一種基于Kintex-7開發(fā)板的CBCT圖像重建加速系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著生活水平的提高，人們對醫(yī)療條件的要求越來越高，而作為醫(yī)療診斷的重要工具，電子計算機X射線斷層掃描技術(shù)（Computed Tomography，CT）的發(fā)展對醫(yī)療條件的提高起到重要作用。隨著技術(shù)的發(fā)展，CT圖像重建的算法也在不斷的改進，而算法中數(shù)學(xué)模型的改進尤為重要。本文中所涉及的Katsevich算法屬于濾波反投影算法的一種。相比其他 CT圖像重建算法所使用的多次迭代數(shù)學(xué)模型，Katsevich算法使用的是解析算法，由于其數(shù)學(xué)模型為

2、精確模型，可以得到空間內(nèi)任何一點的解析解，所以可以更精確的對圖像進行重建。然而，由于算法離散化后龐大的計算量，通過計算機軟件進行重建的耗時過長，制約了算法的應(yīng)用。
　　本文針對制約Katsevich重建算法應(yīng)用的重建時間過長的問題，提出一種對算法加速的解決方案。該方案通過高速總線以及現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）加速板對算法進行軟硬件加速。本文針對Katsevich CT圖像重建算法各個步驟所用時間進行了統(tǒng)計。通過分析，算法中進行一

3、維離散希爾伯特變換（Discrete Hilbert Transform，DHT）以及反投影（Back Projection）所用時間占總耗時的93％以上，此兩步運算也是濾波反投影算法的核心。因此對DHT以及反投影運算的加速將對整體的加速起到重要作用。本文通過 FPGA實現(xiàn)一個高性能流水結(jié)構(gòu)的濾波反投影運算電路，數(shù)據(jù)通過PCIE總線進行傳輸。使得此加速系統(tǒng)的重建速度相對軟件提高1個數(shù)量級。本文研究內(nèi)容主要包括四部分：
　　首先，對

4、算法進行研究和分析，給出加速系統(tǒng)的設(shè)計方案；其次，設(shè)計方案中需要的硬件電路，其中包括用于濾波的流水結(jié)構(gòu)DHT和后插值電路，以及反投影電路中用于存儲反投影所需大量常數(shù)的DDR3接口；最后，設(shè)計軟硬件接口，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，硬件方面設(shè)計基于PCIE硬核的PCIE事務(wù)層硬件結(jié)構(gòu)以及反投影運算電路的接口電路，軟件方面通過改進算法軟件、PCIE驅(qū)動實現(xiàn)算法軟件和硬件之間的數(shù)據(jù)交換，設(shè)計中也采用了DMA以及多線程（MultiThread）等技