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。

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。