一種基于Kintex-7開(kāi)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(duì)醫(yī)療條件的要求越來(lái)越高，而作為醫(yī)療診斷的重要工具，電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)（Computed Tomography，CT）的發(fā)展對(duì)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(jìn)，而算法中數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)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(diǎn)的解析解，所以可以更精確的對(duì)圖像進(jìn)行重建。然而，由于算法離散化后龐大的計(jì)算量，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行重建的耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，制約了算法的應(yīng)用。
　　本文針對(duì)制約Katsevich重建算法應(yīng)用的重建時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，提出一種對(duì)算法加速的解決方案。該方案通過(guò)高速總線以及現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）加速板對(duì)算法進(jìn)行軟硬件加速。本文針對(duì)Katsevich CT圖像重建算法各個(gè)步驟所用時(shí)間進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。通過(guò)分析，算法中進(jìn)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(shí)間占總耗時(shí)的93％以上，此兩步運(yùn)算也是濾波反投影算法的核心。因此對(duì)DHT以及反投影運(yùn)算的加速將對(duì)整體的加速起到重要作用。本文通過(guò) FPGA實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能流水結(jié)構(gòu)的濾波反投影運(yùn)算電路，數(shù)據(jù)通過(guò)PCIE總線進(jìn)行傳輸。使得此加速系統(tǒng)的重建速度相對(duì)軟件提高1個(gè)數(shù)量級(jí)。本文研究?jī)?nèi)容主要包括四部分：
　　首先，對(duì)

4、算法進(jìn)行研究和分析，給出加速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；其次，設(shè)計(jì)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(chǔ)反投影所需大量常數(shù)的DDR3接口；最后，設(shè)計(jì)軟硬件接口，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，硬件方面設(shè)計(jì)基于PCIE硬核的PCIE事務(wù)層硬件結(jié)構(gòu)以及反投影運(yùn)算電路的接口電路，軟件方面通過(guò)改進(jìn)算法軟件、PCIE驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)算法軟件和硬件之間的數(shù)據(jù)交換，設(shè)計(jì)中也采用了DMA以及多線程（MultiThread）等技