[发明专利]基于FPGA的CT图像重建硬件加速方法

说明书

(一)、技术领域：本发明涉及一种CT图像重建的方法，特别是涉及一种基于FPGA的CT图像重建硬件加速方法。

(二)、背景技术：计算机断层成像技术(Computed Tomography，CT)作为一种现代成像技术已经广泛应用于医学、工业等领域。高分辨率工业CT图像三维重建数据量大、计算复杂度高、重建时间长的问题已成为制约其走向实用的瓶颈。因此，CT图像重建速度是衡量CT系统的重要指标之一，对CT重建过程的加速研究是目前该领域研究的热点和难点。

目前国内外对CT重建进行加速的实现方式主要可分为软件加速和硬件加速。软件加速的方法只是通过算法的改进来达到加速目的，一定条件下会受到硬件的制约，加速效果有限，因此近年来研究热点主要集中于采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、GPU(Graphics Processing Unit，图形处理器)、DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理器)等一系列硬件加速方法。

FPGA是作为专用集成电路ASIC(Application Specific Integrated Circuit)领域中的一种半定制电路而出现的。作为一种通用的可编程器件，FPGA拥有丰富的逻辑资源、存储资源、算法模块和嵌入式硬核模块，采用全数据流的形式进行数据处理，用空间上全面积并行的方法提升算法速度，同时它的可定制性和可重构性使其具有很高的灵活性，利用FPGA实现对CT重建过程的加速已成为该领域的重要研究方向。

使用FPGA进行CT图像重建，数据通信和存储资源的利用是关键的核心。经过现有技术的文献检索发现，利用FPGA加速CT重建速度的文章采取的存储调度策略均存在一定的不足，没有同时兼顾CT重建的具体应用和FPGA上的硬件资源。2008年，Markus Kowarschik等在第九届放射与核医学成像三维图像重建国际会议(Proceedings of the 9th International Meeting on Fully Three-Dimensional Image Reconstruction in Radiology and Nuclear Medicine)上发表文章《基于C形臂CT的快速重建》(《High-Speed Reconstruction for C-Arm Computed Tomography》)，用9块FPGA协调工作完成了FDK算法中滤波及反投影部分的加速，但他只是采取简单的数据预取策略，没有针对重建算法分析相适应的数据调度策略，投影数据的反复传输造成了带宽的较大浪费。

2009年，王珏、刘巍等在《核电子学与探测技术》上发表文章《基于硬件实现的锥束CT图像重建系统的存储机制设计》，他们以SDRAM、SRAM和FPGA内部缓存建立了三级存储机制，但只能满足小规模的数据重建，且也没有分析相应的数据调度策略，投影数据的反复传输造成了带宽的浪费。

2010年，邓靖飞学位论文《基于FPGA的锥束CT重建加速关键技术研究》用并行流水的方式对FDK算法的实现进行了研究，他采用按探测器垂直线平均分层的方法进行分层重建。该方法每次重建的区域是变化的，靠近重建物体中心处的单次重建规模大，远离中心时单次重建的规模小，这会造成部分存储资源的空闲和浪费。另一方面，该方法对投影数据分层后，其相邻两层对应的重建区域不是按旋转轴进行分割的，会导致后续重建的操作非常复杂，且增大了数据重排的资源开销和存储空间，难以实现重建数据的实时传输。

(三)、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种计算速度快的基于FPGA的CT图像重建硬件加速方法。

本发明的技术方案：

一种基于FPGA的CT图像重建硬件加速方法，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；