低场磁共振成像装置软件系统开发

摘要

太空中的微重力、辐射等复杂环境会对航天员的生理和心理造成不良的影响。核磁共振成像技术（MRI）作为一种先进的现代医疗检查手段，与传统的医疗成像手段相比，具有无创伤、无辐射、软组织对比度高、任意角度、多层面成像的优点，在航天员选拔及后续的医疗保障中具有重要的作用。MRI 依赖于射频线圈、梯度线圈、谱仪及计算机等组成的硬件设备，由运行于计算机系统上的应用软件控制整个装置的运行。目前，成熟的核磁共振软件大都与硬件设备配套使用，企业出于商业保密的考虑，并不会公开应用软件的具体情况。本文在重庆大学“低场磁共振成像仪”的基础上，进行MRI装置软件平台开发相关的工作。　　本文开发了一套磁共振成像装置软件系统。按照典型“瀑布模型”软件开发流程，首先对MRI装置的业务流程进行了分析，明确了软件系统的功能需求和非功能需求，并给出了系统的用例图。在需求分析的基础上进行了软件的架构设计，该软件的架构基于MVC架构，分为表示、操作和数据三层，其中表示层负责界面的前端展示，操作层处理用户的请求，数据层对软件系统的数据进行封装，并向操作层开发相应的接口。按照面向对象的开发思想和高内聚、低耦合的原则，将整个软件分为信息管理、参数管理、扫描控制和数据处理四个功能模块，并对各功能模块进行独立编码实现各自的功能，重点研究了序列管理功能、扫描控制功能、图像重建功能的机制及实现过程。　　低场磁共振图像受背景噪声影响较大，图像信噪比较低及图像边缘较模糊，但传统的图像去噪方法是一个平滑的过程，噪声去除与边缘细节的保留之间存在着矛盾，本文进行了低场MRI图像去噪方法的研究。首先分析了MRI图像噪声产生原因及MRI图像噪声的统计分布特点，在此基础上，进行了MRI图像去噪方法的研究，分别应用PM去噪模型、TV去噪模型、NLM去噪模型及BM3D去噪模型对低场T1W图和BrainWeb数据集T2W图进行去噪，分析各模型优缺点，并基于邻域方差加权对TV模型的正则性进行了改进，随后对改进后模型的去噪性能和在不同方差水平干扰下的鲁棒性进行了验证，结果显示本文改进的TV模型能在一定程度上提高去噪效果。　　最后，开发了图形用户界面并集成了相关功能，并在重庆大学“低场磁共振成像仪”上进行了验证。软件主界面布局充分考虑了易用性方面的因素，将各功能按使用频率和关联度进行分区，简化了软件的操作。本文还对软件系统的各功能进行了测试，将软件的输出与预期进行对比，测试结果表明，软件整体功能合格，能基本满足重庆大学“低场磁共振成像仪”的使用要求。

目录

1 绪 论

1.1 课题背景

1.2 MRI装置软件平台国内外现状

1.3 研究内容

1.4 论文结构

2 低场MRI装置简介

2.1 MRI工作原理

2.1.1 自旋与核磁共振现象

2.1.2 弛豫时间

2.2.1 空间编码

2.2.2 T1加权和T2加权

2.3.1 总体结构

2.3.2 谱仪系统

2.3.3 计算机系统

2.4 本章小结

3 低场MRI装置软件系统总体设计及实现

3.1.1 需求分析概述

3.1.2 功能性需求

3.1.3 非功能性需求

3.2.1 基于MVC的软件架构

3.2.2 软件模块结构设计

3.3 软件关键模块功能及其实现

3.3.1 序列管理模块

3.3.2 扫描控制模块

3.3.3 数据处理模块

3.4.1 Python编程语言

3.4.2 GUI开发框架—PyQt

3.4.3 多线程技术

3.5 本章小结

4 低场核磁共振图像去噪方法研究

4.1 引言

4.2.1 核磁共振图像的噪声分布特点

4.2.2 图像去噪效果评价

4.3.1 基于邻域方差加权改进的TV模型

4.3.2 核磁共振图像去噪实验

4.4 本章小结

5 低场MRI装置软件系统用户界面及功能测试

5.1 软件系统开发及运行环境简介

5.2 界面整体布局

5.3.1 基本功能测试

5.3.2 参数管理功能测试

5.4 扫描控制功能测试

5.5 数据处理功能测试

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来展望

参考文献

附录

A.学位论文数据集

致谢