基于Eclipse RCP技術(shù)的0.5T磁共振成像儀控制和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)開發(fā)

陳東山，陳志偉

廈門大學(xué) 電子科學(xué)系 福建省等離子體與磁共振研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005

基于Eclipse RCP技術(shù)的0.5T磁共振成像儀控制和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)開發(fā)

陳東山，陳志偉

廈門大學(xué) 電子科學(xué)系 福建省等離子體與磁共振研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361005

磁共振成像儀是臨床醫(yī)學(xué)最重要的診斷工具之一。本文介紹了基于Eclipse RCP技術(shù)開發(fā)的、可用于我國自主研制的0.5T磁共振成像儀的控制和數(shù)據(jù)處理的軟件系統(tǒng)的研制過程。該系統(tǒng)采用Java語言編寫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁共振成像儀的控制，支持圖形界面的脈沖序列設(shè)計(jì)，并提供了基本的DICOM圖像處理功能，具有良好的用戶體驗(yàn)和極強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

MRI；Eclipse RCP；DICOM；圖像處理；脈沖序列設(shè)計(jì)

0 前言

1 Eclipse RCP技術(shù)簡(jiǎn)介

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）技術(shù)是臨床醫(yī)學(xué)最重要的診斷工具之一。除此之外，它還在物理、化學(xué)、生物等多個(gè)學(xué)科顯示出了廣闊的應(yīng)用前景[1]。近幾年來，我國的磁共振設(shè)備進(jìn)口量有所下降，然而在低場(chǎng)磁共振成像儀的市場(chǎng)上，國產(chǎn)產(chǎn)品大多數(shù)還是依靠國外技術(shù)，存在成像時(shí)間較長、圖像質(zhì)量較差等問題，與國外同類產(chǎn)品具有一定差距[2]。在軟件方面，國產(chǎn)產(chǎn)品也普遍存在界面不友好、用戶體驗(yàn)差、可擴(kuò)展性差等問題。

Eclipse RCP技術(shù)作為Java桌面應(yīng)用程序開發(fā)的優(yōu)秀代表，近年來越來越受到業(yè)界的青睞。本研究承擔(dān)了中科院裝備研制項(xiàng)目“0.5T磁共振關(guān)節(jié)成像儀的研制”的部分工作，負(fù)責(zé)開發(fā)與成像儀配套的控制和圖像處理軟件系統(tǒng)。

基于開放服務(wù)網(wǎng)關(guān)規(guī)范（Open Services Gateway Initiative，OSGi）構(gòu)建的Eclipse RCP技術(shù)近年來得到了十分廣泛的應(yīng)用。其插件體系內(nèi)置更新機(jī)制與標(biāo)準(zhǔn)化組件模型，可擴(kuò)展性強(qiáng)，使得通過Java開發(fā)桌面程序變得高效快捷。

1.1 Eclipse插件體系結(jié)構(gòu)

Eclipse插件是為系統(tǒng)提供功能的代碼或數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化包，可以以代碼庫（帶有公共應(yīng)用程序接口的Java類）、平臺(tái)擴(kuò)展甚至文檔的形式來提供功能[2]。Eclipse平臺(tái)自身就是基于插件體系的。每一個(gè)插件都可以使用其他插件提供的服務(wù)，也能夠?yàn)槠渌寮峁┓?wù)。

在Eclipse中是以插件的方式來添加需要的功能，需要盡量減少插件之間的依賴關(guān)系，Eclipse平臺(tái)提供了擴(kuò)展點(diǎn)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。當(dāng)開發(fā)者需要擴(kuò)展當(dāng)前插件的功能時(shí)，并不需要了解當(dāng)前插件的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式，只需按照擴(kuò)展點(diǎn)聲明的約定進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的配置即可實(shí)現(xiàn)功能上的擴(kuò)展，通過擴(kuò)展點(diǎn)將功能的定義與具體實(shí)現(xiàn)分離開來，在設(shè)計(jì)上變得更加的松耦合。

1.2 OSGi技術(shù)介紹

OSGi即開放服務(wù)網(wǎng)關(guān)協(xié)議，是基于Java的服務(wù)平臺(tái)規(guī)范。其本質(zhì)是將Java面向?qū)ο蟮拈_發(fā)轉(zhuǎn)化為面向組件和服務(wù)的開發(fā)，OSGi技術(shù)允許應(yīng)用程序提供更小的、可重復(fù)使用的和可協(xié)作的組件進(jìn)行構(gòu)建[3-4]。這些組件能夠組裝到應(yīng)用程序中，并動(dòng)態(tài)地進(jìn)行安裝、激活、取消激活、更新和卸載。

Eclipse實(shí)現(xiàn)了一個(gè)OSGi開源框架，即Equinox[4]。Equinox利用OSGi框架提供的對(duì)應(yīng)用動(dòng)態(tài)擴(kuò)展的支持[5]，實(shí)現(xiàn)了通過插件的添加來進(jìn)行動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，通過插件的刪除來移除不需要的功能，以及通過更新插件來動(dòng)態(tài)改變已有的部分功能。

由于采用OSGi框架，Eclipse平臺(tái)在啟動(dòng)時(shí)，并不加載所有的插件，而僅啟動(dòng)主程序，采用惰性加載的策略，僅保存安裝到平臺(tái)中的插件的引用信息，以實(shí)現(xiàn)按需有效的加載[5]。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件需求分析

軟件系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)如下功能：控制成像儀進(jìn)行采集圖像的操作；提供成像儀當(dāng)前的狀態(tài)信息；自定義脈沖序列并將設(shè)計(jì)結(jié)果保存下來；對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示；提供用戶操作權(quán)限的認(rèn)證和管理，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行；按各模塊要求完成插件化，實(shí)現(xiàn)即插即用的功能，并具有良好的可擴(kuò)展性。

2.2 軟件設(shè)計(jì)方案

根據(jù)跨平臺(tái)、可擴(kuò)展性、安全性、易用性、插件化的設(shè)計(jì)原則，軟件采用Eclipse RCP技術(shù)來開發(fā)，使用H2數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)相關(guān)的信息。H2是一個(gè)用Java開發(fā)的嵌入式數(shù)據(jù)庫，可隨應(yīng)用程序一起打包發(fā)布，應(yīng)用非常方便。

在開發(fā)RCP應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，可以將一組業(yè)務(wù)功能相關(guān)的視圖放置在同一個(gè)透視圖下，透視圖定義了工作臺(tái)中一組視圖和編輯區(qū)的初始布局，是為了完成一個(gè)特定的任務(wù)而組合在一起的多個(gè)視圖和編輯區(qū)[6]。根據(jù)這個(gè)思想，將整個(gè)軟件分為脈沖序列設(shè)計(jì)、儀器控制和數(shù)據(jù)處理3個(gè)透視圖，分別對(duì)應(yīng)脈沖序列設(shè)計(jì)模塊、儀器模塊和數(shù)據(jù)處理與顯示模塊。整個(gè)軟件系統(tǒng)的組成框圖，見圖1。其中，基本應(yīng)用模塊是整個(gè)軟件系統(tǒng)的主程序，負(fù)責(zé)系統(tǒng)內(nèi)模塊的交互及系統(tǒng)外其他模塊之間的交互。其他幾個(gè)模塊采用插件的形式，做到真正的即插即用、即拔即移。

基本應(yīng)用模塊提供整個(gè)軟件系統(tǒng)的基本框架，是整個(gè)軟件的主程序入口。儀器的當(dāng)前狀態(tài)信息在應(yīng)用程序下方的狀態(tài)欄中顯示，顯示的信息包括當(dāng)前登錄賬號(hào)名稱、當(dāng)前磁體溫度、軟件是否與成像儀已建立連接、當(dāng)前成像儀是否可用等。用戶管理模塊負(fù)責(zé)用戶權(quán)限的認(rèn)證和管理，從該模塊輸入的登錄信息需發(fā)送給基本應(yīng)用模塊。儀器模塊負(fù)責(zé)控制成像儀進(jìn)行圖像采集操作，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給基本應(yīng)用模塊，由數(shù)據(jù)處理與顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。脈沖序列設(shè)計(jì)模塊負(fù)責(zé)完成脈沖序列設(shè)計(jì)，并將結(jié)果以XML格式保存下來，供儀器模塊調(diào)用。數(shù)據(jù)處理與顯示模塊負(fù)責(zé)對(duì)DICOM圖像進(jìn)行顯示，對(duì)圖像進(jìn)行亮暗對(duì)比度調(diào)節(jié)、平移變換、放大縮小、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作[7]，還可將圖像以DICOM、JPEG、PNG、BMP、GIF等格式保存。

圖1 軟件系統(tǒng)整體組成框圖

（1）儀器模塊。儀器模塊的工作流程是：讀取設(shè)計(jì)好的脈沖序列文件并解析出對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)信息，轉(zhuǎn)換成需要發(fā)送的時(shí)序模板；提供面板供用戶配置時(shí)序參數(shù)，在用戶選擇好參數(shù)之后，按照一定規(guī)則將時(shí)序模板發(fā)送給儀器；接收儀器采集到的原始數(shù)據(jù)，使用相應(yīng)的圖像重建算法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的DICOM圖像，并將其發(fā)送給數(shù)據(jù)處理與顯示模塊。

（2）脈沖序列設(shè)計(jì)模塊。所有的MRI實(shí)驗(yàn)都是通過一系列的指令來完成的，這些指令就叫做脈沖序列。脈沖序列有著十分重要的作用，它控制著脈沖發(fā)射的時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間、脈沖的頻率、相鄰脈沖的時(shí)間間隔等重要信息。脈沖序列設(shè)計(jì)的好壞直接影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果，脈沖序列模塊應(yīng)具有界面簡(jiǎn)潔、可提供圖形化的編輯功能、操作簡(jiǎn)單、對(duì)用戶友好等特點(diǎn)。

脈沖序列設(shè)計(jì)模塊需要實(shí)現(xiàn)圖形化的編輯，故采用圖形化的模型框架（Graphical Modeling Framework，GMF）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。GMF是一個(gè)Eclipse建模項(xiàng)目的子項(xiàng)目，它結(jié)合了Eclipse建?？蚣芎蛨D形編輯框架，為基于模型的可視化圖形化編輯器的開發(fā)提供了一個(gè)功能強(qiáng)大的框架[8]。

（3）數(shù)據(jù)處理與顯示模塊。成像儀采集到的圖像以標(biāo)準(zhǔn)DICOM格式保存，DICOM是美國放射學(xué)會(huì)和美國電器制造商協(xié)會(huì)組織制定的用于醫(yī)學(xué)圖像存儲(chǔ)與通信的國際標(biāo)準(zhǔn)[9]。

數(shù)據(jù)處理與顯示模塊負(fù)責(zé)處理從成像儀采集到或從別處導(dǎo)入的DICOM圖像，并提供圖像顯示的功能；同時(shí)為了方便用戶查看圖像，還提供了放大縮小、亮暗對(duì)比度調(diào)節(jié)、平移變換、旋轉(zhuǎn)、鏡像等基本圖像后處理功能；另外，該模塊采用開源工具包dcm4che來實(shí)現(xiàn)對(duì)DICOM數(shù)據(jù)的讀取[10]，采用Draw2D技術(shù)來繪制圖像。

（4）用戶管理模塊。用戶管理模塊負(fù)責(zé)為軟件系統(tǒng)提供一個(gè)良好的用戶權(quán)限認(rèn)證和管理機(jī)制。該模塊主要由用戶登錄、用戶管理和退出登錄3部分組成。用戶登錄部分提供登錄對(duì)話框供用戶輸入賬戶信息，查詢數(shù)據(jù)庫獲得用戶對(duì)應(yīng)的權(quán)限等級(jí)，將信息發(fā)送給基本應(yīng)用模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載用戶對(duì)應(yīng)權(quán)限的功能等；用戶管理部分提供管理軟件系統(tǒng)的功能，包括添加用戶、修改密碼以及刪除用戶等；退出登錄部分供用戶退出登錄。

3 軟件測(cè)試

3.1 采樣操作

在自主研制的0.5T成像儀上進(jìn)行圖像采集實(shí)驗(yàn)，采樣界面圖，見圖2。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪撬?，采樣面是橫斷面。

圖2 采樣界面圖

3.2 脈沖序列設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的脈沖序列的圖形化界面圖，見圖3。軟件提供了脈沖序列編輯面板、脈沖元素面板、元素屬性視圖3部分，用戶可據(jù)此來設(shè)計(jì)所需的脈沖序列。此外，系統(tǒng)中有一些常用的脈沖序列文件，用戶可以選擇其中的任一文件來直接讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；也可以在此序列的基礎(chǔ)上，對(duì)原有序列進(jìn)行修改，以設(shè)計(jì)出各種想要的脈沖序列。

圖3 脈沖序列的圖形化界面圖

3.3 數(shù)據(jù)顯示與處理

軟件能夠?qū)霕?biāo)準(zhǔn)的DICOM圖像，讀取并顯示其中的病人信息，可以對(duì)DICOM圖像進(jìn)行亮暗對(duì)比度調(diào)節(jié)、平移變換、縮放、旋轉(zhuǎn)、鏡像等操作。支持將圖像以DICOM、JPEG、PNG、BMP、GIF格式保存。DICOM圖像處理界面圖，見圖4。

圖4 DICOM圖像處理界面圖

4 結(jié)論

磁共振成像儀中，與其配套的軟件是很重要的部分，軟件對(duì)用戶不夠友好或界面不美觀，會(huì)極大地影響整體產(chǎn)品的效果。本研究基于Eclipse RCP技術(shù)開發(fā)了與0.5T磁共振成像儀配套的控制和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)。測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的控制儀器進(jìn)行圖像采集操作的目的。此外，該系統(tǒng)還針對(duì)不同用戶建立了相應(yīng)的權(quán)限控制，確保軟件的安全性；具備較強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)DICOM圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫與存儲(chǔ)操作，并能正確地讀取與顯示DICOM圖像；便于維護(hù)，具有良好的可擴(kuò)展性，有待進(jìn)一步開發(fā)并向臨床推廣。

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Development of a 0.5T MRI Scanner Control and Data Processing Software Based on Eclipse RCP

CHEN Dong-shan, CHEN Zhi-wei
Department of Electronic Science, Fujian Key Laboratory of Plasma and Magnetic Resonance, Xiamen University, Xiamen Fujian 361005, China

MRI（Magnetic Resonance Imaging）technology is currently one of the most important tool for clinical diagnosis.In this paper, a 0.5T MRI scanner control and data processing software was developed based on Eclipse RCP.Written in Java, the software provides a good user experience and has strong expandability.It implements the control of the MRI instruments, supports the design of pulse sequence based on GUI and also provides powerful data processing functions.

magnetic resonance imaging；eclipse RCP；DICOM；imaging processing；pulse sequence design

R445；TP391.7

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.07.010

1674-1633（2015）07-0030-03

2015-04-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（81101037）。

陳志偉，副教授。

通訊作者郵箱：chenzhiwei@xmu.edu.cn