便携式超声多普勒血流图仪软件系统的设计与实现

便携式超声多普勒血流图仪软件系统的设计与实现 东北大学 硕士学位论文 便携式超声多普勒血流图仪软件系统的设计与实现 姓名:张柯欣 申请学位级别:硕士 专业:计算机应用技术 指导教师:刘纪红 20050101摘要 东北大学硕士学位论文 便携式超声多普勒血流图仪软件系统的设计与实现 摘要 超声多普勒技术在临床医学中的应用十分广泛,如对循环系统血液动力学信 息的获取,胎儿心率的测量等等。检测和量化人体各个血管中的血流状况是 超声 多普勒技术应用的一个主要方面。运动的红血球细胞散射的超声波束形成了 超声 多普勒血流信号,诊断信息就可由此信号中提取。 超声多普勒血流图仪应用已经比较广泛,但是一般都是医院中的大型诊断设 备,对小型移动医院或其它便携式检查应用都存在困难,因此实现小型、便携 式 超声多普勒血流图仪的临床应用是很有意义的工作。 本文在“便携式超声多普勒血流图仪研制”课组前期工作的基础上,主要 对其软件系统的实现做了相关的开发工作。本软件系统开发成功后,已经可以和 硬件部分结合成一个初步的便携式超声多普勒血流图仪。 本系统开发语言采用公司的,数据库采用公司 的。利用在数据库应用程序开发上的优势,开发了一 套灵活、高效的软件系统,实现了病例管理,数据获取、处理和显示以及主要医 学参数的提取功能,为设计出一个比较完善的整机系统做了各部分的集成。 本文介绍了便携式超声多普勒血流图仪的研究背景和本系统实现的功能及特 点。本系统在病例管理方面主要完成了病人信息的录入和修改,检查信息的录入, 还有具体血管血流的测量参数的存储以及以上这些数据的便捷查询。在数据采集 方面主要完成了获取硬件传递来的数据,进行处理后对相应血管血流速度进行声 谱图的绘制。另外在数据冻结后对声谱图进行测量和计算,获取相应的血流数据 和医学参数,为对病人的诊断提供依据。 本文为完成以上这些功能而进行了数据库系统的设计和程序设计。其中最主 要的设计包括:病例管理部分的数据库表和关系图的建立、通用查询技术的实现、 数据采集和医学参数计算的实现、声谱图的伪彩色编码的设计实现。这几项设计 均是本系统的关键,其中包括了功率谱数据的生成算法、伪彩色编码算法和医学 参数自动计算的实现。本文详细说明了每一个功能的实现里使用的大量设计和编 ???塞些垄兰塑主量堡垒墨 塑墨 程技巧,有一些通用的方法同样可以应用到其它系统的设计中,另外还对系统的 整体性能进行了评估。 多普勒血 关键词 超声血流图仪伪彩色编码血流速度三维血流速度显示 流图 病例管理 ???东北大学博士学位论文 ,. .. ’ . . ‘ ” ’ , .. . . ’ . . ’ ;. . . , , .、 . ,,. 东北大学博士学位论文,?独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果,也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与本文一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名:纵柯欣 日 期:卯夕.罗./. 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索、交流。 如作者和导师同意网上交流,请在下方签名;否则视为不同意。 学位论文作者签名: 导师签名: 签字日期: 签字日期:第一章引言 东北大学硕士学位论文 引言 第一章 .研究背景 ..医用超声仪器概论 超声波是近代发展起来的一门新兴技术,它已在医疗、电子、机械、化工、 轻工等各行各业被广泛地应用。同时,国内外对超声技术及其应用尤其是在医学 中的应用也在一直进行着更深入和广泛的研究。超、彩超的检查已经成为医学中 的~项常见检查“”,同时超声三维重建等新技术应用于这~领域“”呦““。 超声多普勒自上世纪年代后期首次应用于医学领域以来,逐步被广泛的应 用,并且已经成为很多疾病尤其是循环系统疾病诊断中不可缺少的工具,一般认为 超声多普勒包括频谱多普勒、彩色多普勒和组织多普勒“。随着现代医学的发展, 超声多普勒技术己被应用于获取心血管系统血流动力学信息,胎儿心率检测,超 声多普勒成像及一些脏器功能捡查等各个方面““川。其中,用于检测和量化心脏、 动脉和静脉中的血流状况是其应用的一个主要方面“?“。 血管内血流速度的测量,对心血管疾病及循环系统疾病的诊断具有一定的价 值。特别是对循环过程中供氧情况,闭锁能力,有无紊流,血管粥样硬化等均 能 提供有价值的诊断信息,而且多普勒超声检测安全性和方便性都较好。医学上使 用的其它血流检测手段如导管,照影等均为介入性检测,对患者来说,有一定的 危险。而多普勒超声检测是一种非介入、无放射性的检测手段,这就大大降低了 疾病诊断的危险性。 使用超声波照射血管时,血液中运动的红血球缎胞等散射的超声波束形成了 超声多普勒血流信号?,诊断信息就可由此信号中提取。由于动脉血流具有脉动 性,超声多酱勒血流信号的频移与直流的速度具有比例关系,对该信号的实时谱 分析能给出动脉中血流状况的估计。血管疾病会影响到血流信号的波形,从而使 超声多普勒血流信号时频分布的平均频奉或最大频率盐线发生变化。茏萁是当盘 管变得狭窄时,超声多普勒血流信号时频分布的平均频率和最大频率会随之增大, 而频带宽度将随之变宽。因此,对超声多普勒血流信号的频谱的准确估计对于诊东北大学硕士学位论文 引言 第一章 断血管疾病具有重要的意义““。 当一个观察者对波源发生相对运动时,他测量到的频率和波源的发射频率是 不一样的。如果波源和观察者相向运动,则测量到的频率高于发射频率:如果它 们背向运动,则测量到的频率低于反射频率。这就是波的“多普勒效应”。当超 声波照射运动物体时,由于多普勒效应,反射的超声波频率发生变化,其频移可 由下式得出: 只只一,/ ? 其中,和分别是发射和反射的超声波的频率,是目标物体的速度, 是声音在介质中的传播速度,是超声波束与物体运动方向的夹角。速度和超声 波发射频率只是已知的,因此有/。其中,为已知常数/ 。上式 表明,确定超声波束和运动方向的夹角口后,可以通过反射超声波与发射超声波 的频率变化来确定运动物体的速度。 用超声波照射血管中的血流,观察接收到超声波的频率变化,可以获取血流 速度信息。在研究中用到的超声多普勒血流信号就是是血液中红细胞散射的超声 波频移信号。由于血管中血流的速度在一个心动周期中不断变化,因此本文 得到 的超声多普勒血流信号实际上是非平稳的随机过程。但研究表明,该信号在短的 时间间隔内可以认为是平稳的,可以在短的时间间隔内用平稳信号分析方法对该 信号进行处理,连续地采集超声多普勒血流信号,并进行分析,最终就可以获得 相应心动周期内该信号的频率随时间变化的情况。进一步,所需的血流速度信息 可以从超声多普勒血流信号的时频分布中获得“?。 超声多普勒血流信号处理在过去的多年中一直被广泛的研究着,在科研、 手术前后‘和健康人数据搜集“中都已经成为一种常规手段。随着信号处理技术的 发展,将不同信号处理方法应用于多普勒血流信号的分析已成为众多研究中的一 个趋势?,同时三维超声心动图的研究也进入了临床实践吲九瑚“?”””“”。 ..超声多普勒血流图仪的原理 彩色多普勒超声检查是年代发展起来的一种新的检查技术,它既能显示二 维图象又能提供血流动力学信息,是一种非侵入性的快速检查方法,由于其无创、 形象、直观、简便、特异性高的独特优越性在临床诊断中得到了广泛的应用。多 普勒超声通过血流速度和血管管径的测量提供血流动力学信息“?。超声换能器的’ 东北走学硕士学位论又 第一章引言 断血管疾病具有重要的意义?。 当一个观察者对波源发生相对运动时,他测量到的频率和波源的发射频率是 不一样的。如果波源和观察者相向运动,则测量到的频率高于发射频率;如果它 们背向运动,则测量到的频率低于反射频率。这就是波的“多普勒效应”。当超 声波照射运动物体时,由于多普勒效应,反射的超声波频率发生变化,其频移可 由下式得出: ?,;/。 ? 其中,和分别是发射和反射的超声波的频率,是目标物体的速度, 是声音在介质中的传播速度,口是超声波束与物体运动方向的夹角。速度和超声 波发射频率只是已知的,囡此有磁/妤。其中,为已知常数晰,。上式 表明,确定超声波束和运动方向的夹角日后,可以通过反射超声波与发射超声波 的频率变化来确定运动物体的速度。 用超声波照射血管中的血流,观察接收到超声波的频率变化,可以获取血流 速度信息。在研究中用到的超声多普勒血流信号就是是血液中红细胞散射的超声 波频移信号。由于血管中血流的速度在一个心动周期中不断变化,因此本文得到 的超声多昔勒血流信号实际上是非平稳的随机过程。但研究表明,该信号在短的 时间间隔内可以认为是平稳的,可以在短的时问间隔内用平稳信号分析方法对该 信号进行处理,连续地采集超声多普勒血流信号,并进行分析,晟终就可以获得 相应心动周期内该信号的频率随时间变化的情况。进一步,所需的血流速度信息 可以从超声多瞢勒立流信号的时频分布中获得“”。 超声多普勒血流信号处理在过去的多年中一直被广泛的研究着,在科研、 手术前后“和健康人数据搜集“中都已经成为一种常规手段。随着信号处理技术的 发展,将不同信号处理方法应用于多普勒血流信号的分析已成为众多研究中的一 个趋势?’,同时三维超声心动尉的研究也进入了临床实践嘲凹“川捌州‘矧”邮”。 ..超声多普勒血流图仪的原理 彩色多普勒超声检查是年代发展起来的一种糯的检查技术,它既能显示二 维图象又能提供血流动力学信息,是一种非侵入性的快速检查方法,由于其无创、 形象、直观、简便、特异性高的独特优越性在临廉诊断中得到了广泛的应用。多 普勒超声通过血流速度和血管管径的测量提供血流动力学信息““。超声换能器的 普勒超声通过血流速度和血管管径的测量提供血流动力学信息“?。超声换能嚣的 。 查苎查堂堡主兰堡笙查. . 茎主型堇 不断发展和检测技术的进步已经使其成为最先进的诊疗手段之一【州”。 ...多酱勒血流显像的模式 目前,多普勒血流显像技术已有五种模式:连续多普勒 ,,脉冲多普勒 ,,彩色多普勒速度蛩 ,,彩色多普勒能量 ,,彩色多 普勒速度能量图 ,。 连续多普勒:连续多普勒是多普勒血流成像技术中最基本的一种。它的发 射换能器是由连续的正弦电压来激励的,在接收端,发射正弦电压的~部分与接 受信号混合在非线性器件如二极管内,以取得所需的多普勒频移信号。连续多普 勒可以测得很高的流速,但其获得峰值流速的定位区域是模糊的,因为,它没有 区分地将沿着采样线上所有的信号收集回来。 脉冲多普勒:在脉冲多普勒技术中,声波以脉冲形式发出,经散射体散射, 其回波中包含有脉冲信息,回波进入一个在指定时间才导通的门选放大器,该放 大器的导通时间窗选择的与自所需要距离的回波到达时刻相一致,称为距离选通 时间窗。改变时间窗在时间轴上的位置,就能显示不同距离深度血流流速的情况。 脉冲多普勒能精确获取采样点上的峰值流速,但受奈奎斯特定律的 限制,被测血流速度的高度收到限制。 脉冲多普勒在超声诊断上有很大的临床意义,应用这一技术就能确定血流的 边界,区分相邻血管的血流;另外,因为脉冲多普勒能够测定某一时刻血管截面 的流速分布以及截面积,所以就能较精确地测量某一时刻地流量。 彩色多普勒速度图:彩色多普勒速度图是脉冲多普勒技术与超成像技术 的结合,它显示采用自相关技术获得并处理的血流多普勒信息,经过彩色编码, 又组合和实时地叠加到二维灰阶图象上,得到采用范围内的平均血流速度。 其彩 色编码方式为双向。 彩色多普勒成像的基本原理是测算出血流中血细胞的动态信息,并根据血细 胞的移动方向、速度,调配以红、蓝色,变化其亮度,叠加在二维图象上。通常 将朝着探头方向流来的血流用红色表示,离探头远去的血流用蓝色表示,彩色的 深浅用来表示速度的大小,即流速越快血流色彩越明亮。当出现湍流时,血流方 向不一致,则以红蓝混合的杂乱彩色或以绿色表示,并根据血流紊乱程度来改变 其亮度。? 查垄主塑主茎堡笙圭 苎二主主 如前所述,彩色的亮度可以代表血流速度的快慢,但只能进行半定量分析, 彩色的灰度夸大和增强功能仅限于对低速血流,在尼奎斯特极限频率 勾的任何较高血流速度的灰度的饱和度并不改变。当血流速度很大,超 过尼奎斯特极限频率,将会出现色彩倒错,此时的血流颜色和亮度不再反映血流 的方向、速度及性质。 彩色多普勒能量图:此技术系在彩色多普勒速度成像方法的基础上作进一 步发展。彩色多普勒速度成像系将多普勒频移信号的振幅作彩色调制;而则 将多普勒频移信号的能量作彩色调制,能量可从振幅值的平方获得,因而其信噪 比与测试灵敏度大为提高,该技术的最大优点为其所显示的血流几乎与”声束一流向 ”夹角无关。垂直状态时亦能显示,因而可显示各种迂回曲折血管的整体分布;其 测试灵敏度在原来的彩色多普勒基础上提高倍,可用以发现瘤内细小血管。多 普勒能量图经常和其他血流显像技术联合用于医学诊断【。 彩色多普勒速度能量图:彩色多普勒速度能量图是在一个单一的扫 描方式中,综合了彩色多普勒速度图和彩色多普勒能量图的优势。 可在提供敏感度的同时也提供具有的血流平均流速和方向的信息, 从而使临床工作者能够节约时间和增加血流显像的敏感度。技术是多普勒血 流显像技术的创新。 ..,超声多普勒血流图显示原理 在对解剖结构和功能参数进行体绘制时,控制其颜色映射过程,将解剖结构 映射到灰度色系,将正向功能参数值映射到红色色彩空间,将反向功能参数值映 射到蓝色色彩空间,则此时解剖结构、正向功能参数和反向功能参数的颜色范围 分别为灰色到、红包到和蓝色到。然后将三个重建结果分别压 缩到一定的范围,再以解剖结构的灰色为基础,在红色通道上加正向功能参 数 重建结果的压缩值,在蓝色通道上加反向功能参数重建结果的压缩值。这样, 就可以将原解剖结构、正向功能参数和方向功能参数的重建结果融合到一幅图像 中显示,这也是在一般超声多普勒检查中经常看到的图像。 超声多普勒血流图仪对多普勒血流的解析信号进行谱分析,实时显示的血流 信号动态功率谱就是血流信号的声谱图。连续地对信号采样,计算机分时段计算 功率谱,就能得到不同时刻血流信号功率谱。描述一个随时间变化的血流信号功 率谱需要三维坐标系。 ‘‘东北大学硕士学位论文 第一章 引言 但是当本文在监视器上显示血流信号的动态功率谱时,是在一个二维平面上 显示三维信息,这时,横坐标代表时间,纵坐标本应是频率,但为了适应医生临 床使用而将功率谱值的大小采用伪彩色编码调制的方式来表示。这就是血流信号 的声谱图。 声谱图中包含血流的方向速度等多种信息。声谱图中在零频率上方的亮点表 示方向指向探头的正向血流;在零频率下方的亮点表示方向背离探头的反向血流。 血流的速度与多普勒频移有确定的对应关系如下: 厂. ~ 因此在许多仪器中,声谱图中的纵坐标不用频率来标定,而是用速度来标定。 此外,将声谱图冻结后经过简单的测量和计算还能从声谱图中获得血流的最 大流速、平均流速、加速度、脉动指数等对临床诊断有用的信息。 目前,血流分析系统用诊断时,一般的步骤是,先对血流多普勒信号进行频 谱分析获得信号的声谱图并予以显示,然后根据声谱图计算相应的诊断参数。在 早期,诊断参数的计算都是靠人工来完成,通常先利用超声诊断仪上配备的类似 电脑鼠标的”跟踪球”、光笔等设备由人工从冻结的声谱图上描绘声谱包络,然后人 为确定包络的特征点以计算声谱参数。,动周期的定位也可以利用同步心电图来 辅助。 目前的超声多普勒血流测量系统多能完成对血流速度、血压等多种信号的采 集和实时显示,自动计算出相应的血流动力学参数,提供给医生作诊断依据【?。 但这样的信息量对有效地预测、诊断某些严重疾病仍然显得不够。往往仅能提供 一个关于血流流量的估计值、平均值。而超声血流测量系统中若能动态测量定量 的血流量,将会对诊断和预报某些严重疾病如脑梗塞、脑血管狭窄、出血等脑血 管疾病有重大的意义【。因此,利用超声无损地动态定量测量血流量,将是对已 。 有的超声多普勒血流测量系统在功能上的一大改进,临床意义重大【 ..便携式超声多普勒血流图仪的具体构成 便携式超声多普勒血流图仪由超声多普勒探头、信号采集及处理硬件系统、 便携式微机组成。超声探头发射的超声信号经血管中的红细胞散射后发生频移, 由超声探头接受到并传送给硬件处理部分,经过滤波、变换和运算处理后,将功? 东北大学硕士学位论文 引言 第一章 率谱数据传送给微机,微机中的软件系统对这些数据进行存储和处理后显示在屏 幕上,同时可以进行各种医学参数的计算。软件系统同时对病人相关的数据和资 料进行管理,形成一个完整的诊疗系统。 .本系统主要内容 ..本软件系统实现的功能及特点 本系统由五个子模块组成:硬件通讯及控制模块、数据处理及分析模块、病 人信息管理模块、检查信息管理模块、医院管理系统接口模块见图.。 .一?~“一~‘一””髫 “ 式。 葭携式超声血流图磷嚣 软件系统 鬈 圈.系统组成图 . 它们各自的功能如下所述: 硬件通讯及控制子系统: 本系统主要完成与超声探头和硬件芯片板卡的通讯及控制,接收硬件采集到 的数据。通过调用底层的硬件驱动和 的使用,控制超声探头的 信号采集和信号传送接收。增强功能后可以调节频率和增益。东北大学硕士学位论文 第一章 引言 数据处理及分析子系统: 这一系统主要完成将采集到的频率数据转换为血流数据及伪彩色编码显示的 工作。分析系统可以对采集到的数据进行分析和测量,给出相应的医学参数。这 一部分包括两种算法设计,一是对采集数据的交换,利用伪彩色编码算法使其可 以利用图像表示出来,一种是标定声谱图特征点后,调用算法子函数进行医 学参 数的计算及评估。 检查信息管理子系统: 此系统主要完成处理后的医学参数规范化后存入检查结果数据库、将声谱图 作为检查结果的一部分存入数据库。对所有的检查数据可以查询和管理。 病人信息管理子系统: 此系统完成病人基本信息的录入,相应每次检查的结果关联。具有一定的分 析能力,可以辅助完成诊断书的生成。 医院管理系统接口: 这是可扩展的一个部分,包括系统的登录,系统的主界面和菜单,完成病人 检查的各个流程,包括医院信息的管理、医师管理、病例系统、收费管理等。 ..本软件系统与硬件的接口 完整的设计是硬件部分提供一个的动态链接库,可以调用里面的 函数来控制多普勒血流信号的采集和处理,由于这部分王作没有完全完成,现在 采用的方式是硬件采集数据并分析后将数据以文本文件的形式储存在微机内,而 软件系统通过读取文本数据来获得相关信息并加以处理。在加以限定和控制的情 况下,这一方法同样可以很好的解决数据采集的问题,而且其通用性也很好。 ..本软件系统关键技术及附加的特殊功能 本系统的软件设计采用了公司的简称开发平台, 利用了其功能强大的数据窗口技术,在数据库相关部分的开发及管理上有很大的 便利。在声谱图的图像显示方面,由于对图像编程的支持有限,但 是其数据窗口功能非常强大,试用了两种方式进行显示。一是利用三维数据图, 更形象的显示不同血流速度的强度。另外就是利用的函数进行图像? 东北大学硕士学位论文 第一章 引言 编程,较好的解决了伪彩色编码的问题。另外将医学参数与病人病例有机的联系 起来,增加了与医院管理系统的接口部分,便于将其直接挂接到医院的管理系统。 .本文结构 论文主要包括以下几个部分: 第一章引言部分主要介绍了便携式超声多普勒血流图仪的研究背景和本系统 实现的功能及特点。本系统在病例管理方面主要完成了病人信息的录入和修改, 检查信息的录入,还有具体血管血流的测量参数的存储以及以上这些数据的便捷 查询。在数据采集方面主要完成了获取硬件传递来的功率谱数据,进行处理后以 相应血管血流速度的形式进行声谱图的绘制。以及数据冻结后对声谱图进行 测量 和计算,获取相应的医学参数,为对病人的诊断提供依据。 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计主要介绍了为完成以上这些功能 而采用的设计思想。分为数据库系统的设计和程序设计两个部分。其中最主要的 设计第一项是病例管理部分的数据库表和关系图的建立,第二项是通用查询技术 的实现,第三项是数据采集和测量的实现,第四项是声谱图的伪彩色编码的设计 实现。这几项设计均是本系统的关键,有本文笔者的一些独特设计思想。 第三章超声血流图仪软件系统的实现具体介绍了各项设计的实施方法。笔者 在这一章里详细说明了每一个功能的实现里使用的大量设计和编程技巧.有一些 通用的方法同样可以应用到其它系统的设计中。另外在这一章结尾对本系统的整 体性能进行了评估, 论文的最后对本系统的设计加以总结和展望,提示了便携式超声多普勒血流 图仪下一步的开发工作。? 东北大学硕士学位论文 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 第二章 超声血流图仪软件系统的设计 .数据库系统的设计 ..数据库整体设计 整个系统使用了个数据库表,分别是员工表,检 查信息表’?血管类型表,病人信息表,系统维 护表,,?血管检测表,数据采 样表。 ..病例部分的数据库设计 冰黔 圈臻 糜擎哥 鋈 噍囹’.?口 圈篙蕊 口”一“ 鹜 图.病例部分数据库关系图.. 基本数据库关系图如图.,此设计在原来张表的基础上做了修改,现在 用个数据库表完成病人病例部分的设计表结构: . .表病人编号 病人姓名 ? 病人年龄 ? ‘‘东北大学硕士学位论文 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 病人性别邮政编码 量 病人住址 电话备注病人信息 札医院 / 医生 转诊医生 ...表 检查编号 ? 病人编号检查时问 备注 队 检查医生检查信息医院 转诊医生 ..表 编号 检查编号血管类别 检测值检测值 / 检测值 检测值检测值 检测值检测值 检测值东北大学硕士学位论文 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 图 ...表 就诊医院 ...表 血管类型血管名称 其中最基本的是病人基本信息表,存储一些病人当前的信息,而一个病人可 以对应检查表中的多次检查。而每次检查又可以对应多个检测的血管。 ..血流测量及计算部分的数据库设计 表数据编号值 ? 频率值速度值 时间值纵轴序号 .程序设计 ..开发平台技术 为提高整个系统的开发效率,系统的前台使用公司的来 开发。 ...开发平台的特点 在数据库应用系统的前端开发中,有许多工其,如公司的 , 以及公司的等.其中简 称是一种可视化的、面向对象的快速应用开发工具,其特点是可以使开发人 员 工作速度更快、成本更低、质量更高、功能更强,是集成强大并易于使用的 第四 代编程语言。它通过一个数据库登录文件可以方便联结后台的数据库,具有一 个智能型的数据窗对象,可以很方便地对后台数据库进行操作。采用面向对 象技术,将所有的事件、控制、函数和程序以对象的方式进行封装并为软件开发东北大学硕士学位论文 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 人员提供了一个集成的开发环境,大大加快了应用软件的开发进程。利用它可以 开发数据库应用系统的前端客户程序,与后台数据库协同工作,构成客户机/服务 器工作方式。由于具有上述特点,在数据库应用系统的前端开发中广泛地被人 们采用。 ... 开发数据库应用系统的流程 数据库应用系统开发的传统思路是“流程控制”,即给程序预先定义了运行路 径,因此需要开发人员编写大量的程序代码去控制程序的流程.而的开发思路 是“事件驱动”,在编程中没有预先定义的运行流程,因而无须复杂的编程便能迅速 简便地建立数据库应用.提供了大量的对象窗口、数据窗口、按钮等,并规 定了在特定对象上可以发生的事件如鼠标单击或双击对象、数据更新等,以及事 件发生后处理程序即对这些动作的应答所用的语言和函数。因此, 使用开发数据库应用的本质是:定义对象,如窗口、窗口上的控件、菜单;定 义对象上某个动作发生后的相应处理即事件处理程序或脚本程序。概括地说,使 用开发数据库应用系统主要分为两个阶段工作。 系统设计阶段:这个阶段最重要的内容是数据库设计,它是开发应用系 统的核心问题之一.数据库设计主要是指数据库结构的设计,这是数据库应用系 统开发过程中首要的、基本的内容,对于关系型数据库,用户的所有数据以及这 些数据之间的关系都是借助于数据表关系这种形式得以保存的。为了保证数据库 数据的整体性、完整性和共享性,构造最优的数据库模式,在数据库设计过程中 应遵循一定的步骤执行。 原型开发阶段:利用开发应用快速的特点,先比较粗糙地 开发出原型系统,经不断修改完善,并确认系统运行无误后,再美化用户界面, 最终完成整个数据库应用系统的开发。很多情况下利用数据窗口技术实现 与数据库之间的操作。数据窗口包括数据对象和数据窗口控件,数据 窗口对象主要用于显示从数据库中检索出来的数据并且允许用户通过这个数据窗 口对象对数据库中的数据进行增、删、改和插入等操作;数据窗口控件则类似一 个容器,是把数据窗口对象放置到窗口上并呈现给用户;数据窗口对象又包括数 据窗口中的数据和数据窗口中数据显示风格两部分,在原型开发阶段定义数据窗 口对象时,首先对数据窗口中的数据、数据的显示风格作了定义,而对数据显示 的细化工作暂予以省略,直到开发后期经过多次调试系统运行无误,能完成? 东北大学硕士学位论文 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 预定的功能后,再重新对所有数据窗口对象中数据显示格式加以细化、美化,以 符合用户界面的需要,这样做既省时又省力的完成熬个开发。 , 应用程序开发中的技术关键: 使用开发数据库应用系统,要了解一个重要的对象.事物对象 ,它在应用程序中具有非常重要的地位,任何对数据库的访问都是通过 事务对象实现的。事务对象是一个特殊的非可视化的对象,它的作用是在的 数 据库连接中为程序与数据库的通信提供一个通信区。 在应用程序访问数据库之前,必须首先创建一个事务对象,并把与数据库 连接所需的参数赋给这个事务对象的相应属性,然后再通过这个事务对象与数据 库连接,完成所需的数据库操作。另外,在事务对象中还可以获得最近一次数据 库操纵命令的执行情况状态信息,利用此信息可以作为进行其他操作判断的依据。 在提供的程序语言中有四个事务管理语句:、、 、。在用开发数据库应用系统的前端客户程序时, 对数据库的访问大多是通过自动创建的一个名为的默认全局事务对象 来实现对数据库的访问,由于一个事务对象只能为一个数据库提供连接服务,因 此当需要同时操作多个数据库时,必须创建多个事务对象实现与多数据库的连接。 ..整体设计 系统的业务流程见图.为检查医生凭用户名和口令登录系统,进入后先 录入病人检测信息再录入本次检测信息,如果是复诊病人则直接输入编号,开始 一个新的检测。进入数据检测窗口。先选择检测的血管,然后将超声探头置于相 应的血管处,开始采集数据,待数据平稳并采集满整个计算窗后可以停止采集, 此时数据自动冻结等待计算。医生根据采集的图像确定几个测量点的位置后,系 统自动将相应的值算出并填入右侧的结果部分,医生此时仍可修改测量点的位置, 数值将根据医生的改动而改变。医生确定无误后可以点击保存键即将这组数据存 入数据库,同时可以选择开始下一个血管的检测或进入管理界面。 管理界面中医生可以添加血管类型,察看病人本次及以往各个血管检测数据, 填写和修改诊断意见。? 东北大学硕士学位论文 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 查询界面中医生可以查找不同病人在不同时期的检查结果及数据,还可以看 到检查时的血流图。对病人某个血管不同时间的流速变化以图表的形式进行观察。 图.系统流程图 .. ..病例管理部分的设计 病例管理是软件系统中的重要组成部分,包括病人基本信息的录入和修改, 检查信息的录入和修改以及医学参数的查询检索。其设计流程如下:? 东北犬学硕士学位论文 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 图.病例管理流程图.. 粗 ..与硬件接口部分的设计 在目前实验系统中,硬件处理是每 微秒采集一个数据,连续采集个 点作为一个处理时刻,先进行变换,再正交变换,得到的功率谱值储存在系 统根目录下的.中。所以现在获取数据的方式是:每隔一段时间足够获取 个数据打开.文件,连续读取个数据,从而得到相应时刻的功率谱 数据,然后再继续读取下一时刻的后个数据。在采集停止后,这些数据均存入 了测量数据库内,清空.文件,等待下一次采集数据。 ..数据采集及测量部分的设计 数据采集进来后,先存入测量数据库表内。首先进行单位换算,算出声谱图 的显示数据,把硬件系统传来的数据填入对应的时刻和频率值。然后进行伪 彩色 编码显示声谱图。当医生手工确定个测量点后,把对应点的数值求出,再计 算? 东北大学硕士学位论文 章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 出对应的医学参数,填入血管测量表中。 本文为完成从功率值到对应颜色空间的计算设计了以下算法: 一’ 七 ,, 船四?:脚麓 ?芸 式中?表示映射到颜色空间的功率值, /表示映射前的血流功率 值,表示系统可表示的最大功率值,表示相应的血流速度,批表示 颜色空间内的的颜色值,经如上算法变换后,功率值就可以用一个离散化的颜色 值表示了。 ..伪彩色编码的设计 伪彩色编码要把三维的声谱图用二维的方式表现出来,横轴对应时间轴,纵 轴对应频移或血流速度成比例关系。而不同血流速度的能量一般代表具有这 一血流速度的红细胞的数量的多少用红色和蓝色的色度表示。红色代表血流朝 向超声探头,而蓝色代表血流背向超声探头】。 在进行声谱图的伪彩色编码时,要根据数据库表内存储的采样数据调用伪彩 色编码算法进行编码计算。在一般超声设备中这部分工作由硬件电路完成,而且 其完成具体过程也很少有提及,本文根据声谱图的原理独立设计了一种实用的编 码算法,其算法公式如下: . 心,?匕。篡 每每时刻利用此算法进行一个新的绘制计算,式中表示血流速度值, 表示轴的时间坐标,总时长为,?【表示此一时刻经归~化后映射到颜色 空间的随血流速度变化的功率强度, 少,表示此时刻对应时间,血流速度 的数据点颜色值。由于采样时刻是离散的,所以此算法是一个离散处理的公 式。 得到计算后的位图数据后,本文还要进行位图的绘制和处理,作为一种 /和数据库前端用户界面开发工具,其重点是如何在用户界面上实 现业务逻辑和数据管理,它没有提供对位图的底层操作。但本文可以借助 系统提供的函数弥补这一缺陷。? 东北大学硕士学位论文 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 的调用是通过声明外部函数和调用外部函数来实现的。 有两种类型的外部函数:全局外部函数和局部外部函数。其声明 方式根据代码块形式函数或予程序的不同有下面两种格式: 血,?, 。 ” 加 一., “ ” 其中,声明仅对局部外部函数有效,它指定了函数或于程序的三种访问 特权:、和,其缺省值为。必须是一 种支持的数据类型,而且要与外部函数返回的数据类型匹配, 是函数或子程序的名字,与出现在动态连接库文件中的相同。表示变量传递 为引用方式。为数据类型和变量名。是存储函数的动态连接库。 为别名。 若要访问局部外部函数,必须在外部函数名前放置带有点标记的对象名,如: ,阳。若要访问全局外部函数,则直接调用即 可。 从结构上讲,图形文件分为两种,即位图和矢量图。在位图中,图像由许多 的屏幕小点本文通常说的像素组成,这些小点对应显存中的“位”,而就是 这些“位”决定了像素的图形属性,如像素的颜色、灰度、明暗对比度等。当一 个像素所占的位数多时,它所能表现的颜色就更多、更丰富,从整体上看图像 的色彩就更艳丽,分辨率就更高。 另外一种图形格式是矢量图。顾名思义,矢量图就是用矢量代替位图中的 “位”。简单说来,矢量图不再给图的全部像素作统一的标记,而是用矢量给图 的几何部分作标记。可以说矢量图的优点是很多的,能无限放大、缩小而不失真; 不需要将图像每一点的状态记录下来,因而比相同质量和大小的位图占用的空间 少得多。 本系统对能量谱图的显示首先要在窗体上给出~个绘图区域,这是通过在窗 体中绘制一个图像控件实现的。接着就是综合运用位图和矢量图技术绘制一个显 示的底图,主要包括坐标横轴和纵轴,以及设定好图像的大小。位图大小为? 东北大学硕士学位论文 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 像素,横轴代表时刻,纵轴代表血流速度。坐标轴用矢量工具绘出,数据的显示 用位图函数做处理。 图像生成后,为了使用户随对可以看到直观的数据,本文对这些图像文件的存 取、预览方式在开发中也做了考虑。 对二进制信息的存储可以采用以下三种方法: 方法一:文件保存在固定的路径下,可以在数据库中存取文件路径和名称。 方法二:数据库中用类型或者类型字段存储。 方法三:在本地用的存储结构存储备注文件。 对比以上几个方法,可以看出它们的特点: 方法一:文件保存在固定的路径下,数据库中存取文件路径和名称可以节省数 据空间,避免了数据库过分膨胀,但文件必须在一定的目录下,不能丢失,且同 一目录下文件不能重名,对文件的管理造成一定的困难,另外,在控件中浏 览显示文件时,由于每次都要调用服务器程序,所以速度较慢。 方法二:在数据库中用类型或者类型字段存储备注文件,当文 件存储在数据库中以后,就可以删除硬盘上原来的临时文件,不需要复杂的二进 制文件管理,且数据库可以存储在网络服务器上,对数据的共享非常方便。 方法三:在本地用存储结构存储备注文件。可以把所有的二进制文件信 息存储在一个存储文件中,管理比较方便。当二进制文件信息存储后,可以 删除原来的临时文件;因为打开存储文件后不需要每次执行服务器程序来显示存 储信息,所以存取速度较快。 在中,没有直接的方法将文件读入内存并显示或写入到数 据库中。但支持二进制文件的读写操作,可将文件整个读入 类型的变量中来实现。 本文中采用了这一方法进行图像文件的处理。 ..数据查询部分的设计 数据查询是管理信息系统的主要功能,其通用性程度与使用是否方便,直接 关系到数据库应用系统开发的成败.因此,各类数据库开发工具都提供多种查询 方式,然而现有方式要么查询条件单一,要么界面不够友好,设计一个界面友好 通用的查询程序几乎是所有数据库应用系统的共同需要。利用数据窗口技术操作 的一大特色,大多数情况下,数据窗口对象是根据用户需要 数据是? 东北大学硕士学位论文 第二章超声多普勒血流图仪软件系统的设计 定制的,然而从某种意义上讲用户的需要是随机的,采用定制大量的数据窗 对 象以适应用户不断变化的需求的办法显然是不恰当的,这也要求开发具有通用性 的程序。 计算机管理软件的主要功能之一为信息查询,在软件开发中查询设计的工作 量较大,尤其是在管理信息系统的开发中,对于大多数软件其查询部分设计的好 坏直接影响整个软件的设计质量。目前,?通用的查询构件已有不少讨论,其 设计基本上是要求用户选择数据库名、查询表名、查询字段名,然后根据用户进 一步的条件选择,生成查询表达式,从而得到查询结果。这种查询非常灵活,但 是要求用户对软件的数据库结构有一定程度的了解,这往往成为用户使用查询系 统的障碍。从实际效果来看,用户一般并不喜欢这种查询方式,希望有更直观、 方便的查询。 在设计本系统时,作者通过综合利用数据窗口技术和软件复用技术,设计出 一个通用的查询窗口,可以对不同的数据窗口进行任意字段的精确和模糊查询。 这样就大大方便了用户。 排序是数据处理中经常使用的一种重要运算。所谓排序就是将记录按排序码 递增或递减的次序排列起来。排序的方法很多,应用也很广泛,按所使用的策略 不同,排序方法可以分为五种:插入排序、选择排序、交换排序、分配排序和归 并排序。插入排序分为直接插入排序、二分法插入排序、表插入排序等;。选择摊 序分为:直接选择排序、树形选择排序和堆排序;交换排序分为:起泡排序和快 速排序。 在中有现成的对数据窗口对象排序的工具,但是需要对不同的数据窗口对 象分别编码实现。为了实现最小限度的编程,作者在设计排序功能时利用了数据 窗口的列属性和其他的属性函数,使数据窗口的各个列名在窗体显示时自动显示 在一个下拉列表中,这样就实现了不需额外的编码,可以对数据进行多重排序的 功能。? 东北大学硕士荦位论丈 第三章超声血流图仪软件系统的实现 第三章超声血流图仪软件系统的实现 .数据库部分的实现 在..小节数据库整体设计中我们介绍了整个系统使用了个数据库表,下 面我们以表图的形式介绍其中个主要数据库表的设计实现。 图. 数据表 .. 图. 数据表..? 东北大学硕士学位论文 第三章超声血流图仪软件系统的实现 图. 数据表 .. 图. 数据表 .. 图. 数据表 ..东北大学硕士学位论文 第三章超声血流图仪软件系统的实现 .病例录入部分的实现 ..系统登录模块 这部分完成的是检查人员的系统登录,在系统使用前由管理员在员工管理中录 入可以操作本系统的员工姓名及编号。程序开始运行后,首先弹出下面的登录界面, 光标焦点在员工编号处,输入正确的编号回车后光标自动跳转到密码栏否则将直接 退出,输入正确的密码并回车系统将进入程序主界面。否则将提示警告信息,要求 重新录入密码。 图.系统登录窗口 .. ’ 这一模块的实现方法如下: 首先在窗体设计时隐藏一个数据窗口,里面内嵌数据窗口对象。 其数据源为数据库里面的员工表,为员工登录时验证员工编号和密码提供数 据。 在窗口打开时激活窗体的事件,在这一事件里完成以下功能: 通过判断当前系统的屏幕设置,调整本窗体的位置,使在不同的系统运 行时保证窗体在屏幕的正中。相应代码如下:? 东北大学硕士学位论文 第三章超声血流图仪软件系统的实现 设置数据窗口的事物对象为,从数据窗口取得数据,将员工表的数 据读入数据窗口 中。 输入焦点移到员工编号录入处,使用户可以直接录入。 由于用户输入编号和密码都是键盘事件,所以在事件里编写代码处理用 户输入的编号和密码。 这一部分是当用户输入后回车时判断用户输入的编号和密码是否在数据窗 口 中有对应的纪录,如果有则关闭登录窗体并打开系统主窗体,否则给 出错误信息或退出。 在用户有效时,同时要将员工编号和权限赋予全局变量用在后面的操作中, 同时对非管理员用户隐藏主窗体中的“系统管理”菜单项。 ..主界面 图.为主界面窗口,主要分为信息输入、信息查询、检测、更改密码和帮 图.系统主界面 .. ’? 东北大学硕士学位论文 第三章超声血流图仪软件系统的实现 助几个部分,不是管理员登录的话将看不到系统管理这一项。 主界面左侧有几个快捷图标:病人信息、检查信息、开始检测、结果查询、 系统设置,用户可以点击这几个图标或按下相应的快捷键进入系统。快捷键 的设 置是通过在相应菜单栏的属性中加入希望的快捷键名称而实现的。 主界面的右侧是一个图像控件,里面放一个背景位图,这个背景图在程序运 行时可以通过修改相应的文件名来替换为其它图片。 ..病人信息录入模块 首先要生成病人信息数据窗口,利用的快速生成工具,选择 类型,生成一个初始数据窗对象的 由于数据库中的字段都是英文,所以生成的数据窗的标签也都是英文,要面 对国内的用户,应该将标签用中文显示出来。有两种办法可以实现这一要求: 一 是在生成的 中修改相应的标签,二是在的数据库设计界面内将对应 数据库表的对应数据项的和项都改为中文说明。不过第二种方法在 生成一个数据库表对应的多个数据窗口对象时不用每次都修改其标签,因此 其效 率更高,本系统在设计库设计时,都采用了这一。这时生成的如图 .。 这个数据窗口在生成时各字段是按字节长度显示的,需要调整一下显示形式 和做对齐处理。调整后如图.。 在事件中主要完成新病人录入的初始化病人编号,窗口的居中处理,录 入顺序的处理,以及一些初始值的赋值及显示。其中录入部分通过事件和数 据窗口的事件的配合,可以完成用户录入一项后回车即进入下一项,如 果所有项都录入后自动保存数据的功能。 这一模块的实现方法如下: 首先在窗体设计时在中间放置一个数据窗口,里面内嵌数据窗口对象 。其数据源为数据库里面的表,为录入病人数据提供载体和接口。 然后当窗口打开时激活窗体的事件,在这一事件里完成以下功能: 通过判断当前系统的屏幕设置,调整本窗体的位置,使在不同的系统运 行时保证窗体在屏幕的正中。 从中读取最后一位病人编号,加后准备赋予新病人编号。 如图.。东北大学硕士学位论文 第三章超声血流图仪软件系统的实现 为实现用户数据回车自动跳转到下一个输入项,定义并初始化数组。 图. 的初始数据窗口 ..图. 改动后的数据窗口 .东北大学硕士学位论文 第三章超声血流图仪软件系统的实现 图.新病人录入窗口 ..,将各输入项的列名赋予这一数组。 数据窗口插入一个新行,将数据窗口的焦点移到这一行。 将新病人编号赋予病人编号这一项。 这时用户可以看到一个新病人录入的界面,并且其编号已经输入完见图 。 .。 由于用户每输入一项数据后都按下回车键,因此在数据窗体的事件 编写代码处理输入项的自动跳转。这段代码在每按一次回车时都会进行判断, 如 果到了最后一项则直接激活确定按钮保存数据,否则就改变数据窗口的输入 项, 即改变输入焦点。这样就很好的解决了用户输入的习惯性问题,可以减少用 户来 回切换鼠标和键盘的次数。 确定按钮用于保存输入的数据,当按下此按钮,程序判断数据窗口的更新是 否有效,如果有效则把新病人编号存入表以备下次使用,同时发出 指令,这时数据窗口里的数据会自动更新到数据库,不再需要编写语句,这 也是的一个特点,可以减少代码的编写和维护量。? 东北大学硕士学位论文 第三章超声血流图仪软件系统的实现 ..检查信息录入模块 首先要生成检查信息数据窗口,利用的快速生成工具,选择 类型,生成一个初始数据窗对象的,采用和上面类似的办法成成最后的 数据窗如图.。用类似的方法生成 , 数据窗口。 图. 数据窗口的设计 ..? 东北大学硕士学 第三章超声血流图仪软件系统的实现 图.新检查录入窗口 .. 在事件中主要完成新检查录入的一些初始化工作,窗口的居中处理,录 入顺序的处理,以及一些初始值的赋值及显示。这个窗口和病人录入窗口相 比, 一是需要在检查时间中直接显示当前时间,还有就是检查医生、医院、病人 编号 和转诊医生几个项目都采用了下拉数据窗口技术。输入医院时调用了 据窗口,这样用户在下拉列表中看到的是医院数据表中的数据,选择某一项 后, 填入的也是对应的数据,这样就可以不编写代码而达到保持数据库表之间的 关联。 检查医生、转诊医生调用了数据窗口中的列,病人编号调用 的是 这一模块的实现方法如下: 。 在窗体设计时在中间放置一个数据窗口,里面内嵌数据窗口对象 其数据源为数据库里面的表,为录入检查信息提供载体和接口。 当窗口打开时激活窗体的事件,在这一事件里完成以下功能: 通过判断当前系统的屏幕设置,调整本窗体的位置,使在不同的系统运 行时保证窗体在屏幕的正中。相应代码如下:? 数据窗口,其显示列为病人姓名,而数据列则为病人编号。 数东北大学硕士学位论文 第三章超声血流图仪软件系统的实现 从中读取最后一次检查编号,加后准备赋予新检查编号。 为实现用户数据回车自动跳转到下一个输入项,定义并初始化数组 ,将各输入项的列名赋予这一数组。 数据窗口插入一个新行,将数据窗口的焦点移到这一行。 将新检查编号赋予病人编号这一项。 这时用户可以看到一个新检查录入的