基于FPGA实现CT图像重建加速的研究

【摘要】计算机断层成像技术(ComputerizedTomography,CT)作为重要的无损检测手段被广泛应用于工业检测和医疗诊断领域，随着计算机技术、精密机械、探测器技术的发展，CT系统的空间分辨率、扫描速度有了很大提高，重建的规模和分辨率也随之提高，而因此产生的海量投影数据给传输系统带来很大压力，并且重建规模的增加使得重建运算量越来越大，重建时间越来越长，已不能满足实时重建的要求，如何提高CT图像重建速度已成为了研究的热点。由于硬件设备的限制，软件加速的效果有限，硬件加速技术开始引起人们的重视。经过不断的发展，现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray,FPGA）已经成为数字信号处理领域的高性能加速部件，它具有独特的体系结构和丰富的逻辑资源，可结合并行处理和流水线设计思，实现更快的处理速度。本文针对经典的解析类CT图像重建的滤波反投影算法在FPGA上实现了硬件加速处理。首先将算法分解为基本的功能单元，基于各单元在投影角度上的并行性，设计了多条流水线并行处理的结构，并根据算法公式，给出了各单元的硬件实现架构，有效利用IP核，降低设计难度，增强系统的可靠性；为了定点运算精度损失，采用了分级定点化方法。仿真实验证明，基于该硬件结构的重建结果在没有进一步损失图像精度的同时，获得了较高的加速比，验证了该方法的可行性。目前锥束CT为应用的主流，因此针对FDK算法在FPGA上进行了硬件加速的设计。通过对算法的分解和性能分析，设计了流水线处理结构，并对运算量最大的反投影单元采用了基于投影分度的多通道并行处理结构；算法各单元均采用流水线处理，系统运行时可达到一个时钟更新一个重建点的速度。针对大规模数据不能完全写入流水线的问题，采用数据分块的策略，分块进行处理。实验证明，基于该结构的图像重建处理在精度损失范围内，获得了较高加速比。
【作者】张晓梦；
【导师】张涛；
【作者基本信息】中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，光学工程，2013，硕士
【关键词】FPGA；CT；图像重建；加速；并行处理；流水线结构；FBP；FDK；

【参考文献】
[1]蒋筱婉.张谷英村聚落景观的性别空间研究[D].中南林业科技大学,园林植物与观赏园艺,2014,硕士.
[2]孙静.高中生通俗文学阅读探究[D].山东师范大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[3]刘凯.中国黄金现货市场收益率日历效应的实证分析[D].华侨大学,金融学,2014,硕士.
[4]尚道东.空调水系统节能控制若干问题试验研究[D].大连理工大学,供热、供燃气、通风及空调工程,2013,硕士.
[5]许世超.复合金属氧化物的合成及催化窄分布聚醚研究[D].天津工业大学,应用化学,2003,硕士.
[6]刘光华.生态文明视阈下大学生人格培育研究[D].山东师范大学,思想政治教育,2013,硕士.
[7]张勇刚,黄玉龙,赵琳.一种带多步随机延迟量测高斯滤波器的一般框架解[J].自动化学报,2015,01:122-135.
[8]陈倩.新疆产业集聚与出口贸易问题研究[D].新疆财经大学,国际贸易学,2013,硕士.
[9]苏郁清.化学计量学结合紫外光谱在金银花、黄芩质量控制中的应用[D].山东大学,微生物学,2013,硕士.
[10]万彩云.企业低碳会计问题研究[D].山西财经大学,会计学,2014,硕士.
[11]陈舜青.信息安全技术及其应用[J].经济师,2004,12:107-108.
[12]沈永增,王炜,郑敏.IROM启动下的U-Boot自动烧写功能的实现[J].浙江工业大学学报,2013,06:651-654.
[13]罗静,魏裕磊.基于平板缝隙天线的卫星自动跟踪系统[J].广播与电视技术.2008(05)
[14]马咏真,吴卢荣.中国火灾最佳灰色回归组合预测模型[J].中国安全科学学报.2006(01)
[15]牛婷.自噬在阿霉素诱导小鼠心肌损伤中的作用机制[D].山东大学,免疫学,2013,硕士.
[16]刘朝钊.浅析近代中国鸭绿江流域的资源开发及其正负效应[D].吉林大学,中国近现代史,2013,硕士.
[17]杨春华,张明珠.浅谈石钢公司ISO9000标准2000版转换[J].冶金自动化,2002,03:71-72.
[18]罗威.中国潜在产出的估算、要素分解和预测[D].厦门大学,西方经济学,2014,硕士.
[19]李萍.小学作文教学中说写结合的有效策略研究[D].华中师范大学,学科教学,2014,硕士.
[20]熊翥.弯曲测线资料处理[J].石油地球物理勘探,1979,05:1-10+18.
[21]何萌.明代湖北地区女孝研究[D].华中师范大学,专门史,2014,硕士.
[22]马婷婷.装饰艺术形式美的研究[D].辽宁师范大学,美术学,2012,硕士.
[23]王宇翔.论克吕尼运动对中世纪西欧秩序的塑造[D].吉林大学,世界史,2014,硕士.
[24]孙亚范.木质素过氧化物酶基因表达载体的构建及其在甲醇毕赤酵母中的表达[D].天津科技大学,发酵工程,2004,硕士.
[25]刘海璇,吴福保,董大兴,姚虹春,汪春,赫卫国.微电网能量管理系统中的公共信息模型扩展[J].电力系统自动化,2012,06:45-51.
[26]曹如中.技术创新与企业核心竞争力研究[D].湖南大学,科学技术哲学,2003,硕士.
[27]黄元坤.AR与Mda9/syntenin在三阴性乳腺癌中的表达及其意义的初探[D].遵义医学院,外科学（专业学位）,2014,硕士.
[28]陶震兴,王阿虎,何木光,林文康,沈群书.烧结操作辅助参考系统的开发[J].冶金自动化,2009,01:26-30+38.
[29]李立.我国电视选秀发展嬗变研究[D].安徽大学,传播学,2013,硕士.
[30]李昆.彩色图像生物特征识别的统计正交分析方法研究[D].南京邮电大学,模式识别与智能系统,2013,硕士.
[31]张帆.脉冲等离子体推力器羽流特性研究[D].国防科学技术大学,航空宇航科学与技术,2012,硕士.
[32]刘鹏.人工模拟和自然氯盐环境下混凝土氯盐侵蚀相似性研究[D].中南大学,土木工程,2013,博士.
[33]陈莹.论我国铁路产业的政府管制和反垄断法规制[D].中国政法大学,经济法学,2004,硕士.
[34]于歆杰,王赞基.适应值共享拥挤遗传算法[J].控制与决策,2001,06:926-929.
[35]黄欣.从目的论看商务口译中模糊语言的功能和处理[D].福建师范大学,英语口译（专业学位）,2012,硕士.
[36]姜余丰.地铁暗挖施工对临近桥梁影响的研究[D].北方工业大学,结构工程,2013,硕士.
[37]董勇艳.自由的度：关于诗歌翻译原则的思考[D].云南大学,英语语言文学,2012,硕士.
[38]董雙印.《甲骨文合集》（1、2）釋文四種對比校訂[D].西南大学,漢語言文字學,2014,硕士.
[39]张杰.基于软压印法制备大幅面亚波长减反射膜研究[D].苏州大学,光学工程,2014,硕士.
[40]王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究[J].沈阳工业大学学报,2006,03:258-264.
[41]张卫华.儿童文学游戏性的文本解析[D].浙江师范大学,中国现当代文学,2004,硕士.
[42]孙斌.BDE-209暴露联合窒息对子鼠神经发育的影响[D].广州医科大学,妇产科学,2014,硕士.
[43]若兰.莱索托的公共部门绩效管理[D].长安大学,企业管理,2013,硕士.
[44]王正林,孙一康,李元,王为人.基于数字信号处理器DSP的热连轧实时仿真[J].冶金自动化,2004,05:25-28.
[45]王霞.基于工作过程导向的县级职教中心课程改革研究[D].河北师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[46]张远馥.单壁碳纳米管在光学生物传感中的应用[D].陕西师范大学,2011.
[47]郭占军.DEST-h热环境模拟在住宅建筑阳台设计中的应用研究[D].河北工程大学,建筑技术科学,2012,硕士.
[48]田杰.中国林业生产要素配置效率研究[D].西北农林科技大学,林业经济管理,2014,博士.
[49]王丹.生态文化与国民生态意识塑造研究[D].北京交通大学,思想政治教育,2014,博士.
[50]时剑.基于灰色理论的区域配网无功预测分析研究[D].广东工业大学,控制科学与工程,2014,硕士.