基于FRGA实现CT图像重建加速的研究

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计算机断层成像技术(Computerized Tomography, 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(Field Programmable Gate Array,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。
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