锥束CT三维重建算法的FPGA加速研究-论文-万方医学网

锥束CT三维重建算法的FPGA加速研究

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摘要由于探测器分辨率的逐年提高，以及微创、介入手术带来的实时、准实时三维成像应用需求，使得锥束CT重建加速越来越受重视。本文以目前最常用的锥束CT重建算法FDK算法为基础，对利用FPGA进行锥束CT重建加速的课题进行了研究。<br>　　论文首先利用PC平台对FDK锥束重建算法进行了实现，对FDK算法的加权、滤波、反投影三大步骤的数学计算复杂度、内存访问量及耗时进行了评估。结合FDK和FPGA的特点，对FPGA加速重建系统进行了整体设计，划分为上位机、数据传输、FPGA反投影三大功能模块进行详细的讨论。其中上位机部分计算FDK算法的加权和滤波步骤，并根据预估算的数据动态范围进行数据的定浮点转化。数据传输部分，通过EZ-USB FX2芯片方案的实现和优化，实现了上位机和FPGA反投影之间的高速USB传输。FPGA反投影部分，算法逻辑单元(ALU)通过流水线的方式实现反投影的各个计算步骤，其中提出便于硬件计算反投影坐标旋转的CORDIC算法，以提高反投影中坐标旋转计算性能；为了提高反投影中双线性插值步骤的数据读取速度，研究并提出一种双线性插值4像素的单时钟读取方法；针对反投影ALU高速、大量数据访问问题，设计了相应的存储体系并针对FDK反投影数据访问进行了优化。<br>　　基于本文对上述关键技术问题的研究和解决，为FPGA锥束重建加速的高性能实现打下了一定基础。