小動物磁共振成像影像學實驗課程教學設計思路淺談

王戰京 趙媛媛 武文琦 雷建鋒 首都醫科大學中心實驗室 （北京 100069）

內容提要： 小動物磁共振成像（MRI）技術是利用磁共振儀器進行生物組織成像的一種技術。能夠實現活體成像，具有無創、無輻射、快速等優點。由于MRI設備昂貴目前還不是臨床醫院應用的主流，但小動物MRI技術作為一種重要的手段應用于基礎醫學和藥物開發研究。文章通過分析小動物MRI影像學實驗課程教學現狀，結合當前計算機信息技術發展以及實驗教學改革要求進行討論與分析，探索小動物MRI影像學實驗課程改革思路，并對小動物MRI影像學實驗課程內容體系優化和考核方式改革提出一些建議。

分子影像學作為一門融合了細胞生物學、核醫學、放射醫學、超聲醫學、藥理學、物理學和材料科學等學科的交叉學科，在過去30年得到了迅速的發展。分子影像學的儀器也呈指數級別增長，不斷改進的儀器和迭代重建的算法產生大量高分辨的圖像，這些圖像為分析和揭示微小的病變并實現人體運作過程的精確量化成為可能。分子影像包括計算機體層成像、光學成像、放射性核素成像、超聲成像和磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）[1]。首都醫科大學于2010年組建小動物影像學研究平臺。購置了小動物MRI影像設備、小動物熒光成像系統、小動物正電子發射體層成像/單光子發射計算機體層成像/計算機體層成像系統，標志著本校小動物影像方面的研究從零到一的突破。經過十幾年地從事小動物MRI影像學工作。發現目前本校小動物MRI影像設備使用率呈現逐年上升的趨勢，但相對應的小動物影像學實驗課教學工作進展緩慢。如何在非常有限的時間內讓學生了解小動物MRI影像學，使小動物MRI影像學在學生今后主持或參與的醫學實驗中起到積極的作用是現在教學所面臨的一個重要課題。

1.小動物MRI影像學教學的現狀分析

在最近十幾年國際上由政府主導的大型針對大腦的研究項目相繼展開。我國也于2021年正式啟動“腦科學與類腦科學研究”（Brain Science Andbrain-Like Intelligence Technology）即“中國腦計劃”[2]。MRI技術是腦科學研究左膀右臂。而小動物MRI影像學對動物腦的研究也日益走進各大研究院校視野。目前醫學院校設有醫學影像學專業，但是學生學習的重點是如何通過影像檢查作出醫學診斷，而小動物影像學主要目的是通過影像檢查對大量實驗動物進行分析統計得出結論用于支持科研課題研究。當前本校主要做的科研課題為實驗動物模型研究，例如：小鼠腦功能成像、小鼠體內藥物代謝與療效評價等。來本校中心實驗室做小動物MRI實驗的學生多數不是影像學專業背景。這類學生既不了解影像學也不了解小動物MRI影像學知識，導致這項技術成為他們科研工作中的絆腳石，如何挪開這個絆腳石就需要在實驗教學方面設計一些教學方案。

小動物MRI影像學實驗課程主要以小動物MRI掃描為主，也就是利用小動物進行掃描，獲得圖像來幫助指導老師或者學生對小動物進行基礎醫學方面研究。由于中國小動物MRI技術發展時間較短，所以現有的教材和國外教材不同，例如：美國使用的是化學橡膠公司出版社（CRC-Press）出版的《MRI:Physics, Image Reconstruction, and Analysis》[3]。中國使用的是南京東南大學出版社出版的《核磁圖像處理與理論》[4]這兩本書雖然都是影像學書籍，但是對于實驗過程中如何使用小動物MRI儀器并沒有明確的說明。小動物MRI影像學實驗課程主要面向的是基礎醫學科研課題研究工作者，使用設備的科研工作者有限并且每個基礎醫學實驗課題各不相同從而對于小動物MRI掃描個性化需要較為普遍所有國家沒有統一的教材適用于小動物影像學教學。

2.小動物MRI影像學實驗課程教授內容與教學方法

參考不同學生的理論基礎，不同課題組對MRI實驗的不同要求。制定了MRI理論課程，上機實踐操作，多媒體教學三個模塊。

2.1 MRI理論課程

理論課程的主要目的是讓學生對MRI有一個大概的了解所以教授課程內容不宜過深。課上主要教授學生磁共振的發展史，MRI的原理，磁共振設備系統的構成，磁共振序列的分類。由于課時數較少。所有內容不能詳細講述，要做到詳略得當，其中磁共振序列分類的講解是這個部分內容的重點，其他內容學生了解即可。

2.1.1 磁共振的發展史

1946年斯坦福大學的F.Bloch和哈佛大學的E.Purcell領導的2個小組分別發現了磁共振現象，到1974年得到大鼠MRI圖像。1982年商品化磁共振投入使用，再到現在磁共振檢查成為大型醫院常規檢查。短短的50年歷史中MRI相關的16名科學家獲得了13次諾貝爾獎這說明MRI是近現代人類重大科研突破[5]。學生應該了解和知道大概的歷史進程，為能夠接觸到這門科學感到由衷自豪。

2.1.2 MRI的原理

磁共振是一個非常復雜的物理現象[6]。中心實驗室面向的授課對象是在校或者醫院的廣大醫學工作者相對物理知識不足，課時時間也非常有限。如何讓學生理解這個現象要從最簡單的原子組成開始講起，進而原子核的自旋，人們如果通過在物質外部增加外部的磁場使物質產生磁化。拉模方程的解釋和在MRI領域的應用。通過磁共振的電動力學解釋讓學員明白MRI信號的產生和接收，決定磁共振信號強度的因素有哪些從而推導出為什么現在普遍的MRI設備都是使用H原子為檢測對象的。通過簡短的講解讓學員大致明白磁共振信號的產生，但是所產生的信號是雜亂無章，下個環節就需要講解MRI的原理。這個方面需要學生明白空間編碼的概念，MRI的層面選擇得如何進行，在同一層面上通過梯度添加頻率編碼和相位編碼進而通過傅立葉成像就可以生產一幅MRI影像了。原理課的最后需要講幾個重要的MRI的基本概念。比如：兩個弛豫時間，回波信號，射頻脈沖序列等[7,8]。

2.1.3 磁共振系統構成

小動物MRI設備系統（見圖1）由主磁體，梯度線圈，射頻線圈，射頻調節器，梯度放大器，脈沖序列計算機，圖像重建計算機，操作系統等設備構成[9]。

圖1.小動物MRI系統框圖

2.1.4 磁共振序列的分類

磁共振序列是指把射頻脈沖，梯度場和信號采集時間等相關參數的設置及其在時序的排列。序列可以按照檢測信號，用途與掃描快慢進行分類。這里按照用途進行分類，這是因為學生更關心的是這些序列可以干什么和怎樣使用這些序列。這就像手機里的App，人們關心App能夠幫助他們處理哪些事情和如何用好這個App，而App是用哪些代碼寫成的并不被關注是一個道理。在小動物磁共振序列主要分為定位成像、結構成像（T1，T2）、MRA、DTI、BOLD、ASL、MRS，這七類共振序列[10]。需要講解生理相關基礎概念，序列的應用范圍，實驗設計的相關注意事項這些。以BOLD序列為例，即血氧水平依賴法（Blood Oxygenation LevelDependent，BOLD），簡單來說人體血液中的脫氧血紅蛋白是順磁性物質，含氧血紅蛋白是逆磁性物質。當腦組織興奮時，局部血管擴張，流入大量含氧的豐富血液，其攜帶的含氧血紅蛋白大量增加，MRI信號強度就會相應升高。BOLD系列主要用于檢測腦功能與腦結構的內在聯系主要應用于腦功能研究，人類老年病的基礎研究，藥物干預的腦部疾病應用，腦部刺激方面的應用，還有中醫針灸學的應用等。在實驗設計方面要充分考慮MRI掃描無創性和重復掃描的特性。可以在干預前，干預中，干預后多次對同一個實驗對象掃描。實驗對象不宜少于六個以便于日后統計分析。由于目前關于小動物的腦圖譜還比較少，BOLD實驗只適用于成年大鼠與小鼠研究。其實關于序列的知識還有很多，每一個序列也有各自的特點。這部分內容也是整堂課的要點，需要花費大量時間進行備課，講課時也要細致耐心做到一一解答。

2.2 上機實踐操作

本校有一臺布魯克公司的7.0T小動物MRI設備為學生提供可親自動手操作的機會。可以讓同學們結合所選課題的特點自主實踐，學習基本的實驗流程進而創新實驗設計，充分提高儀器的使用效率。

2.2.1 儀器構造

在理論課上講解儀器構造，實踐課上學生們可以近距離接觸和觀察實體。實驗室的布局，儀器的操作系統，磁體的組成，機柜內部的構造，各類線圈的如何使用和功能，麻醉機，監護儀，水域加熱器這些儀器學生可以在老師的帶領下自主操作，提高學生的動手能力為以后自主操作打下堅實的基礎。

2.2.2 實驗流程

實驗流程是指從實驗動物選擇開始直到圖像采集完成。大致分為八個步驟（見圖2）。

圖2.小動物MRI實驗步驟

實驗動物選擇需要根據不同的實驗要求選擇大鼠、小鼠，鳥類等，必要時還可以對一些離體組織進行采集。對應不同的掃描對象和采集的部位不同使用線圈也有所不同，例如大鼠頭部采集需要使用到大鼠頭部表面線圈進行采集。如果需要采集頭部血管成像為了保持圖像均勻一致會采用大鼠體線圈采集等，要根據當時實驗情況，通過經驗選取合適的線圈才能起到事半功倍的效果。實驗動物麻醉也分為吸入式麻醉和腹腔注射麻醉。現在一般實驗室采用異氟烷加氧氣的麻醉方式，但是遇到一些特殊情況時腹腔注射麻醉也是一種解決方法。以上是實驗前的準備工作。下一步需要學生在操作時把實驗對象放入儀器中，放置中必須做到磁體中心、線圈中心與掃描部位中心的三個中心對齊，這步尤其關鍵。只有做好這一步才能掃描出來一張高質量的圖片。

小動物MRI操作與醫院MRI操作基本上是一致的。但小動物是針對各個不同課題組的需求需要對各個序列掃描參數進行單獨調試。在中心實驗室日常經常用到的序列分為定位成像、結構成像、血管造影、DTI成像、BOLD成像、ASL成像、波譜成像。所有參數設置完成后就可以進行圖像采集了。

2.2.3 實驗操作規范與安全問題

醫學實驗安全問題是醫學實驗課的首要問題，在教學中要反復強調，例如實驗前的準備工作，涉及毒品的使用，進入MRI室檢查身上是否攜帶金屬制品等。實驗操作規范要為學生講清楚。各種應急預案也應提前告知。做到有備無患。教師自己也為學生樹立良好榜樣。

2.3 多媒體教學

多媒體教學目的是讓學生使用第三方軟件自主分析數據。教師需要準備不同序列的MRI圖像和下載不同軟件。在上課前一天學生需要拷貝MRI圖像和安裝分析軟件。MRI圖像為特有的DICOM格式所以需要進行轉換。目前處理MRI數據軟件分別有用于把DICOM格式轉換為NIFTI格式的dcm2niigui。看圖軟件MRIcro、MRIcron、血管三維重構軟件RadiAntDICOM。三維重構軟件ITK-SNAP。由中國科學院高能物理研究所聶彬彬團隊開發的專門用于處理小動物VBM數據和BOLD數據的spmAnimalIHEPV。處理MRS數據的Bruker TOPSIPIN。處理DTI數據的diffusion toolkit等。學生對這些軟件很陌生但學生必須很熟練地掌握這些軟件才能對MRI數據進行分析。這是小動物MRI技術教學的難點，所以對于這塊內容首先要求教師要不斷提高自己的業務水平，其次在教學中要有耐心一步一步講解[11,12]。

3.討論

小動物MRI影像學在國內屬于新興學科發展空間很大。本研究課程設計還比較簡單，許多細節有待在今后的工作中不斷總結完善。旨在讓學生更好地使用小動物MRI設備為基礎醫學科研創新增磚添瓦，為進一步提高實驗室實驗效率，有序開發MRI設備盡一份力。