1、 本 科 毕 业 论 文 NMR（核磁共振）谱仪控制软件 -基于 XML 的数据管理模块的实现与设计 Implementation and Design on the XML-based Management Model of NMR Software 姓 名： 学 号： 学 院：软件学院 系：软件工程 专 业：软件工 程 年 级： 指导教师： 年 月 摘 要 核磁共振（ Nuclear Magnetic Resonance， NMR）技术广泛应用于科研、教育、生产、卫生以及人类生活的各个领域，并发挥着越来越重要的作用，其研究和生产受到了国家的高度重视。本论文的研究是以厦门大学与与中国科学武汉
2、物理与数学研究所的共同承担的课题“ 300MHz-500MHz 核磁共振波谱仪的研制”为总体背景。厦门大学软件学院负责的 NMR 核磁共振仪器控制软件已开发到了一 个相当成熟的阶段，本文将选取其中一部分 -数据参数模块作为研究的重点。 核磁共振仪器控制软件的数据组成是多样化的。有 FID，谱数据图，脉冲序列，参数，标注。其中的标注又可以分为文字，注脚，圆形，椭圆形等。而且不同核磁共振软件对于同种数据的定义也是不同的，目前市面上的核磁共振软件是不允许数据共享的。怎样设计一个良好的数据处理模块是提高核磁共振软件性能和实现不同软件间数据通用的关键。 为了实现这个目标，本文先从总体项目背景，框架设计和
3、数据组成进行了详细深入的了解，分析现行数据管理模块可能存在的缺陷。接着 讨论了为各种数据建立了基于 XML 的数据模版的可能性，并予以实现。在此基础上，又对现行流行的 XML 解析器进行比对，选取了性能优越又较容易实现的 SAX 解析器作为此模块的数据解析器。另外由于仪器控制软件需要通讯模块传输，为了保证通讯过程中数据的安全性和完整性，最后还探讨了 XML 数据签名技术。 本文还简单介绍了核磁共振技术的几个关键概念，主流应用和实际项目中的开发环境。 关键词 ： 核磁共振 ；基于 XML； 数据存储；解析；签名 Abstract NMR (Nuclear Magnetic Resonance,
4、NMR) technology is widely used in scientific research, education, production, health and all areas of human life. NMR is playing an increasingly important role in the research and production by the nations attention. In this paper, the research was based on the subject of “300MHz-500MHz NMR Spectrom
5、eter Development“ which is charged by Xiamen University and Wuhan and the China Science Institute of Physics and Mathematics. Software School of Xiamen University in charge of the NMR nuclear magnetic resonance instrument control software has been developed to a very advanced stage, the paper part o
6、f the selected data parameters - as the focus of the study module. The data of Nuclear magnetic resonance instrument control software is various. There are FID, spectral data map, pulse sequence, parameters, Mark. Also mark which can be divided into text, footnotes, round, oval and so on. And differ
7、ent kinds of NMR software for the same definition of data are different. How to design a good data-processing module is a common key. to improve the performance of NMR software and data transform between different software The main purpose of this paper is to address the question of how to efficient
8、 the management of data and strengthen data security. In order to achieve this goal, this article in-depth understand on the background of the overall project, design and data framework .First of all, finish all the template of the variety of data which based on the xml, the specific way of comparis
9、on xml data file storage methods used. On this basis, use the sax parser module to read the data file and pass the data to the system. Because the instrument control software need to transfer the data on the communication module, in order to ensure data security and integrity, the project also reali
10、ze the signature of the XML data. This article also briefly introduced a number concepts of nuclear magnetic resonance technology, the major projects of the application and the actual development environment. Key words: Nuclear magnetic resonance; based on XML; data storage; Analysis; Signed 目录 第一章
11、绪论 . 1 1.1 什么是核磁共振 . 1 1.2 核磁共振的技术历史 . 1 1.3 核磁共振原理 . 2 1.4 核磁共振主要三方面的应用 . 2 1.5 核 磁共振谱仪的发展概况 . 3 1.6 研究目标与意义 . 4 1.7 本文框架 . 4 第二章 系统开发环境 . 5 2.1 Eclipse 开发平台 . 5 2.1.1 Eclipse 简介 . 5 2.1.1 Eclipse 平台架构 . 6 2.2 AltovaXMLSpy 介绍 . 7 2.3 其他 . 9 2.4 本章小结 . 9 第三章 核磁共振谱仪软件总体设计 . 10 3.1 需求分析 . 10 3.2 软件系统的
12、流程图 . 11 3.3 软件系统的模块划分 . 13 3.4 本章小结 . 18 第四章 基于 XML 的数据管理模块的实现与设计 . 19 4.1 NMR 数据组成 . 19 4.1.1 FID . 19 4.1.2 磁振频谱 . 19 4.1.3 脉冲序列 . 19 4.1.4 参数 . 20 4.1.5 各种标注 . 20 4.2 传统的 NMR 数据的管理方式 . 21 4.3 传统 NMR 数据管理的不足之处 . 24 4.4 基于 XMl 的 NMR 数据存储 . 25 4.4.1 基于 XML 的 FID 和谱数据 . 25 4.4.2 基于 XML 的参数数据 . 27 4.
13、4.3 基于 XML 的脉冲序列 . 30 4.4.4 基于 XML 的各种标注 . 31 4.4.5 本模型中的 XML 存储方式 . 33 4.5 基于 XML 的 NMR 数据的解析 . 34 4.5.1 DOM . 34 4.5.2 SAX . 35 4.5.3 二种解析器的性能对比 . 35 4.5.4 基于 SAX 解析器的实现 . 36 4.6 基于 JDOM 的 XML 数据处理 . 37 4.7 模块详细设计 . 38 4.8 本章小结 . 39 第五章 总结 . 40 参考文献 . 41 致谢 . 42 Contents Chapter 1 Introduction . 1
14、 1.1 What is the MRI . 1 1.2 The technical history of nuclear magnetic resonance . 1 1.3 Principles of nuclear magnetic resonance . 2 1.4 the main three areas of NMR application . 2 1.5 The development of nuclear magnetic resonance . 3 1.6 Background and Significance. 4 1.7 Outlines of Thesis . 4 Ch
15、apter 2 System development environment . 5 2.1 Eclipse Development Platform . 5 2.1.1 Introduction of Eclipse . 5 2.1.1 Eclipse platform architecture . 6 2.2 Introduction of AltovaXMLSpy . 7 2.3 Other. 9 2.4 Summary . 9 Chapter 3 NMR system software design . 10 3.1 Requirements Analysis. 10 3.2 The
16、flow chart of software system . 11 3.3 Software modules . 13 3.4 Summary . 18 Chapter4 Implemention and Design on the XML-based management model. .19 4.1 The composition of NMR data . 19 4.1.1 FID . 19 4.1.2 Magnetic Resonance Spectroscopy . 19 4.1.3 Pulse Sequence . 19 4.1.4 Parameters . 20 4.1.5va
17、riety of tagging . 20 4.2 The NMR data of traditional management methods . 21 4.3 The inadequacies of traditional management methods of NMR data .24 4.4 NMR data storage of xml. 25 4.4.1 Based on the XML data of the FID and spectrum. 25 4.4.2 Based on XML data of the parameters . 27 4.4.3 The XML-ba
18、sed pulse sequence . 30 4.4.4 Based on a variety of XML tagging . 31 4.4.5 The stored model of XML. 33 4.5 Based on XML-NMR data analysis and processing. 34 4.5.1 DOM. 34 4.5.2 SAX . 35 4.5.3 The performance of two kinds of contrast resolver. 35 4.5.4 Based on the SAX parser to achievement . 36 4.6
19、Based on JDOM XML Data Handle . 37 4.7 Detail Design . 38 4.8 Summary . 39 Chapter 5 Summary . 40 References . 41 Acknowledgements. 42 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 什么是核磁共振 核磁共振（ NMR, Nuclear Magnetic Resonance） , 是基于原子尺度的量子磁物理性质。具有奇数质子或中子的核子，具有内在的性质：核自旋，自旋角动量。核自旋产生磁矩。NMR 观测原子的方法，是将样品置于外加强大的磁场下，现代的仪器通常采用低温超导磁
20、铁。核自旋本身的磁场，在外加磁场下重新排列，大多数核自旋会处于低能态。我们额外施加电磁场来干涉低能态的核自旋转向高能态，再回到平衡态便会释放出射频，这就是 NMR讯号。利用这样的过程，我 们可以进行分子科学的研究，如分子结构，动态等 。 1.2 核磁共振的技术历史 1930 年 代 ，伊西多 拉比（ Isidor Rabi）发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自 旋 方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于 1944 年获得了诺贝尔物理学奖。 1946 年，费利克斯 布洛赫（ Felix Bl
21、och）和爱德华 米尔斯 珀塞耳（ Edward Mills Purcell）发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。为此他们两人获得了 1952 年度诺贝尔物理学奖 。 人 们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术从最初的一维氢谱发展到 13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入 1990 年代以后，发展出了依靠核磁共
22、振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分 子结构的精确测定成为可能。 另一方面，医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，在这一理论基础上 1969年，纽约州立大学南部医学中心的达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功的将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来，在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗 劳特伯尔于 1973 年开发出了基于核磁共振现象的成像技术（ MRI），并且应用核磁共振 (NMR)谱仪控制软件 -基于 XML 的数据管理模块的实现与设计 2 他的设备成功地绘制出了一个活体蛤
23、蜊地内部结构图像。劳特伯尔之后， MRI 技术日趋成熟，应用范 围日益广泛，成为一项常规的医学检测手段，广泛应用于帕金森氏症、多发性硬化症等脑部与脊椎病变以及癌症的治疗和诊断。 2003 年，保罗 劳特伯尔和英国诺丁 汉大学教授彼得 曼斯菲尔德因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔生理学或医学奖。 1.3 核磁共振原理 核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的进动。根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定 。 并不是所有原子核都能产生这种现象，原子核能产生核磁共振现场是因为具有核自旋。 当核 自旋时，会
24、由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。 原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。 利用核磁共振现象的此性质测定分子结构，人体内部结构信息的技术。 1.4 核磁共振主要三方面的应用 核磁共振成像技术 （ MRI 技术） 是核磁共振在医学领域的应用。人体内含有非常丰富的水，不
25、同的组织，水的含量也各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像，核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术。与用于鉴定分子结构的核磁共振谱技术不同，核磁共振成像技术改编的是外加磁场的强度，而非射频场的频率。核磁共振成像仪在垂直于主磁场方向会提供两个相互垂直的梯度磁场， 这样在人体内磁场的分布就会随着空间位置的变化而变化 ，每一个位置都会有一个强度不同、方向不同的磁场，这样，位于人体不同部位的氢原子就会对不同的射频 场信号产生反应，通过记录这一反应，并加以计算处理，可以获得水分子在空间中分布的信息，从而获得人第一章 绪论 3 体内部结构的图像。 核磁共振探测 (MRS)是 MRI 技术在地质勘探领域的延伸，通过对地层中水分布信息的探测，可以确定某一地层下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水层的含水量和孔隙率等地层结构信息。目前核磁共振探测技
