[发明专利]基于FPGA的CT图像重建硬件加速方法

权利要求书

1.一种基于FPGA的CT图像重建硬件加速方法，其特征是：含有上位PC机、FPGA和DDR2 SDRAM外部存储器，FPGA中含有PCI-E通信模块、总线转换模块、预处理模块、DDR2控制模块、反投影模块和系统控制模块，系统控制模块控制PCI-E通信模块、总线转换模块、预处理模块、DDR2控制模块和反投影模块的工作，通过如下步骤实现CT图像重建硬件加速：

步骤1、上位PC机将探测器采集的投影数据通过PCI-E接口传入FPGA中的PCI-E通信模块，PCI-E通信模块接收的投影数据通过总线转换模块进入预处理模块中，预处理模块对接收的投影数据依次进行加权和滤波计算；

步骤2、DDR2控制模块将经过预处理模块加权和滤波预处理的投影数据写入DDR2 SDRAM外部存储器中，系统控制模块针对每次重建的区域通过DDR2控制模块从DDR2 SDRAM外部存储器中取出相应的数据，然后送入反投影模块中进行反投影计算，反投影模块计算后的数据再依次通过DDR2控制模块、总线转换模块、PCI-E通信模块和PCI-E接口后传回上位PC机。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的CT图像重建硬件加速方法，其特征是：所述FPGA在进行FDK算法计算时，加权和滤波计算在投影数据传输的过程中通过流水方式实现；反投影计算时采用了按分度并行流水计算和分块重建的方法：按不同的旋转分度将背投影分解为多个线程并行处理，各线程计算结束后再进行归约计算，求得重建数据；各线程在反投影计算时沿旋转轴方向将待重建区域分成若干块，重建其中一块时仅从DDR2 SDRAM外部存储器取出对应的投影数据进行重建操作。

3.根据权利要求2所述的基于FPGA的CT图像重建硬件加速方法，其特征是：所述反投影计算采用了基于编号查找表的数据预取方法，基于编号查找表的数据预取的步骤为：

步骤1、对投影数据按纵轴进行分块，总分块数目为N，每块对应一个编号i，i＝1，2，...N；再对重建区域进行分块，总分块数目为M，每块对应一个编号j，j＝1，2，...M；N和M均为大于等于1的自然数；

步骤2、计算每块重建区域对应的投影数据范围，该范围对应的编号为i_start～i_end，其中，1≤i_start≤i_end≤N；建立查找表A，以编号j作为该查找表A的地址，将编号为j的重建区域对应的投影数据编号的开始值i_start和终止值i_end存入查找表A中地址为j的空间中；

步骤3、在反投影计算时，将投影数据先根据要重建的区域从DDR2SDRAM外部存储器预取到FPGA的内部缓存中，该内部缓存分为P个部分，每个部分对应一个编号x，x＝1，2，...P，且内部缓存的每部分和内部缓存对应的投影数据的每块大小相同；建立编号查找表B，将编号为x的内部缓存中对应的投影数据编号k_x存入查找表B中地址为x的空间中，其中，1≤k_x≤N，查找表B内存储的编号的集合为W＝{k_x，x＝1，2，...P}；P为大于等于1的自然数；

步骤4、当重建第一块区域时，从DDR2SDRAM外部存储器中取出相应的投影数据存入FPGA的内部缓存中，而重建第一块区域以后的区域时，先根据当前重建区域的编号j寻址查找表A得到投影数据编号的范围起始值i_start和i_end，对比查找表B中存储的投影数据编号集合W，将查找表B中缺少的编号对应的投影数据从DDR2 SDRAM外部存储器中取出，存入FPGA的内部缓存中已不在当前范围的编号对应的数据空间中，同时用当前的投影数据编号i’替代查找表B中原先的编号k_n的数值；然后，FPGA对从DDR2 SDRAM外部存储器读到FPGA内部缓存中的数据进行反投影处理。

4.根据权利要求2所述的基于FPGA的CT图像重建硬件加速方法，其特征是：采用以下技术对反投影模块进行了优化：

优化1：将运算过程中需要多次重复计算的中间变量存入查找表；

优化2：将FPGA的部分存储空间采用逻辑资源代替；

优化3：分析每个处理流程的消耗时钟数，消除其中不需要的等待空泡，实现处理流程间的无缝连接；

优化4：对反投影计算的流程进行分析，将时间顺序上重复的计算进行合并，再通过寄存器延时分配回各级运算。