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基于NMR谱仪的医学MRI软件系统

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第2 4 卷第 4 期 2 0 0 7年1 2月 








V o l . 2 4N o . 4 e c . 2 0 0 7  D

C h i n e s eJ o u r n a l o fM a n e t i cR e s o n a n c e g

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文章编号 : ( ) 1 0 0 0 ? 4 5 5 6 2 0 0 7 0 4 ? 0 4 5 4 ? 0 8

基于 犖犕犚 谱仪的医学 犕犚 犐软件系统
谢海滨 ? ,李建奇 ,杨   光 ,李鲠颖
( 上海市功能磁共振成像重点实验室 ,华东师范大学 物理系 ,上海 2 ) 0 0 0 6 2

摘   要 :开发了基于核磁共振 ( 谱 仪 的 医 学 MR NMR) I软 件 系 统 .本 文 主 要 介 绍 了 数 据 采 集 及处理系统 ,扫描方案的设计可以用于几乎所 有 的 磁 共 振 成 像 实 验 ,预 扫 描 定 制 方 案 解 决 了 不同实验应有不同的预扫描这一要求 ,谱仪的无关性保证了 本 系 统 可 以 很 方 便 地 附 加 在 任 何 谱仪上 .最后给出了软件系统跟 D i S e c t谱仪相联并在 0. 3 5T 系统上获取的实验结果 . p 关键词 :磁共振成像 ;数据采集系统 ;软件 中图分类号 : R 4 4 5. 2   文献标识码 :A

引言
随着技术的不断发展 ,医 学 临 床 诊 断 越 来 越 依 赖 于 医 学 影 像 设 备 提 供 的 图 像 等 信 息 .与常规 X ) 具有无损伤 、软 组织 对 比 度 ? C T 等影像 学方法 相比 ,核磁 共振成 像 ( MR I 高 、任意方向断层等特点 .另外 ,MR I不仅能够提 供 组 织 形 态 学 信 息 ,而 且 能 够 反 映 组
] 1 织的功能特性 [ ( 弥散 、灌注 、脑功能成像等 ) ,因此得到了迅速的发展 .

*年来 ,国内的磁共振成像 公 司 虽 然 有 长 足 进 步 ,但 是 在 技 术 、管 理 等 方 面 ,跟 外 国大公司相比仍有一定的差距 .随着中国经济的 快速发 展 ,国内市场 对磁 共振 设备 的 需 求也在快速增长 .为了研究医用磁共振成像 系 统 ,提 升 磁 共 振 成 像 的 产 业 化 水 * ,我 们
2] 跟厂家合作 ,开发了基于 NMR 谱仪的医学 磁 共 振 成 像 软 件 系 统 [ .本 文 主 要 介 绍 磁 共

振相关部分 ,扫描方案的设计可 以 用 于 几 乎 所 有 的 磁 共 振 成 像 方 法 ;预 扫 描 定 制 方 案 , 解决了不同方法应有不同的预扫描的要求 ,谱仪的无关性保证了本系 统可 以很 方便 地附
[] 加在任何谱仪上 .最后给出软件系统跟 D i S e c t谱仪 3 相联的方法和在 0. 3 5T 系统上的 p

收稿日期 : 2 0 0 7 ? 0 8 ? 2 8 基金项目 :上海市科委资助项目 ( ) ;上海市功能磁共振成像重点实验室 ( 华东师范大学 ) 开放课题 . 0 6 D Z 1 1 3 1 5 作 者简介 :谢海滨 ( ) , 男, 汉族 , 江苏淮阴人 , 博士 , 从事核磁共振成像技术 .电话 : : 1 9 6 7 ? 0 2 1 ? 6 2 2 3 3 2 9 0, E ? m a i l h b x i e @ h . e c n u . e d u . c n .   ? 通信联系人 . p y

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实验结果 .

1   系统概述
磁共振成像软件系统主要包括 :数据管理归档系统 ,参数运算系统 ,数据采集系统 , 数据处理系统 ,图像处理系统 ,打印系统等 .其 中 跟 磁 共 振 成 像 相 关 部 分 主 要 包 括 参 数 运算系统 、数据采集系统和数据处理处理 ,这 些 系 统 设 计 的 好 坏 ,直 接 影 响 到 系 统 性 能 的优劣 .主要设计难点在于 :能够满足物理 学 家 的 不 断 增 长 的 数 据 采 集 方 案 、预 扫 描 方 案以及数据重建方法需求 ;独立于核磁共振谱仪 ,能够适应 谱仪不断 的功 能变 化或 者 不 同的核磁共振谱仪 ;减少各个模块之间的耦合 . 磁共振相 关 部 分 主 要 包 括 主 控 单 元 ( ) 、参 数 管 理 及 图 形 定 位 ( S s t e m C o n t r o l P a ? y /L ) 、脉冲 序 列 ( ) 、采 集 管 理 ( ) 、预 扫 描 管 理 o c a l i z a t i o n P u l S e u e n c e S c a n M a n a e r r a m s q g ( ) 、扫描任务管理 ( ) 、谱仪管理 ( ) 、数据 P r e s c a n M a n a e r S c a n T a s k M a n a e r S e c M a n a e r g g p g 处 理( ) 等模块 ,系统组成如图 1 所示 .其中 , D a t a P r o c e s s e r S s t e m C o n t r o l模块负责系统 y 内模块的交互及系统外其他模块的交互 .

图 1  磁共振相关系统组成框图 F i . 1 B l o c kd i a r a mo fm a n e t i c r e s o n a n c ec o r r e l a t e ds s t e m g g g y

S s t e m C o n t r o l模块负责维护多个实验的数据采集 ,接受外部命令 ,启动数据采集 、 y 数据处理 、图像显示等任务流程 ; / P a r a m s L o c a l i z a t i o n 模块负责维护用户参数 ,并实现用户参数的图形接口 ; P u l S e u e n c e模块包括各种脉冲 序 列 ,并 根 据 相 应 的 脉 冲 序 列 参 数 约 束 关 系 ,把 用 q 户参数转换成对应的物理参数 ; S c a n M a n a e r模块负责接收物理参数 ,完成一组图像原始数据的采集 ,并通知 S s ? g y t e m C o n t r o l模块采集完成 ; P r e s c a n M a n a e r模块负责正式采集之前的预扫描方案管理 ; g S c a n T a s k M a n a e r模块负责完成一次纯粹的物理扫描 ,可能是正式扫描 ,也可能是 g 预扫描 ; S e c M a n a e r模块完成谱仪的各种功能 ; p g D a t a P r o c e s s e r模块负责完成各种原始数据的数据处理功能 .

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下面 ,分别介绍这些功能模块的主要设计方法 .

2   数据采集系统的主要模块
/ 2. 1 犘 犪 狉 犪 犿 狊 犔 狅 犮 犪 犾 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀 模块 该模块负责接收并维护用户参数 ,并实现定位参数 ( 主要指片数 、片厚 、片 间距 、视 野等 ) 的图形接口 .其中 ,图形定位涉及较 多 的 坐 标 变 换 、矩 阵 运 算 及 复 杂 的 控 制 流 程 , 接口流程如图 2 所示 .跟外部模块的交互通过 C L o c a l M a n a e r来完成 ,其 成员 函数 主要 g 有 :U ( ) , ( ) ,U ) 根据用户参数和参考图像显示定位图形信 d a t e O n N o t i f d a t e( f a l s e p y p ( ) 根据用户对定位 信 息 的 操 作 改 变 用 户 参 数 ,这 样 ,就 实 现 了 定 位 参 数 息 ,U d a t e t r u e p 的图形接口 .

图 2  图形定位模块接口流程 F i . 2 T h es e u e n c ed i a r a mo f l o c a l i z a t i o n g q g

2. 2 犛 犲 狌 犲 狀 犮 犲模块 狇 S e u e n c e模块维护各种脉冲序列 ,并根据相应的脉冲序列参数约束关系把用户 参数 q 转换成对应的物理参数 .主要的设计难点在于如 何尽可 能 的减少代码重用 ,以及 如何 提 供用户的二次开发功能 .不同的脉冲序列 ,虽 然 参 数 的 运 算 规 则 不 同 ,但 是 他 们 仍 然 具 有很多相似的地方 ,所以代码重用对本模块而言是一个非常重要的 问题 ,我们 用 C+ + 的 类机制来解决脉冲序列参数运算的代码重用问 题 .针 对低场磁 共振用 户群的特 点 ,本 系 统初步设计时暂不支持普通用户的二次开发功能 ,当然高级用户通过可以 开发 满足 系统 接口需要的脉冲序列模块来研究新的脉冲序列 . 2. 3 犛 犮 犪 狀 犕 犪 狀 犪 犲 狉模块 犵 S c a n M a n a e r和 P r e s c a n M a n a e r模块的设 计 难 点 ,在 于 能 够 满 足 物 理 学 家 的 不 断 g g 增长的数据采集方案以及预扫描方案需求 ,实 现 前 向 兼 容 .尽 管 扫 描 方 案 千 变 万 化 ,但 是按照图像原始数 据 的 来 源 分 类 ,不 外 乎 两 种 :一 种 是 一 次 扫 描 获 取 一 组 图 像 原 始 数

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据 ;另外一种是多次扫描数据组合形成一组图像原 始数 据 .为此我们 引入 S u b S c a n来反 映底层的一次物理扫描 .而 S c a n 对应于用户意义的扫描 ,其意义是获取一组图像原始数 据. 我们用 C S c a n M a n a e r来实现采集管理模块 ,主要的功能有 :接受用户命令的启动/ g 停止 ( / ) ;事 件 分 发 机 制 ( ;侦 听 设 置 ( ) ;接 收 预 扫 描 完 s t a r t s t o O n N o t i f S e t L i s t e n e r p y) 成、 、O S u b S c a n 完 成 、进 行 中 及 失 败 消 息 等 消 息 处 理 功 能 ( O n P r e s c a n F i n i s h e d n S u b ? 、 ) S c a n F i n i s h e d O n S c a n P r o r e s s和 O n S c a n F a i l .主要实现流程如图 3 所示 . g

图 3  数据采集流程图 F i . 3 T h es e u e n c ed i a r a md a t as a m l i n s t e m g q g p gs y

2. 4 犘 狉 犲 狊 犮 犪 狀 犕 犪 狀 犪 犲 狉模块 犵 P r e s c a n M a n a e r模块除具有前向兼容的问题 ,并且还有其 他的设 计难 点 ,如 :预 扫 g 描形式多种多样 ,预扫描的参数跟用户参数 、预 扫 描 的 结 果 相 关 ,并 且 往 往 要 完 成 一 定 次数的迭代实验 . 、 P r e s c a n M a n a e r模块 类 层 次 如 图 4 所 示 ,主 要 有 C P r e s c a n M a n a e r C P r e s c a n O 1、 g g 其他的 P 、C C P r e s c a n T G、 C P r e s c a n R G、C P r e s c a n X( r e s c a n) P r e s c a n I t e m 等 类.其 中 C P r e s c a n I t e m 是其他 P r e s c a n 项 目 的 基 类 ,C P r e s c a n I t e m 的所有派生类重载虚函数 ,用 于 完 成 对 采 集 数 据 的 分 析 ,判 断 是 否 完 成 该 预 扫 描 项 目 .而 C O n A n a l z e P r e s c a n ? y 负责预扫描的定制 、 流程控制等 用户 ( ) 定制 预扫 描项 目 , 启 动 . C S c a n M a n a e r M a n a e r g g ,后者把 S P r e s c a n M a n a e r c a n T a s k 的 侦 听 者 设 为 自 身 ,从 容 器 中 逐 个 运 行 P r e s c a n项 g 目 ,每次采样完成后由 C ,后者调用 C S c a n T a s k M a n a e r通知 C P r e s c a n M a n a e r P r e s c a n ? g g

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( 通过多态机制调用相应的预扫描的 O ,来判断是否完 I t e m的O n A n a l z e n A n a l z e函数 ) y y 成当前的预扫描功能 .

图 4  预扫描和谱仪管理模块类图 F i . 4 T h ec l a s sd i a r a mo fp r e s c a na n ds e c t r o m e t e rm a n a e rm o d u l e g g p g

2. 5 犛 犮 犪 狀 犜 犪 狊 犽 犕 犪 狀 犪 犲 狉模块 犵 S c a n T a s k M a n a e r模块是数据采集系统底层核心模块 ,负责执行一次纯粹 的物 理实 g 验 .物理实验有两个特点 ,第一 :始终只有一个实验在运行 ;第二 :用户不能等待实验的 完成 .为此我们采用了单件和多线程机制 . C S c a n T a s k M a n a e r是一次物理实验的管理者 ,部分成员代码如下所示 . g { c l a s sC S c a n T a s k M a n a e r g : r o t e c t e d p _ ; t a t i cC S c a n T a s k M a n a e rs S c a n T a s k M a n a e r   s g g S c a n T a s k; S c a n T a s k?m_   C p D L E m_ h E v e n t S c a n;   HAN D L E m_ h E v e n t S t o   HAN p; ; D L E m_ h T i m e r   HAN D L E m_ m u t e x S c a n T a s k;   HAN ( ) ; t a t i cu n s i n e d i n tT h r e a d F u n c t i o n L P VO I Dp V o i d   s g : u b l i c p ( ) { t a t i cC S c a n T a s k M a n a e r &G e t H a n d l e   s g _ ; r e t u r ns S c a n T a s k M a n a e r      g    } ( ) ; o o lS t a r t S c a n   b ( ) ; o o lS t o S c a n   b p

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} ; 其中 C S c a n T a s k 包装了一次物理实验的所有参数及相关的辅助参数 ,主要成员有 : { C S c a n T a s k : : ; t d s r i n s t r C o mm a n d F i l e   s   m_ g L i s t e n e r   C   i n t         } ; m_ L i s t e n e r p ; m_ n Q u e r I n t e r v a l y

、 C S c a n T a s k M a n a e r成员中 ,m_ h E v e n t S c a n m_ h T i m e r和 m_ m u t e x S c a n T a s k 分别 g 为实现采样 、定时 、互斥的 句 柄 变 量 ;T h r e a d F u n c t i o n 为 线 程 函 数 ,根 据 谱 仪 的 状 态 对 各种事件做出反应 ,必要时通知用户 ; S t a r t S c a n 等用户接口函数只是简单地设置采样事 件等 ,真正的采样由线程函数完成 ;该类采用了单件设计模式 ,在实现文件中实例化 s _ ,用户使用 C : : ( ) 就可以访问系统中的这 S c a n T a s k M a n a e r S c a n T a s k M a n a e r G e t H a n d l e g g 个唯一实例 .本模块 S t a r t流程如图 5 所示 :

图 5  扫描任务管理模块的 S t a r t流程 F i . 5 T h es t a r t s e u e n c eo f s c a nt a s km a n a e r g q g

2. 6  谱仪模块 核磁共振谱仪是医学 磁 共 振 成 像 系 统 的 重 要 部 件 ,但 是 各 厂 家 的 谱 仪 功 能 互 不 兼 容 ,为了便于本系统的升级换代 ,我们设计 了 虚 拟 谱 仪 .虚 拟 谱 仪 实 际 上 是 各 种 谱 仪 的 功能接口 ,并没有真正的实现 ,主要功能接口有 :复位 ,初始化 ,加载参数 ,运行脉冲程 序 ,暂停 ,继续 ,停止脉 冲程序 ,关闭 系统等 .而各种真实谱 仪 ,如 C 、 R I S e c C E c n u S ? p 、 C E m u l a t i o n S e c等都是它的派生类 ,它们具有谱仪功能的真正实现 .其 类图 见图 4 e c p p 所示 ,其中 C E m u l a t i o n S e c是仿真谱仪的实现 ,它具有仿真磁共振成像功能 ,一方面可 p 以仿真各种成像 方 法 及 参 数 的 影 响 ,另 一 方 面 便 于 没 有 真 实 谱 仪 时 的 系 统 联 调 .C S ? c a n T a s k M a n a e r调用谱仪 ,利用谱仪类的多态机制执行对应谱仪的功能函数 . g 2. 7  数据处理模块 磁共振成像的数据处理有这样一些特 点 :数 据 格 式 多 种 多 样 ,不 同 通 道 数 、不 同 的

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扫描方案可能需要不同 F F T 前处理和后处理 、以 及不 同 的 F F T 过 程 .为 适 应 不 同 的 数 据处理要求 ,本系统大致把处理过程分为四个步骤 . 第一步 ,跟扫描方案相关 ,比如有些扫描序列会产生各种校正数据 ,进行信号幅度 、 相位的校正 ,有些序列甚至累加也成为数据处 理的内容 ,输出 数据为 按图 像顺 序排 列 的 F F T 前数据 ,最终形成的图像可能来源这里的多幅 图像 .当然 ,常规的大 多序 列没 有这 一步处理 . 第二步 ,前 F F T 复 数 滤 波, F F T 得 到 模 或 实 部 图 像 ,并 实 现 整 个 序 列 的 数 据 归 一 化 ,如果需要的话 ,还要实现累加 . 第三步 ,此时图像按顺序排 列 ,这 一 步 的 处 理 ,主 要 是 插 值 或 抽 取 ,把 数 据 处 理 成 指定的分辨率并使两个方向的分辨率的比值反映实际的物体大小 . 第四步 ,常规的图像滤波后处理等操作 .

3   实验结果
最后 ,我们成功实现了软件系统跟 D i S e c t谱仪的对接 . D i S e c t谱仪的软件系 统提 p p 供了 C ,具 有 基 本 的 谱 仪 功 能 接 口 ,能 够 满 足 常 规 的 临 床 应 用 需 OM 接口 I Nm r S e r v e r 求 .我们用 C E c n u S e c对它进行了封装 ,并实 现 该 系 统 的 数 据 操 作 类 C E c n u I m a e F i l e . p g 最后我们在 0. 3 5T 系统上进行了数据采集 ,得到图 6 所示的多回波 犜2 加 权像 ,具体 参 ,回波时间为 1 ,回波链长度为 7,层厚为 6mm,层 数如下 :重复时间为 40 0 0m s 2 0m s 间距为 2mm,视野为 2 6mm,采样点数为 2 0 0,相 位编码数为 1 8 9.其中 两幅 图 像 分 别 为定位像和第五片图像 .严格的测试结果表明 :系统性能良好 .

图 6 0. 3 5T 系统上的数据采集实验结果 F i . 6 T h ee x e r i m e n t a l r e s u l tb a s e do nt h e0. 3 5Ts s t e m g p y

本系统采用面向对象的 C+ + 编程 ,具 有 扩 展 性 好 、操 作 简 便 等 特 点 ,作 者 认 为 :本 文工作对于提高磁共振成像的产业化水* ,引导影像学专家对磁共振 成像 设备 的研 究认 识 ,有一定的现实意义 .

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参考文献 :
[ ] ( 谢海滨 ) ,W ( 邬学文 ) ( 核磁共振快速成像 1 i eH a i ? b i n uX u e ? w e n . T h e f u t u r eo f t h em a n e t i c r e s o n a n c e i m a i n  X g g g [ ] ( 物理 ) , ( ) : 及其展望 ) J . P h s i c s 1 9 9 7, 2 6 1 0 5 9 5-6 0 0. y [ ] ( 谢海滨 ) , ( 杨光 ) , ( 李建奇 ) 2 i eH a i ? b i n Y a n u a n L i J i a n ? i . T h ed a t as a m l i n s t e mo fm e d i c a lMR IB a s e  X gG g q p gs y ( 医学 MR ] 波 谱 学 杂 志) , : o nNMRs e c t r o m e t e r I系统的 F S E 实现 )[ J . C h i n e s eJ M a nR e s o n( 2 0 0 4, 2 1( 4) p g 4 7 5-4 8 3. [ ] , , , [ ] 3 iG e n ? i n J i a n u Y a nX i a o ? l o n 犲 狋 犪 犾.Ad i i t a ln u c l e a rm a n e t i cr e s o n a n c es e c t r o m e t e r J .R e vS c i  L g y g gY g g g p ( ) : 2 0 0 1, 7 2 1 2 44 6 0-44 6 3. I n s t r u m,

犃犛 狅 犳 狋 狑 犪 狉 犲犛 狊 狋 犲 犿犳 狅 狉犕 犲 犱 犻 犮 犪 犾犕犚 犐 犐 犿 犾 犲 犿 犲 狀 狋 犲 犱狅 狀 狔 狆 犪 狀犖犕犚犛 犲 犮 狋 狉 狅 犿 犲 狋 犲 狉 狆
犡 犐 犈犎 犪 犻 ? 犫 犻 狀? , 犔 犐犑 犻 犪 狀 ? 犻, 犢 犃犖犌犌 狌 犪 狀 犔 犐犌 犲 狀 ? 犻 狀 狇 犵, 犵 狔 犵
( , , S h a n h a iK e a b o r a t o r fF u n c t i o n a lM a n e t i cR e s o n a n c e I m a i n D e a r t m e n to fP h s i c s g yL yo g g g p y , ) E a s tC h i n aN o r m a lU n i v e r s i t S h a n h a i 2 0 0 0 6 2, C h i n a y g

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