ARMA模型的早期肝纤维化检测系统研发

3.1问题定义

问题定义阶段是找出需要解决的问题是什么。在第一章的绪论中，我们详细介绍了 在早期肝纤维的研究现状和一些检测早期肝纤维化程度的常用技术，其中肝活检是肝纤 维化检测的“金标准”，但由于肝活检存在出血和并发症等有创操作，穿刺标本小及存 在禁忌症等局限，而常规的影像学方法通过形态学无法完全表征早期肝纤维化，提供的 有效信息有限。因此临床上迫切需要找到一种无创、可重复、有效的评估手段诊断肝纤 维化的不同阶段。

3.2可行性分析

可行性分析是探讨所提问题的必要性以及是否具有可行的解决方案。有研究表明， ARMA模型对原始的脑电信号建模，并利用分类器对ARMA模型特征进行分类是，发 现ARMA模型对组织定征是有效的^[4-5]。而本文中所用数据源是通过常规探头获取的超 声RF时间序列，该时间序列与脑电信号很相似，具有非平稳和非线性的特性，且有研 究表明RF时间序列包含组织定征的一些信息^[6]。因此，本文作者提出对超声RF时间序 列建立ARMA模型，并认为ARMA模型参数与病变下的肝纤维化组织相关。将获取 ARMA模型的参数作为组织微结构的特征，运用机器学习的方法进行分类，这个过程实 际是运用超声组织定征和机器学习的方法解决问题。从超声组织定征的研究来看，基于 超声B型图、基于单帧RF回波信号以及基于超声RF时间序列的组织定征是通过提取 信号中的特征，从而间接测量组织的生物特性，实现组织定征。

3.3系统设计

系统设计从创建新系统的角度来说，它是描述组织构造系统的过程，同时它也是系 统深化和细化分析的进一步体现，需要考虑系统效率、可靠、安全、适应性等非功能需 求，这样才能得到系统的设计方案。图3-1展示了系统的设计过程。

图3-1系统设计过程图

整个系统的设计过程包括高层设计和详细设计阶段：高层设计阶段主要是架构设计， 控制整个系统逻辑结构；详细设计阶段主要包括界面设计、数据库设计、模块设计以及 数据结构和算法设计等。

3.3.1系统的体系结构设计

系统的体系结构设计用于描述整个软件系统的组成结构和控制行为，并表示了系统 组件之间的交互、相关依赖关系以及操作之间需要满足的约束关系等。图3-2为系统体 系结构设计图：

图3-2系统体系结构设计图

本文的结构体系风格采用面向对象模式，面向对象模式的优点是高度模块化、实现 数据隐藏、提供了一种实现代码共享方法、便于维护和扩充等。

3.3.2系统详细设计

系统详细设计包括系统数据获取、模块设计、功能设计、界面设计、数据库设计、 性能需求及安全性设计等。基于ARMA模型的早期肝纤维化程度识别系统设计如下：

1.  运行环境

本系统的运行环境如下：操作系统Win7，开发工具VS2010，开发语言C++，所用 框架MFC，数据库MySql5.5,计算机视觉库OpenCV-2.3.1;数据结果显示控件为Teechart; 分类模块是OpenCV机器学习库。

2.  功能设计

在整个软件设计中，功能设计是其非常关键的一环。该系统的功能包括：读取RF 文件、显示B型图和选取ROI、计算自相关函数、数据预处理、选择参数估计算法、数 据库保存特征、分类、保存分类图片等。©读取超声RF文件是指将RF文件中的RF数 据存储在一个全局变量中；©显示B型图和选取ROI是选取RF文件中某一帧数据进行 解调成B型图，然后在B型图上设置ROI大小，其中ROI矩形坐标的左上角坐标可见；

©计算自相关函数功能是检验所获得RF时间序列是否是平稳的；©数据预处理功能是 指对不符合要求的RF时间序列进行零均值、平稳化处理等；©选择参数估计方法是设 置不同的算法计算ARMA模型的参数；©数据库保存特征是保存ARMA模型的参数 到.csv文件中，方便分类时对数据的操作；©分类功能提供了包括分类器参数设置、特 征数据库选择、分类类别设置以及分类结果显示等；©保存分类结果功能是将分类结果 以图片的形式保存起来，作为后续实验成果。

3.  性能需求

系统性能测试包括容量需求、响应需求、容错性需求和稳定性需求。其中系统需要 处理的数据包括超声RF文件、模型参数存储等，这些数据量对系统容量要求不高，采 用MySql数据库和.csv文件完全可以满足系统需求。考虑到系统的要实现不同的ARMA 模型参数估计算法，一旦ROI较大，系统需要的响应时间会较长，因此对模型算法的实 现代码进行优化，改善系统的响应时间。容错性需求是指针对不同的操作，系统给出了 不同的操作提示信息，方便用户清晰地识别。稳定性需求是指系统不会因为文件、数据 库未成功关闭而存在内存泄漏等问题，是相对稳定的。

4.  数据库设计

图3-3基于ARMA模型早期肝纤维化程度识别系统结构图

数据库的设计主要是数据库表的设计，本文使用的数据库表主要是存储不同算法下 的ARMA模型参数表。

5.  界面实用美观

系统界面应该保持整洁、简单明了，针对不同的操作给出相应的提示。

3.3.3系统流程图

系统的结构图和流程绘制是需求分析中非常重要的部分，其中系统的结构图表达了 系统的组成部分及系统实现的功能，而系统的流程图则描述了数据在各个模块中的流动 状态。基于ARMA模型的早期肝纤维化识别系统结构图和流程图如3-3和图3-4所示。

基于ARMA模型的早期肝纤维化识别系统

3.4系统开发

3.4.1相关技术介绍

本系统开发技术有：MFC、MySql、OpenCV、Teechart等，下面对这些技术作简要

介绍：

6.  MFC

MFC是微软公司提供的以C++形式封装的类库，包含了一个应用程序框架，以提 高开发人员开发效率。MFC类库的其他类基本都是由CObject派生而来，下图展示了 MFC部分类之间的关系。

图3-5 MFC类部分层次结构图

7.  MySql

MySql是一种多线程、多用户的关系型数据库管理系统，将数据存储在不同的表中 以提高灵活度。Mysql数据库管理系统具有存储能力强、写入数据快、查询速度快、权 限设置机制完善、连接方式多以及占用磁盘少等优势，被广泛应用于通信、互联网、军 事等领域。图3-6展示了 MySql的逻辑架构。

8.  Teechart

Teechart控件中的主类是TChart，在TChart中包含了 56个类、325个属性和28个 事件，因此TChart具有比较强大的功能。本文使用Teechart控件绘制曲线，Teechart控 件从数据库中获取数据后，使用SeriesAddXY方法将数据点添加到控件中的序列中，可 以使用SeriesDelete方法删除序列中某个数据点，当所有的数据点都天界到序列中，控 件会自动将序列中的离散数据点用折线连接起来绘制成曲线。Teechart控件的图库包含 2D和3D柱形图、折线图以及饼图等，存储不同格式的图片等。图3-8展示了 Teechart 的控件样式和一些基本的图库。

图3-8 Teechart控件和图库

3.4.2系统实现

1.1    系统开发环境搭建

本系统是基于VS2010的MFC平台开发的，开发环境配置如下：

2.   软硬件配置：window7，Intel (R) Core (TM) i5-4590U @ 3.3Hz，内存 8G 硬 盘 500G

3.  软件开发环境和平台：VS2010，MFC

4.  软件开发语言：C++

5.  数据库：Mysql5.5

6.  图像工具库：Opencv2.3.1

1.2    数据处理模块

本文利用超声RF时间序列建ARMA模型对早期肝纤维化程度进行分类，所用数据 的格式为RF文件（.rf文件后缀）。该文件格式包括两部分：文件头和系统所需的帧数 据。超声RF文件格式如表（3-1)所示，其中文件头是由19个int型数据组成，每个int 型数据都代表着不同的信号信息，第2、3、4位分别代表信号的总帧数、扫描线数和采 样点数。

图3-10 ARMA模型参数提取界面

ARMA模型参数提取模块逻辑结构图如下

RF« 号

卜72

«号长度

镄w矜

'厂

pi 1*02885	P5 |°
p2 |0.038S P6 |〇
p3 |-0.8589	~ P7 |〇
p4 10.01	P8 |〇
variance 16.5731	plO |〇

类模块等。获取超声RF时间序列模块是指从超声RF文件到获得超声RF时间序列；模 型参数模块是利用超声RF时间序列建立ARMA模型，获取模型参数；分类模块是利用 随机森林分类器对ARMA模型参数进行早期肝纤维化程度分类。

9.  ARMA模型参数估计模块

提取ARMA模型的特征是基于ARMA模型的早期肝纤维化检测与识别系统中非常 重要的一部分，该模块主要负责读取RF文件、显示B型图、获取RF时间序列、ARMA 模型算法计算以及保存模型特征等。参数获取模块界面图如3-10所示。