通过本虚拟仿真实验教学示范、人机交互与知识点学习，学生应当获得的知识与能力如下：
1.了解虚拟仿真实验的内涵和特征；知道核磁共振成像技术的发展史和前沿应用；掌握核磁共振成像的基本原理与应用。
2.深刻理解梯度磁场、拉莫尔进动、空间编码、二维傅里叶变换等概念；了解核磁共振成像实验中脉冲序列的基本定义和典型成像脉冲序列的选择与应用；掌握空间编码的概念和方法、掌握K空间的定义和图像重建的典型方法和过程。
3.掌握用不同脉冲序列激发样品，测量氢核的共振频率；用反转恢复法和饱和恢复法测量T1；用硬脉冲CPMG序列测量T2；理解各项参数对成像效果的影响。
4.思政目标：培养学生严肃认真的科学态度、求实创新的科学精神；提高他们判断推理、综合分析和创新思维能力；培养学生团队意识与沟通能力，提升科学素养；坚定学生回馈社会、创新不息、科技报国的理想信念。
核磁共振成像虚拟仿真实验
张国华湖南工业大学上线时间：2024年
- 所属专业类：物理学类
- 对应专业：应用物理学
- 课程类型：专业核心课
- 实验类型：研究探索型
所属课程：近代物理实验
本实验以核磁共振成像基本原理为基础，模拟真实的核磁共振成像教学仪的工作过程，形成了由成像仪、射频单元、梯度放大器、工控机、显示器等虚拟仪器构成的仿真实验系统。学生通过改变参数设置和选择不同的脉冲工作模式，在平台上进行设计性和创新性实验，身临其境地体验核磁共振成像的全过程，从而设计出最优化的成像方案，全面掌握核磁共振及核磁共振成像的相关知识点。
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4.6
每日0点更新，完成实验后请前往“个人中心-我的项目-实验评价”中进行实验评价。
- 412人评价
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实验内容
4.7操作系统
4.6支持服务
4.6
共享应用每日0点更新
- 浏览量 28277
- 实验人次 10277
实验人次，是指用户参与并完成实验的总人次，同一个用户可以做多次实验，在实验完成后，实验人次会依次累加。"
- 实验人数 1788
“实验人数”是指参与实验的用户总人数。注意：
1.同一个用户多次实验，实验人数只统计为1人，不累加；
2.“实验人数”只统计已回传成绩的用户人数总和；
3.“已回传成绩”指学生完成实验后，实验接口成功返回学生实验数据；
4.验证“已回传成绩”的方式：参与实验人员可以在个人中心-我的项目-我的成绩中查看是否可以进行“实验评价”，实验负责老师可以在申报管理-成绩查看中查看是否有学生成绩；
5.共享应用中的所有统计数据均在每日0点～1点更新。
- 实验平均用时 51'
- 实验完成率 83%
“实验完成率”是指完成实验的次数占参与实验总次数的百分比。
- 实验通过率 按人次 14.0%按人数 49.6%
实验通过率”是指实验完成，实验成绩60分及以上的人次和人数占实验总人次和总人数的百分比。
按人次按人数
- 优秀 2.96%
成绩≥85
- 达标 11.07%
60≤成绩<85
- 不达标 85.97%
成绩<60
实验系统浏览器要求
教学支持热线
团队成员
实验教学目标实验原理实验教学过程与实验方法实验步骤实验结果与结论
（1）实验原理：
核磁共振成像是利用核磁共振原理，用梯度磁场进行空间编码，将编码后的信号进行傅里叶变换和图像重建，形成核磁共振图像的方法和技术。
核磁共振：处于恒定磁场中的自旋原子核，受特定频率电磁波激发后，发生共振跃迁。给样品施加90°脉冲时，宏观磁化矢量M离开原来平衡态，停止90°脉冲后，原子核产生弛豫，自发地从激发态恢复到平衡态。弛豫过程中横向磁化矢量MXY围绕主磁场B0以拉莫尔（Larmor）频率旋进，MXY的变化使接收线圈产生感应电流，感应电流信号即为核磁共振信号。
空间编码：在均匀强磁场中，样品内质子群旋进频率由场强决定，在主磁场中附加一线性梯度磁场，质子群的旋进频率因磁感强度不同而不同，可对被检体某一部位实现核磁共振成像。通过设置三个方向的梯度磁场，分别进行层面选择、频率编码和相位编码，将共振频率与物体位置关联。三个梯度磁场为：
①选层梯度场Gz
以横轴位（Z）断层为例，于均匀主磁场B0再附加线性梯度场Gz，磁感强度为Bz，则总磁感强度为B0+Bz，即沿Z轴方向自左到右磁感强度不同。据Larmor定律，被检物质子群在纵轴平面上（垂直于Z轴）被分割成一个个横向断面，断面内质子群旋进频率相同，如以这个频率的90°脉冲进行激励，就可在物体纵轴上选出横轴层面。选层的厚度取决于选层梯度的强度和激励射频的带宽。
②频率编码梯度场Gx
沿选定层面内的X方向叠加线性梯度场Gx，可使沿X方向质子所处磁场线性变化，从而共振频率线性变化，采集到的信号经傅里叶变换即可得到信号频率与X方向位置的线性一一对应关系，达到按部位在X轴上进行频率编码的目的。
③相位编码梯度场Gy
沿选定层面内的Y方向施加一线性梯度场Gy，则沿Y方向的质子在进动相位上呈现线性关系，将采集信号经傅里叶变换后，可以得到Y向位置与相位的一一对应关系。
K空间：是一个时间域的矩阵，是数字化后的MRI原始数据的存储空间。MRI在信号采集过程中获取包含空间编码信息的原始数据，这些数据用K空间来描述。对每个读出梯度过程，线圈接收到的信号进行采样后填充一个傅里叶行。在下一个采集周期中，读出下一条信号，采样填充到下一个傅里叶行。K空间数据与质子密度互为傅里叶变换对。
图像重建：NMR信号分别携带有层面、频率、相位信息，对这些数据进行傅里叶变换即可得到图像。
脉冲序列：一系列不同宽度、不同相位、不同形状、不同时间间隔射频脉冲的组合。
知识点：
（2）核心要素仿真设计：共 6 个
- 1. 核磁共振的原理及其产生条件
- 2. 核磁共振成像的原理及空间编码
- 3. 90度和180度脉冲及自由感应衰减信号,相位重聚
- 4. 弛豫过程及弛豫时间，脉冲序列与参数设置；
- 5. K空间与傅里叶变换成像方法
- 6. 核磁共振成像实验设备的构成及功能
①仿真硬脉冲FID序列测定氢核的拉莫尔频率及90°硬脉冲幅值。设置不同参数，仿真硬脉冲回波信号变化。 ②仿真软脉冲回波信号 设置射频偏置频率值，使其稍偏离中心频率，设置不同参数，观察回波信号波形。 ③仿真反转恢复法测量T1 仿真系统处于核磁共振状态下施加180°和90°脉冲，记录FID信号峰值，等待足够长时间后，重复步骤，记录此FID信号峰值，经n次实验后，根据FID信号峰值定出T1值。 ④仿真饱和恢复法测量T1 仿真共振条件下，在不同时间间隔内，先后施加两个90°射频脉冲，记录FID信号幅值；改变两个脉冲间隔时间，采集数据，记录相应频谱峰值，拟合求出T1。 ⑤仿真硬脉冲CPMG序列测量T2 在自旋回波脉冲序列基础上多次施加180°脉冲，得到回波信号，在90°脉冲后，经时间τ散相，加180°脉冲，在t=2τ时得到第一个回波信号，在t=3τ时，施加180°脉冲，在t=4τ时，得到第二个回波信号，重复。设置参数，观察FID信号，采集回波信号的峰值和时间，得到T2。 ⑥仿真自旋回波序列成像 仿真共振条件下，利用自旋回波成像序列和空间编码的方式达到成像目的。仿真不同参数样品进行成像实验。
（1）学生交互性操作步骤：
（2）交互性步骤详细说明：
共14 步
| 序号 | 步骤名称 （100字以内） | 步骤目标要求 （100字以内） | 步骤合理用时 （分钟） | 目标达成度赋分模型 （200字以内） | 步骤满分 | 成绩类型 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 开机顺序 | 完成工控机、射频单元、梯度单元开机 | 5 | 合理用时内完成仪器开机得5分，合理用时外完成仪器开机得3分，未完成不得分 | 5 | |
| 2 | 放置样品 | 完成样品放置。 | 5 | 合理用时内将样品放置到磁体单元中得5分，合理用时外将样品放置到磁体单元中得3分，未完成不得分 | 5 | |
| 3 | 硬脉冲序列测量拉莫尔频率 | 通过硬脉冲FID序列完成拉莫尔频率大小测量 | 10 | 合理用时内通过硬脉冲FID序列完成拉莫尔频率大小测量得10分，合理用时外通过硬脉冲FID序列完成拉莫尔频率大小测量得5分，未完成不得分 | 10 | |
| 4 | 硬脉冲回波实验中射频脉宽的测量 | 硬脉冲回波实验中，完成90°/180°射频脉宽测量 | 10 | 合理用时内完成射频脉宽测量得5分，合理用时外完成射频脉宽测量得3分，未完成不得分 | 5 | |
| 5 | 硬脉冲回波信号的观察 | 硬脉冲回波实验中，完成不同D1参数下回波信号测量 | 10 | 合理用时内完成不同D1参数下回波信号测量得5分，合理用时外完成不同D1参数下回波信号测量得3分，未完成不得分 | 5 | |
| 6 | 软脉冲FID信号采集 | 软脉冲FID实验中，在射频脉冲中心频率与拉莫尔进动频率相同时完成FID信号采集 | 15 | 合理用时内完成软脉冲FID信号采集得5分，合理用时外完成软脉冲FID信号采集得3分，未完成不得分 | 5 | |
| 7 | 软脉冲回波信号的观察 | 软脉冲回波实验中，完成不同D1参数下回波信号测量 | 15 | 合理用时内完成不同D1参数下回波信号测量得5分，合理用时外完成不同D1参数下回波信号测量得3分，未完成不得分 | 5 | |
| 8 | 反转恢复法测T1 | 反转恢复法测T1实验中，完成不同D1参数下回波信号测量 | 20 | 合理用时内完成不同D1参数下回波信号测量得10分，合理用时外完成不同D1参数下回波信号测量得5分，未完成不得分 | 10 | |
| 9 | 饱和恢复法测T1 | 饱和恢复法测T1实验中，完成不同D1参数下回波信号测量 | 15 | 合理用时内完成不同D1参数下回波信号测量得10分，合理用时外完成不同D1参数下回波信号测量得5分，未完成不得分 | 10 | |
| 10 | CPMG实验中射频脉宽测量 | 硬脉冲CPMG实验中，完成90°/180°射频脉宽测量 | 10 | 合理用时内完成射频脉宽测量得5分，合理用时外完成完成射频脉宽测量得3分，未完成不得分 | 5 | |
| 11 | 硬脉冲CPMG序列测量T２ | 硬脉冲CPMG实验中，完成10个回波时间及幅值测量 | 20 | 合理用时内回波时间及幅值测量得10分，合理用时外回波时间及幅值测量得5分，未完成不得分 | 10 | |
| 12 | 自旋回波成像实验中射频脉宽测量 | 自旋回波成像实验中，完成90°/180°射频脉宽测量 | 20 | 合理用时内完成射频脉宽测量得5分，合理用时外完成完成射频脉宽测量得3分，未完成不得分 | 5 | |
| 13 | 自旋回波序列成像 | 自旋回波成像实验中，完成样品成像 | 20 | 合理用时内样品成像得10分，合理用时外样品成像得5分，未完成不得分 | 10 | |
| 14 | 关机和取出样品 | 完成各仪器关机并取出待测样品 | 5 | 合理用时内完成仪器关机并取出待测样品得10分，合理用时外完成仪器关机并取出待测样品得5分，未完成不得分 | 10 |
1．登录平台，开始实验，下载实验环境，双击成像仪，仿真放入样品；双击工控机，打开其电源开关，然后依次打开射频单元和梯度放大器电源。
2．硬脉冲FID序列测量拉莫尔频率
①启动计算机，进入到软件操作界面。实验前须保证磁体恒温系统开启超过5小时，使得磁体柜内温度尽量恒定；
②将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内；
③开启射频单元及梯度放大器的电源；
④点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择硬脉冲FID序列；
⑤调节射频中心频率与拉莫尔频率相同。
3．硬脉冲回波(H_SE1D)
①启动计算机，运行WINMRIXP软件进入到软件操作界面；
②将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内；
③开启射频单元及梯度放大器的电源；
④点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择硬脉冲FID序列；
⑤调节射频中心频率与拉莫尔频率相同，使系统处于核磁共振状态；
⑥调节RFAmp1值使信号幅值达到最大值；
⑦点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择硬脉冲回波序列。
4. 软脉冲FID(S_SP1D)
①启动计算机，运行WINMRIXP软件进入到软件操作界面；
②将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内；
③开启射频单元及梯度放大器的电源；
④点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择软脉冲FID序列；
⑤调节射频中心频率与拉莫尔频率相同，使系统处于核磁共振状态；
⑥调节RFAmp1值使信号幅值达到最大值。
5. 软脉冲回波(S_SE1D)
①启动计算机，运行WINMRIXP软件进入到软件操作界面；
②将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内；
③开启射频单元及梯度放大器的电源；
④点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择软脉冲FID序列；
⑤调节射频中心频率与拉莫尔频率相同，使系统处于核磁共振状态；
⑥调节RFAmp1值使信号幅值达到最大值；
⑦点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择软脉冲回波序列。
6. 反转恢复测T1(H_T1IR1D)
①启动计算机，运行WINMRIXP软件进入到软件操作界面；
②将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内；
③开启射频单元及梯度放大器的电源；
④点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择硬脉冲FID序列；
⑤调节射频中心频率与拉莫尔频率相同，使系统处于核磁共振状态；
⑥利用FID序列，分别找准90°和180°射频脉冲的脉冲宽度并记录；
⑦点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择反转恢复序列测T1；
⑧改变翻转时间D1，记录对应的频谱峰值；
⑨根据记录的数据，拟合T1。
7. 饱和恢复法测T1(H_T1SR1D)
①启动计算机，运行WINMRIXP软件进入到软件操作界面；
②将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内；
③开启射频单元及梯度放大器的电源；
④点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择硬脉冲FID序列；
⑤调节射频中心频率与拉莫尔频率相同，使系统处于核磁共振状态；
⑥利用FID序列，分别找准90°和180°射频脉冲的脉冲宽度并记录；
⑦点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择饱和恢复序列测T1；
⑧改变翻转时间D1，记录对应的频谱峰值；
⑨根据记录的数据，拟合T1。
8. 硬脉冲CPMG(H_CPMG1D)
①启动计算机，运行WINMRIXP软件进入到软件操作界面；
②将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内；
③开启射频单元及梯度放大器的电源；
④点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择硬脉冲FIS序列；
⑤调节射频中心频率与拉莫尔频率相同，使系统处于核磁共振状态；
⑥调节P1值使信号幅值达到最大值；
⑦点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择硬脉冲CPMG序列；
⑧调节参数，拟合T2。
9. 软脉冲回波(S_SE1D)
①启动计算机，运行WINMRIXP软件进入到软件操作界面；
②将装有10mm高大豆油的样品管小心放置入磁体柜上方样品孔内；
③开启射频单元及梯度放大器的电源；
④点击工具栏New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择软脉冲FID序列；
⑤调节射频中心频率与拉莫尔频率相同，使系统处于核磁共振状态；
⑥调节RFAmp1值使信号幅值达到最大值；
⑦点击工具栏上New按钮，进入脉冲序列选择对话框，选择自旋回波成像。
本实验项目以核磁共振成像的基本原理为基础进行开发，模拟真实核磁共振成像仪的工作过程，形成了由核磁共振成像仪、射频单元、梯度放大器、工控机、显示器等虚拟仪器构成的仿真实验系统。学生通过完成各个模块的实验内容，身临其境地体验核磁共振成像的全过程，通过改变参数设置和选择不同的脉冲工作模式，在该平台上可进行设计性和创新性实验，研究不同参数和不同脉冲工作模式对成像效果的影响，从而设计出最优化的成像方案，全面掌握核磁共振及核磁共振成像的相关知识点。
图1 实验主场景图
在实验场景中，鼠标双击“成像仪”，弹出成像仪大视图，放入10mm大豆油样品，然后鼠标分别双击“工控机”、“射频单元”、“梯度放大器”，打开虚拟仪器的电源开关，鼠标双击“显示器”，弹出软件界面大视图，启动实验软件。
（1） 是否记录每步实验结果：R是 £否
（2） 实验结果与结论要求：R实验报告 £心得体会 其他
（3） 其他描述：
① 能够掌握核磁共振的基本原理和核磁共振成像的基本方法，了解核磁共振产生的条件及核磁共振成像的影响因素，综合运用专业知识解决实际问题。改变参数设置可获得不同的回波信号。
② 能够采用不同的脉冲序列实现T1、T2的测量，对核磁共振成像质量及影响因素有深入的了解，对实验过程中出现的异常情况，能够利用现有的实验工具进行分析，提出可行性解决方案。不同的参数设置，测得的T1、T2值不同；不同的加权获得的图像不同。
③ 能够用图表、文字和数学描述等多种表达形式准确描述核磁共振成像实验的技术原理和操作。
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