（电路与系统专业论文）图形化核磁共振成像序列开发平台的研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 核磁共振成像技术是一种无辐射、无损伤、可提供任意方向断层图像、软组织 对比度高的成像技术，是最先进的医学影像诊断技术之一。其成像的好坏与扫描时 所用的序列有着重大的关系，因此高效的开发核磁序列对整个核磁共振成像系统有 着重要的意义。 针对深圳安科高技术股份有限公司核磁部序列开发的需要，以目前该公司正在 使用的由英国r e s o n a n c e 公司提供的库函数、动态链接库、全局变量为基础，开发 了图形化核磁共振成像序列开发平台。 系统采用面向对象的编程思想，在w i n d o w s 2 0 0 0 平台下，利用v i s u a lc + + 软件 基于m f c 类库实现了核磁共振成像序列开发的图形化。将序列的编写，从过去的用 p a s c a l 语言的方式过渡到用绘制序列时序图的方式。在利用本系统开发序列时，首 先绘制序列的时序图，然后根据所绘制的时序图，设置相关信号的大小、持续的时 间等参数自动生成对应的p a s c a l 源代码。与原有的开发平台相比，具有操作界面 人性化、所见即所得、灵活性强等特点，大大提高了序列开发效率。 本文共分六部分：第一部分介绍了课题的来源、意义及所设计的系统的主要特 点；第二部分介绍了核磁共振成像的基本原理、序列的有关概念及目前r e s o n a n c e 公司提供的序列开发平台编写序列的方法；第三部分介绍了系统的设计思想、需求 分析；第四部分介绍了基于矢量的绘图功能的实现，用于绘制序列时序图；第五部 分介绍了序列源代码的自动生成功能的实现；第六部分介绍了系统的测试、调试和 应用，最后对整个系统的设计进行了总结，并对下一步工作进行展望。 关键词：核磁共振成像序列；v i s u a lc + 十；图形化 项士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s a b s t i 鼍c t m 矗乒e t i cr e s o a c ei i n a g i n g ( m r di so n co ft h em o s ta d v a c c dt e c h i q u e so f m e d i c i n a lj m a g 主n gd i a 躺i s i tp o s s 黯s e st b ee x c e l l e n c e0 fn o n f a d i a n t 、n o n t 糟啪a ， p r 州d e st h ci m a g co fc v e r yd i f c c t i o nl a y e f 柚dl i i 曲e rc o n 仃a s ti m a g co fp 缸蛐c h y m a i n l a 舀n g9 0 0 d0 rb a dh 鹤as i 粤i 迁i c 她t 咒l a t i o 璐王却w i i ht h ep u l s c q u c n c e 1 1 i e m f 0 ， e 甑i e md c v e l o p m e mo f 龇p u l s c 辩q u e n c ei si m p o r t 姐tf o rt h em r i s y s t 咖 a c c o r d i gt 0t h em l 己id e p a 衄e n to fs h e n z h c na n k eh i g h - t e c hc 0 ，n dn c e d s ，i p m p o s ea n di m p l e m e mai n t c m c t i v e 乒a p h i cp l a t f o mf o rd c v e l o p i n gt h em r ip u l s e s c q u c c ，b 鹤e d0 nt h e 羽o b a lv 撕曲l c s 、t l i ed y n a m i cl i n 】【a n df l l n d i o n1 i b r a r i e sw h i c h o 船r c d b yr c s o n 锄c ei n s t n l m e n t sn d t h es o f 啊a r es y s t e mi sd e s i g n c du n d e rt l l eo 巧e d - o r i e n t e dp r o 孕a m m i n gm c t h o di 1 1 w i n d o w s 2 0 0 0p l a 响瑚s ，u s i i i gt h cp o w e r f i l i 幻1 0 l so fm f cc 1 a s s b r a r yw h i c hb e o 疵f e db y s 眦lc + + n es y s t e mc h a n g e st h em e t h o do fd e v c l 叩i n gp u l s es e q u c e 缸衄u s i n gp a s c a ll a n g i l a g et 0d r a w i n gt l l et i l n e r i e s 掣印ho ft l l es i 印a l s 罚e e t h o d o fd e v e l 叩i n gp u l s es c q u e n c cb yu s i n g 恤es y s t e mi st od 姗t h ct i l n es e i i e sg r a p ho ft l l e p u l s cs e q u e n c cf i r s t ，t h e t os e tt h em a g n i t i l d e 趾dt l i ed u 珀t i o no ft h cs i 弘a l s a tl a s tt h e p a s c a ls o u r c ec o d ei sc r e a t e da u t o m a t j c a l l y a s 哪s e dt ot h eo l dp l a t f o 加，t h e h u m a n b a s e di n t e 如c co p e r a t i o n s 、t h eb e t t c fv i s u a l i z a t i 衄a i l dn e x i b l ee x p a n s i b i l i t yc a i l b ea c h i e v e d s 谊s e c t i o n sa r ei n c l u d e di nt h i sa n i c l e 弧ef i i s t p a f tb r i e f l y 王i l t r o d u c e s t l l e f o l l o w 崦f c a t t l f e so ft l l i sa n i d e ：t h eo r i 昏n ，t l i es i 印i 丘c 柚c ea l l dt h ec h 啪d c fo f 血e s y s t e m h lt h cs e c o n dp a n ，t h eb a s i c 也e o r yo fm r i ，s o m eb a s i cc o n c c p t sa i l dt l l e d e v e l o p i n gm e t h o do ft 量l ep u l s es e q u e n c ca r ei i l t r o d u c e d t h et h i r dp a ni t r o d u c e st h e t h o u g l l t ，t h es t n l c t u r e 强dt l l ed e m a n d 孤d i y s i so ft h es y s t e m n ef b n hp a ng i v e st h e w a yo fr e a l i z j n gt h ev e c t o rd r a w i i l gf i l n c t i o n 1 1 1 e 丘f t hp a ng i v e st h ew a yo fr e a l i z i n g 恤 c o d ea u t o g e n e r a t i o nf i l n c t i o n n es i x t hp a r ti n 仃o d u c e st h ed e b u g s 、t h ea p p l i c a “o no f t h es o f t w a r e 、血ec o n d u s i o no ft 1 1 et o p i ca i l daf o r e c a s to fn e x ts t e po ft l l er e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：t h em r ip u l s es e q u e c e ；s u a ic + + ；g r a p h i c 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：主艺日期：伽辟易月_ 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可咀将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名：2 日期洳6 年6 月z 日 导师签名乡0 彬。 日瓤如【) 月日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。回童迨塞蝗童后进后；旦圭生；旦二生；旦三生筮查! 作者签名：王艺 1 日期：珈劳占月z 日 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 1 1 课题来源和意义 第一章绪论 核磁共振成像( 池g n e t i cr e s o n a n c ei a g i n g ，简称m r i ) 是近年来一种新型 的高科技影像学检蠢方法，是8 0 年代初才应用于临床的医学影像诊断新技术，是 集物理学、计算机技术、电子技术、机械制造、精细化工于一体的高新技术产物。 它具有无电离辐射性( 放射性) 损害；无骨性伪影：能为多方向( 横断、冠状、矢 状切面等) 和多参数成像；高度的软组织分辩能力；无需使用对比剂即可显示血管 结构等独特的优点。 人体组织的固有对比度与组织间的质予密度差、组织的本征弛豫时间、流动效 应及化学位移等均有关系。这些因素对核磁共振信号的贡献可由射频脉冲的大小 ( 形状) 、梯度脉冲的幅值及宽度、数据的采集时间等来控制。把射频脉冲、梯度 场和信号采集时刻等相关各参数的设置及其在时序上的排列称为核磁共振成像的 脉冲序列( 以下简称序列) 。 核磁共振成像的目的，在于为临床提供一幅满足诊断要求的灰度图像，一幅高 对比度的图像。有了高对比度的图像，我们不仅能够区分组织的固有结构，还能辨 别正常与病变的组织。在核磁共振成像系统硬件条件不变的情况下，图像上不同组 织间的对比度与扫描时射频脉冲和梯度磁场的应用有关。这是因为一幅图像的获 取，需要进行许多次信号采集，每次信号采集需要核磁共振成像系统按一定时序发 射射频脉冲和输出建立梯度磁场的梯度脉冲，以进行成像层面选定，激发选定的层 面的核磁共振，形成核磁共振信号和实现信号的空间编码。基于这些因素，我们需 要为不同成像目的而设计序列。对序列进行高效开发对核磁共振成像有着重要的意 义。 本课题是深圳安科高技术股份有限公司核磁部为了解决当前序列开发比较繁 琐而设立的一个项目。该公司主要从事大型医疗电子设备的开发、生产和经营，产 品涉及医学影像、医疗信息、医疗电子和治疗等四个领域。目前，安科公司在序列 的开发上，采用英国r e s o n a n c e 公司提供的开发平台，在该平台上利用p a s c a l 语 言编写。本项目旨在原有的r e s o n a n c e 公司提供的核磁序列开发平台基础上，作二 次开发。即实现原来开发平台的图形化，采用图形化编程语言，序列编写所依据的 库函数、动态链接库、全局变量等，仍由r e s o n a n c e 公司提供。 图形化编程方式，把复杂、繁琐、费时的语言编程简化成菜单或图标提示的方 法选择功能( 图形) ，并用线条把各种功能( 图形) 连接起来。这种方式编写程序 只包含一些简单步骤，比如：用鼠标选择函数作为对象；描述测试步骤和对象之间 的关系；编译连接等。在这个平台上，各种领域的专业工程师和科学家们通过定义 和连接代表各种模块的图标迅速建立高水平的应用程序。 图形化开发的过程主要是制作框图程序，可以把这种框图程序理解成传统程序 的源代码。框图程序由端口、节点、图框和连线构成。其中端口被用来获得装置的 输入输出数据和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能的调用，图框被用来实 现结构化程序控制命令，而连线代表程序执行过程中的数据流，定义了框图内的数 据流动方向。 这种更加直观的方法可以降低8 0 以上的编程时间，更重要的是测试工程师认 为图形技术更加方便有趣，从而鼓励他们在更多的场合应用这些工具。图形化的程 序逻辑更符合人们以往的工作习惯，很多人都能看懂，对于装置开发过程中的质量 控制以及技术档案的管理都有很大帮助。 1 2 国内外研究现状 由于图形化编程的这些独特优点，许多公司很早就在从事这方面的研究工作。 例如美国h p 公司，n i ( n a t i o n a l i n s t r u i i i e n t s ) 公司等。其中n i 公司开发的l a b v i e w 图形化编程语言，被广泛应用在智能仪器开发领域，在国内也有很多公司在使用该 公司的这种技术。目前，l a b v i e w 已经成为数据采集、检测、数据分析等方面的领 先开发平台，在世界范围内拥有众多的用户，并成功地构造了各种应用系统。 在核磁共振成像系统领域，有很多序列开发平台，比如英国r e s o n a n c e 公司的 r i 软件所提供的序列开发平台，编写序列的人员首先应在纸上绘制出序列中各个信 号的时序图，然后根据相应的公式计算各个信号在某一时刻持续的时间和大小，设 计好调用函数的各个参数，最后用p a s c a l 语言，通过调用r i 提供的库函数，完成 序列的编写。其缺点是不直观，开发效率低。另外还有一个由d r l a i 提供的专用 函数库，即g d m d t s 软件包，它是用c 语言编制的，使得序列的编制在高级语言 层次上进行，不必非常深入了解硬件结构，编制方法也是通过调用函数来实现，但 缺点是参数设置繁琐和不直观。 在国内核磁共振系统生成厂商，序列的开发，均采用国外公司提供的开发平台。 2 1 3 本系统特点 本系统采用面向对象的编程技术，在w i n d o w s 2 0 0 0 平台下，以v i s u a lc + + 为开 发工具进行开发，实现了序列开发的图形化。 系统从功能上可以分为两个部分：基于矢量的序列时序图的绘制和源代码的自 动生成。用户用图形绘制模块完成序列时序图的绘制、编辑。选中时序图中相应信 号所对应的图形，根据信号的类别，选择适当的对话框设置该信号的大小、持续时 间等参数，然后单击“确定”按钮，该图形所对应的序列源代码会被自动记录保存 至源代码自动生成文档中。另外对于源代码中与图形不相关的部分，有专门的对话 框并提供模板进行设置。自动生成的源代码后，调用t u r b op a s c a l 编译器，生成 源代码对应的可执行文件，完成一个序列的开发。 本图形化序列编程平台系统的主要特点如下： ( 1 ) 采用人机交互的界面，具有下拉式菜单、工具栏等，方便操作； ( 2 ) 提供方便灵活的图形绘制工具； ( 3 ) 在绘制的时序图上直接输入、修改信号大小等参数； ( 4 ) 图形和源代码的执行部分一一对应： ( 5 ) 所见即所得，避免人为错误； ( 6 ) 基于图形界面的环境维护方便； 顽士拳住论文 m a s t e r st h e s i s 第二章核磁共振成像及其序列的开发 图形化核磁共振成像序列开发平台是核磁共振系统中的一个功能模块，为了更 好的阐述和讨论该平台的设计和开发，首先简要介绍核磁共振成像的基本原理、核 磁共振成像序列及其开发方法。 2 1 核磁共振成像原理 2 1 1 核磁共振现象 自旋( s p i n ) 是原子的基本特性1 1 】【3 】【4 】。原子核自旋运动时产生的磁矩，称为核磁 矩。原子核的自旋和磁矩由组成其的质子和中予的数量决定，如果原子核含有的质 子核中子数都呈双数，则其自旋和磁矩都成对地相互抵消，因此只有质子或中子数 为奇数的原子核才有磁矩。通常情况下，组成物体的原子核的磁矩是杂乱无章分布 的。单个磁矩的方向都是随意的，磁矩间的磁性相互抵消，对外不表现磁性，总磁 矩m 为零。当原子核置于磁场强度为b 。磁场中，由于平行于b o 的分量多于反平行于 磁场的分量，使得核磁矩不能完全互相抵消，于是在外磁场方向便出现一个总体磁 矩m 0 。这时，核磁矩从无序排列变成有序排列。外磁场愈强，每个核磁矩的矢量方 向一致性愈强，表现出的总体磁性称为宏观磁矩，它的磁性随磁场的增强而增大。 原子的运动除了自旋外，还存在另外一种形式一进动( p r e c e s s i o n ) 。它是在外 磁场b 0 作用下，原子核绕b 0 轴方向旋转。特别是当原子的自旋轴偏离b 0 方向时，它 是一边自旋，一边又绕& 轴方向转动。如图2 1 所示： 图2 1 质子自旋及进动示意图 4 在核磁共振里，原子的进动频率( 角频率) 被称为共振频率或者拉莫尔频率 ( l a 珊o rf r e q u e n c y ) 。该频率的大小与外磁场强度b 。成正比，并取决于与原子核性 质有关的常数磁旋比y 。拉莫尔方程为： 一y 对同种原子核，磁场越强，原子核的进动频率就越高。对不同种类的原子核， 在相同的磁场强度作用下，因y 不同，其进动频率也不相同。 在静磁场中，磁性核以定角口作拉英尔进动，其能量并没有发生变化，因而处 于稳定状态。但是当在与静磁场b 0 方向相垂直的方向施加一个以角速度为旋转的 射频磁场( r f ) b 。时，如果只考虑与磁性核进动方向相同的成分，则在b 1 磁场的作 用下，磁性核又有一个围绕b 。的一个进动，为了方便理解，可以引入一个参考的旋 转坐标系x 2 。这个坐标系的z 轴与固定坐标系的z 轴以及b 0 相重合，其中x 、) ， 轴围绕z 轴以角速度旋转。这样，在参考坐标系x ，y 2 中，可以认为射频磁场b 。是 静止的。因而，可以认为磁性核相对于磁场b 。有一个进动，且进动频率为： q y 置 根据量子力学，当电磁波量子正好等于能级间距时，原子核会从射频磁场中吸 收能量从低能态跃迁到高能态。因此，可以得出核磁共振的条件为： 峨= = y 民 2 1 2 弛豫和核磁共振信号的检测 磁性核在射频磁场的作用下发生共振吸收，当e 作用的时间足够长时，会出现 饱和现象。事实上，在低能态的核跃迁到高能态的同时，高能态的核向周围环境转 移能量，回复到低能态，保持核体系的热平衡状态，这种不经过辐射而回到低能态 的过程叫弛豫。 1 自旋一晶格弛豫 品格是包含磁性核在内的整个自旋分子体系，因而可以说是磁性核的外在环 境。组成晶格的原子和分子的运动产生具有各种频率的交变磁场，当其中之一的频 率与某一自旋核的进动频率相等时，磁性核就把共振时吸收的能量转移到晶格中 去，核体系总能量下降，使磁性核恢复到原来的热平衡状态，这一过程称为自旋一 晶格弛豫。自旋晶格弛豫所需时间称为自旋一晶格弛豫时间，通常用t l 表示。自 旋一晶格弛豫又称为纵向弛豫，因为这一过程是磁化强度m 的纵向分量地的恢复过 程。自旋一晶格弛豫过程的数学表达式为： 毒 m ：一m o ( 1 一e “) 式中 厶为初始值。 2 自旋一自旋弛豫 设核系统中有两个分别位于高低能级上的自旋核，当高能级的核与低能级的核 相互接近时，如果它们的进动频率相同，这两个核是可以交换能量的。高能态的核 将能量传递给低能态的核，使后者跃向高能态，而本身则跃向低能态。这时，核体 系中各自取向的核数并没有变化，因而总的能量不变。由于该过程是由自旋核相互 作用引起的，因此称为自旋一自旋弛豫。自旋一自旋弛豫所需要时间称为自旋一自 旋弛豫时间。通常用t 2 表示。自旋一自旋弛豫又称为横向弛豫，因为这一过程是磁 化强度m 的横向分量i l ，、肜。的消失过程。自旋一自旋弛豫过程的数学表达式为： f = m 。一村一1 3 在射频场b 。停止作用后，磁性核仍会在静磁场b 0 中维持进动。由于没有了射频 磁场的作用，这时的磁化强度矢量m 的进动就叫自由进动。如果在x o y 平面( 垂直 于静磁场b o 方向) 上有一个射频接收线圈，就能够检测到磁化强度矢量m 的自由进 动，所接收到的信号称为自由衰减信号( f i d ) 。检测到的信号可用下式来表示： 一碰 s ( ) = 凡e 门2c o s ，) 2 1 3 二维傅立叶成像技术 二维傅立叶成像技术是目前临床核磁共振设备中应用最普遍同时也是最成熟 的一种核磁共振成像技术。这种技术最早是由k u m a r 等人在1 9 7 4 年提出的。1 9 8 0 年e d e l s t e i n 等人对原有的傅立叶成像技术进行修改，提出了一种称为s p i n w a r p 的傅立叶成像技术，由于s p i n w a r p 的傅立叶成像克服了原来傅立叶成像技术的 很多内在的缺点，因此该技术被普遍用于i | 缶床核磁共振设备中。本节主要介绍二维 傅立叶成像技术中最关键部分：空间定位。 对于s p i n w a r p 傅立叶成像技术来说，为了确定每个体素相对应的图像内的 位置，一般需要两个步骤来实现：层面选择和空间编码。 1 层面选择 层面选择就是选择激发目标的某一层面产生共振，然后对此层面进行成像。层 面选择使用选择性激励原理，即用一个有限频宽的射频脉冲仅对共振频率在该频带 范围的质子进行共振激发的技术。在z 轴方向上施加一个选层梯度磁场g 后，沿z 轴的各层面质子的进动频率为： 吐一y ( + z e ) 设成像层面位于z 。处，层面厚度为a z ，则所需的层选激发脉冲应满足下述条 件： 叱；y p + 2 】q ) a - & e 其中：珊。为射频脉冲的中心频率，珊为其带宽。当梯度强度固定时，带宽增 大则层面厚度也增大，反之变薄；当带宽固定时，梯度强度增强时，层面厚度变薄， 反之变厚。 2 空间编码 经过层面选择，核磁共振信号( 简称m r ) 被限定在指定的平面内，为了重建出 二维的m r 图像，必须对平面内所有质子共同发出的复合共振信号加以分辩。在s p i n w a r p 傅立叶成像技术中，使用两个梯度磁场来进行平面定位。这两个梯度磁场分 别称为相位编码梯度和频率编码梯度，与之对应的梯度方向的位置信息称为相位编 码和频率编码。设q 、g ，分别为频率编码梯度和相位编码梯度，且对应于图像矩阵 的行和列方向，同时设竹一露，为矩阵的列数和行数。 相位编码就是利用相位梯度磁场g 。产生质子有规律的进动相位差，然后用此 相位差来标定体素的空间位置。加入相位梯度磁场g 。后，在g 。的作用下，相位编 码方向上各体素处于不同强度的磁场中，因此该方向上各磁化强度矢量将以不同频 率进动，其进动频率为： 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ，一y ( 民+ y g v ) 可以看出，该方向上各磁化强度矢量的进行频率为y 的函数，y 坐标越大，质 子的运动速度越快。进动频率的不同必然导致进动相位的不同。设相位编码梯度的 持续时间为r ，则f ，时间后相位编码方向上各体素的进动相位以为： 啦一q ，一y q 气+ ) ，g 弘， 由此而产生的相位编码方向上两个体素间的相位差为： 矿_ y ) ，a g ，f ，昌y ) ，f y 因此，在f 。时刻，相位编码梯度磁场关闭，虽然各体素的进行频率恢复到原来 相同的状态，但相位编码梯度磁场g 。所诱发的进动相位差却被保留下来，并在频率 编码读出数据时标示出相位编码方向的体素位置。 在每个数据采集周期中，相位编码梯度磁场只是瞬时接通，因此它是一个脉冲 梯度磁场，一幅m r 图像有多少个数据采集周期，就有多少个相位编码梯度磁场脉 冲，但每个相位编码梯度磁场脉冲的幅度( 梯度值) 不同。般来说，梯度值是逐 次等刻度递增的，增量为g ，g 。越小，图像的分辨率越大。通常将相位编码梯 度磁场脉冲幅度的一次变化称为一个相位编码步( p h a s ee n c o d i n gs t e p ) ，获得多 少行扫描数据，就需要多少个相位编码步。 相位编码梯度磁场g 。仅使y 方向的体素出现进动相位差，而x 方向的体素仍 然是按相同的共振频率进动。这样的行称为等自旋线，一次g 。的作用，就在选中 的成像平面内出现若干条等自旋线。 在相位编码期间并不进行信号采集，因此，相位编码梯度又称为准备梯度。 频率编码：在相位编码梯度磁场g 。作用下，在平行于x 轴方向上形成一行行 的等自旋线，但它们只体现了y 方向的位置信息。为了确定x 方向上钵素的位置， 在x 方向引入了频率编码方案：即利用频率编码梯度磁场e 造成该方向上各磁化矢 量的进行频率不同来标记体素空间位置的编码方法。 在加入频率编码梯度磁场g ，后，x 方向上的各体素的进行频率为： 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s q y ( + z q ) 可以看出，不同的x 决定了不同的进行频率，两个体素之间的进行频率差为： qz ”h q 与相位编码梯度磁场脉冲不同的是，在旌加频率编码梯度磁场的过程中，就采 集m r 信号，因此频率编码梯度磁场不会产生相位差。频率编码梯度又叫读出梯度。 这样，在相位编码梯度和频率编码梯度的共同作用下，对接收到的滁信号进 行重建，就能得出一幅完整的m r 图像。 2 2 序列及其开发 2 2 1 序列的概念 序列【3 l 【4 】( p u l s es e q u e n c e ) ，是指具有一定带宽、定幅度的射频脉冲与梯度 脉冲的有机结合。其中射频脉冲的带宽是指其频谱宽度，或者说是射频脉冲所含频 率分量的多少。在序列中射频脉冲是核磁共振信号的激励源，它的能量由自旋核系 统吸收后又以射频波的形式释放。射频脉冲的幅度反映了该脉冲所具能量的大小， 它的能量越大，成像区域的静磁化强度矢量肘。受激后偏倒的角度就越大。例如1 8 0 0 射频脉冲的射频能量要比9 0 0 脉冲大一倍，因此，前者可使磁化强度矢量偏倒培0 0 ， 即将m 。激至一z 轴方向，而后者仅使m 。倒向x o y 面。序列中梯度场的作用主要是 空间定位和信号的读出。 图2 2 是一个典型的序列自旋回波序列的时序图【“。图中显示了一个成像 周期内各梯度磁场在时间上对应的接通和关闭的关系。一个成像周期在时间上是指 m r i 系统采集一次数据所需的时间。对于一幅k n 。大小的r 图像，至少需要重复 ”。次成像周期，才能获得重建图像所需的数据。由图可以看出，在一个成像周期中， 最先接通的是层面选择梯度磁场g ，同时，一个9 酽的射频脉冲接通，使激励限定 在由g 和r f 共同确定的图像平面内。选择好成像平面后，g ，关闭，相位编码梯度 磁场g ，接通，每个成像的相位编码梯度磁场g ，的幅度不同，是逐次递变的。持续 9 一段时间后，q 关闭，g ，产生的相位差被保留了下来，这时成像平面内在y 方向 呈现与x 方向平行的多条等自旋线。鼠关闭的同时，频率编码梯度磁场e 接通， 同时采样回波信号，得到采样数据。由此可见，核磁共振成像的序列完全是一种时 间序列，正如同脉冲与数字电路中所使用的时序图。我们知道，在射频脉冲激励阶 段，当脉冲作用到一定的时间时，磁化强度矢量才与z 方向形成一个夹角，即脉冲 翻转角。所以在核磁共振成像中，9 0 。脉冲，拟或1 8 0 0 脉冲是可以用时间来量度的。 1 1 即r 门 1 厂弋广弋 一_ 、 虽 广 珊 1 n 回波 y or 1uy 图2 2自旋回波序列的时序图 从结构上来看，一个典型的核磁共振成像序列由自旋准备和信号产生两个功能 单元组成。自旋准备单元主要是对射频脉冲和梯度场进行调控，以实现改交核磁共 振信号特性的功能；信号产生单元的功能是生成核磁共振信号并对其进行空间编 码。按上述的功能划分方式，所有序列均可表示为图2 3 的形式。 信号产生 自由感应衰减 自旋回波 梯度回波 图2 3 序列的构成 图像 2 2 2 序列的开发 这里以深圳安科公司目前正在使用的由r e s o n a n c e 公司提供的r i 序列开发平 1 0 卜 台，介绍序列的开发的步骤f 1 1 l 。该平台以p a s c a l 语言为基础，采用t u r b op a s c a l 编译器，通过提供大量全局变量和库函数，方便用户开发和编写。 一个完整的序列的p a s c a l 程序结构如下： p r o g r a mm y p u l s e s e q u e n c e ： $ ic o m p i l e i n c u s e r s $ iu n i t s d i g 。i n c ) v a r d e f i n el o c a lv a r i a b l e sh e r e p r 0 c e d u r es e q u e n c e ： b e g i n e n t e rp u ls es e q u e n c eh e r e ) e n d ： b e g i n r u n ( s e q u e n c e ) ： e n d 程序分为两个大部分：说明部分和执行部分。在b e g i n 语句前所有代码为说明 部分，主要是用来定义和说明程序中用到的数据、变量、函数和过程，r i 平台提供 了大量的全局变量，过程函数被使用。b e g i n 语句后所有代码为程序执行部分，主 要描述当前时刻，有哪些信号产生，产生的这些信号多大，持续时间多长。直接调 用r i 提供的库函数，设置这些函数的参数值即可。 另外要注意在u s e r s 行下面，必须添加上“u n i t s d i g i n c ”，在序列编写结束 后，必须添加上b e g i n 、r u n ( s e q u e n c e ) 、e n d 这三条命令，以便告诉编译器运行该 序列。 根据以上编写序列规则，本文给出自旋回波序列的p a s c a l 源代码，见附录。 1 1 第三章图形化序列开发平台的分析与设计 3 1 开发工具的选用 3 1 1 面向对象程序设计方法和d h 语言 计算机软件开发一直被两大难题所困扰【7 】，一是如何超越程序复杂性障碍；二 是如何在计算机系统中自然地表示客观世界，即对象模型。用c + + 语言写的面向对 象程序设计是软件工程学中的结构化、模块化、数据抽象、信息隐藏、知识表示、 并行处理等各种概念的积累和发展，是解决上述两大难题的最有希望、最有前途的 方法。面向对象程序设计方法是软件开发方法的一场革命，它代表了新颖的计算机 成像设计方法的新思维。它支持一种概念，即使得计算机解决问题的方式更接近人 的思维。 这种新方法是通过增加软件的可扩充性和可重用性来改善程序员的生产能力， 并能控制维护软件的复杂性和软件维护的开销。从目前现状来看，c + + 和面向对象 程序设计，不仅在尖端技术领域站稳了脚跟，而且已为企业开发人员接受，用户可 以在此基础上按照人的思维活动，按不同的对象类向前前进。 面向对象的程序设计的中心是围绕着几个概念进行：对象、类、继承、封装、 多态性。 1 对象：对象是系统中用来描述客观事物的一个实体，它是构成系统的一个基 本单位。一个对象是由一组属性和对这组属性进行操作的一组服务构成的。 2 类：类是由数据和方法( 操作) 组成，是对具有相同特征的一组对象的抽象。 类是用于构造具体对象实例的模板，实例对象才是真正的工作实体。实例对象是在 程序执行过程中由类动态生成的，一个类可以生成许多有着相同性质的实例对象。 一个类上层可以有父类( 或称基类、超类) ，下层可以有子类，形成一种层次结构。 3 继承：继承提供了创建新类的种方法，这种方法就是说，一个新类可以通 过对已有类进行修改或扩充来满足新类的需求。新类共享已有类的行为，而自己还 具有修改或额外添加的行为。因此，可以说继承的本质特征是行为共享。 4 封装：封装是将数据和对数据进行合法操作的函数封装在一起作为一个类的 定义。封装的类有一个类名，程序中由类名说明对象实例。由于对象的封装性，外 界只能看到对象界面上的消息，或称接口( 功能函数) 。对象内部( 数据和功能函 1 2 顽士学位论文 m a s t e r s t h e s i s 数的具体代码) 对外界是隐藏的，其目的是将对象的使用和对象的设计者分开，使 用者不必知道对象功能实现的细节，而只需要设计者提供的消息来访问对象。 5 多态性：多态性就是同种操作具有多种形态，在c + + 中，多态性又被直观的 称为“一个名字，多个函数”。它主要是通过函数名重载实现的。重载函数是指程 序中对同名函数进行调用时，编译器会根据函数参数的类型和个数，决定该调用哪 一段函数代码来处理这个函数调用。 c + + 语言非常适合于面向对象的程序设计，在提供面向对象的程序设计的同时， 还保留了c 高度简洁和效率的特点。 3 1 2w i n 嘲s 编程的特点 w i n d o w s 以其完美而实用的风格成为新一代操作系统的标准【9 1 。w i n d o w s 在开发 时采用了面向对象的程序设计方法，这使w i n d o w s 能够维持复杂的操作系统得以稳 定运行。 w i n d o w s 平台下的应用程序通常都采用面向对象的程序设计方法，这使得在程 序设计思想、概念和结构上都和w i n d o w s 一致，更好发挥它的优势。 在w i n d o w s 下编程要注意以下几点： 1 消息处理机制 消息的产生是随机的，用户可以任何时候移动鼠标或操纵键盘。程序要不断地 处理随机产生的消息，而不是一个顺序处理的过程，这一点是w i n d o w s 运行的机制， 也是w i n d o w s 程序设计的关键。 2 依赖于操作系统的程序 消息传递是w i n d o w s 的核心，消息管理是由w i n d o w s 本身完成的，程序从系统 中获得消息有两种方式，一种是应用程序调用w i n d o w s 提供的获取消息函数，一种 是w i n d o w s 调用由程序员提供的特殊函数中回调函数，类似于在一个程序中调用一 个子函数。 内存管理是应用程序依赖于操作系统的另一个例子。在w i n d o w s 环境下，应用 程序必须协调并共享内存。应用程序并不能真正对物理内存进行访问，只能通过 w i n d o w s 系统间接地访问。所有内存都在w i n d o w s 的统一管理下进行。 3 图形界面 直观地反映w i n d o w s 优点的是它的图形界面，w i n d o w s 应用程序能创建任意多 个重叠窗口，从而访问多个显示屏。w i n d 0 w s 使用了基于图形的图像来代表应用程 序和数据。最直接的好处就是“所见即所得”。 每一个应用程序都有一个窗口，窗口内的部分才是用户能控制的，应用产生的 输出，是以程序所拥有的窗口的坐标系为标准输出的，而不是整个屏幕，这意味着 当图形的范围超出了窗口的范围时，超出的部分将被裁掉，这由w i n d 0 w s 自动进行。 w i n d o w s 系统的设备无关性使程序员不依赖于某一确定的配置编写代码，更无 需为所有可能的设备编写驱动程序。w i n d o w s 的这种设备无关性是由g d i ( g r a p h i c s d e v i c ei n t e r f a c e ) 提供的，它识别四种类型的设备：显示屏幕、应拷贝设备( 如 打印机和绘图仪) 、位图和元文件。前两个是物理设备，后两个是伪设备。伪设备 提供了一种在r 删中或磁盘里存储图像的方法，也提供了应用程序间共享图像的标 准方法。 w i n d o w s 把字符当作图形来处理，这意味着进行文本输出时要提供以象素为单 位的坐标，也就是说文本可以定位在窗口中任意一个以象素为单位的位置上，这既 给文本提供了很大的自由空间，同时也使得文本的处理比d o s 下复杂得多。 3 1 3v i s u a io + + 6 0 开发工具 v i s u a lc + + 6 0 是m i c r o s o f t 至今最为完善和最全面的开发产品，它提供了各 种各样的几乎适应每一种编程风格的设计工具，在编程能力和方便性方面达到空前 水平，它不仅是一个编译器，而且还是一个开发环境，使用它可充分利用面向对象 的特性来开发具有专业水准的w i n d o w s 程序。用m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o n c l a s s e s ) 的基本类库和a p p w i z a r d 为窗口系统编写c 十+ 程序，是它最高效的部分。 m f c 简介 m f c 是一个很大的，扩展了的c 十+ 的层次结构，它使开发w i n d o w s 应用程序更 为容易，并且它是对w i n d o w s 系统兼容的，无论是w i n d o w s 9 x ，还是w i n d o w sn t 等 都会有相应的m f c 的扩展以后的版本相对应。 使用m f c 的最大优点是它为程序员做了最难做的事，它包含了成千上万行正确、 优化和功能强大的w i n d o w s 代码，极大地加快了程序的开发的速度。 m f c 非常庞大，使用其中的十几个类就可以写一个很漂亮的程序。m f c 的层次 结构可以分为以下几种： 应用程序框架 图形绘制的绘制对象 文件服务 异常处理 结构一l i s t 、a r r a y 、m a p 1 4 i n t e r n e t 服务 o l e 数据库 通用类 3 2 系统的需求分析 需求分析是对系统实现的功能以及系统的功能实现的具体描述。根据需求分 析，可以了解此软件的基本架构和设计思想，它是所有开发设计的前提。 图形化的序列编程平台主要应实现两个功能：一个是实现序列图形化的基于矢 量的绘图功能，一个是序列源代码自动生成功能。 1 基于矢量的绘图功能 ( 1 ) 序列时序图中的各个信号采用直线、圆、折线、曲线弧、矩形等图形来 表示。故系统应具备绘制这些图形的功能。另外为了方便用户获得各个图形基本信 息，还应具有文本标注功能。图形绘制的实现采用鼠标交互绘制的方式； ( 2 ) 在绘制时序图时，经常需要对已经绘制的图形进行修改，因此系统应具 有对图形的缩放、移动、删除、撤销等各种编辑功能； ( 3 ) 为了区分不同的信号并且使序列的时序图可读性更强，系统还应提供对 图形颜色、线型等进行设置的功能； ( 4 ) 为了加快图形的编辑及同行同列元素的绘制，系统还需具有设置背景网 格功能，容许用户设定网格间距； 2 序列源代码自动生成功能 序列的p a s c a l 程序源代码的生成，通过设置对话框来实现。源代码分为两大 类： ( 1 ) 无图形与之相关的源代码：指源代码中的说明部分，主要用来定义全局 变量，定义过程函数，设置全局变量的值。 ( 2 ) 有图形与之相关的源代码：指源代码中的执行部分。此类源代码的先后 顺序与序列的时序图一对应，主要用来描述当前时刻有哪些信号产生，产生的这 些信号幅度多大，持续时间多长。时序图和设置的p a s c a l 源代码之间不是相互独 立的，而是需要在两者之间建立起连接关系。这种连接必须具有以下特点： 连接的稳定性。矢量图形元素与源代码间的连接一旦建立，就会永远的存 在下去( 除非解除了连接) ，不会因为矢量图形元素的增加、插入等操作而受影响。 篙箍。 连接的多项性。连接的多项性是指，多个矢量图形元素可以与一个源代码 相对应。因为在同一时刻，可能有多个信号产生，这些信号用不同的图形表示，但 这些信号却用一条p a s c a l 源代码表示。 因此实现序列源代码自动生成功能主要包括以下内容： ( 1 ) 有专门的文档，用于记录、保存自动生成的源代码； ( 2 ) 通过对话框设置的源代码，能准确无误的保存至代码记录文档中，并显 示出来； ( 3 ) 对于与图形无关的源代码，当利用设置源代码对话框，对已经设置完成 的源代码进行修改，删除操作时，在记录代码的文档中，相应的源代码 也应该相应的被修改或删除； ( 4 ) 对已经设置了源代码的图形，进行特殊显示，方便用户进行操作； ( 5 ) 对于与图形相关的源代码，图形出现的先后顺序，应与其对应的源代码 在记录源代码文档中出现的先后顺序一致； ( 6 ) 对于与图形相关的源代码，当对已设置源代码的图形进行移动操作时， 其对应的源代码在记录代码文档中的位置也应该一起变化，即始终保证 图形的出现的先后顺序与源代码的先后顺序一致； ( 7 ) 对于与图形相关的源代码，当对图形进行删除操作时，在记录代码文档 中对应源代码，也应该同时被删除； ( 8 ) 对于与图形相关的源代码，可以完成取消图形设置源代码的操作； ( 9 ) 所有源代码生成完后，应能调用t u r b op a s c a l 编译器，编译成可执行 文件； 3 3 系统的设计 本系统，在w i n d o w s 2 0 0 0 平台下，利用v i s