养尤为重要。新的设备与多元化的技术相结合可以带来新的诊疗方式，同理，新的教学工具与多样化的教学模式也可以带来满意的教学效果，将虚拟仿真软件的更新与临床影像新技术相互融合，打造理论、实践、虚拟软件相结合的“理—实—虚”一体化虚拟仿真教学平台，将是今后影像技术专业的有力教学工具，再辅以合适的教学方法，将更加有助于培养理论基础扎实、实践操作熟练、且具有临床思维的影像技术专业人才。