螺旋锥束CT三维重建中的Hilbert变换的脉动阵列设计

论文摘要

随着多层螺旋CT（Computed Tomography）的出现,医用CT正在向着螺旋锥束CT转变。用螺旋锥束扫描方式重建得到的图像具有扫描速度快、空间分辨率高等优点,但由于这种成像方式在理论上比较复杂,技术实现也有相当大的难度,尤其在实现的速度方面一直是个难以突破的瓶颈,其中希尔伯特滤波和反投影成像是制约实时性的两个关键步骤。本文是对其中希尔伯特滤波部分做的探索性研究。本文研究内容主要包含以下三个部分:首先,深入研究了螺旋锥束CT Katsevich算法成像过程中的关键步骤,并对希尔伯特滤波及其三种实现方法作了深入剖析和对比,阐述了选取脉动阵列实现离散希尔伯特变换的理由。其次,在全面理解CUDA（Compute Unified Device Architecture）平台的基础上,设计了基于NVIDIA GeForce 9800GX2显卡的脉动阵列式离散希尔伯特变换的软件实现,针对CUDA平台做了代码的优化,并使用Kahan求和算法大幅提高了实现精度,在速度上与CPU中实现相比提高了83倍。最后在基于XILINX公司Virtex-5系列XC5VLX50T器件的ISE10.1环境中设计了其硬件实现。硬件结构主要包括总体时序控制单元、存储单元及其时序发生器、串并转换单元、移位器、选通器、运算单元和级联加法器。在流水线作业的情况下,数据的吞吐率为30M/s。本文给出了实现过程的详细步骤,与GPU方案的对比结果,扩展PE复用和定点化的优化思路。最终仿真和综合结果为Slice使用率78%,最高工作频率为239.751MHz。本文设计的基于脉动阵列式的离散希尔伯特变换,软硬件两种方案的实现均有较大的实际意义,为今后螺旋锥束CT三维图像重建的整体实时实现提供了良好条件,并且在精确度、实时性和成本上都有一定的竞争优势和良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外相关技术发展历史和现状
• 1.3 本课题研究目的及意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 Katsevich重建算法及其DHT实现
• 2.1 引言
• 2.2 CT原理介绍
• 2.3 螺旋锥束CT Katsevich类FBP算法
• 2.3.1 锥形束重构公式的困难
• 2.3.2 Katsevich螺旋CT非移变FBP算法
• 2.3.3 希尔伯特滤波
• 2.4 DHT的实现方式
• 2.4.1 希尔伯特变换的基本原理
• 2.4.2 傅立叶变换实现DHT
• 2.4.3 Hartley变换实现DHT
• 2.4.4 脉动阵列实现DHT
• 2.4.5 三种实现方式比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于CUDA平台的脉动阵列式DHT设计
• 3.1 引言
• 3.2 GPU与NVIDIA G80
• 3.2.1 GPU简介
• 3.2.2 GPU计算技术
• 3.2.3 NVIDIA G80 系列
• 3.3 CUDA通用计算平台
• 3.3.1 CUDA简介
• 3.3.2 编程模型
• 3.3.3 硬件实现
• 3.3.4 应用程序编程接口
• 3.4 运用CUDA实现脉动阵列式DHT
• 3.4.1 模型搭建
• 3.4.2 程序设计
• 3.4.3 CUDA平台实现与结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于FPGA的脉动阵列式DHT设计
• 4.1 引言
• 4.2 FPGA硬件平台
• 4.2.1 Virtex-5 系列FPGA特点
• 4.2.2 IP复用技术
• 4.2.3 DSP48E
• 4.3 FPGA硬件平台的DHT设计
• 4.3.1 32 位浮点数标准
• 4.3.2 硬件设计要点概述
• 4.3.3 PE单元
• 4.3.4 整体框架
• 4.3.5 仿真综合结果
• 4.3.6 CUDA与FPGA平台设计结果对比与分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1 离散Hartley变换实现DHT的公式推导
• 附录2 脉动阵列实现DHT计算公式实例
• 附录3 CUDA平台实现DHT的主要程序
• 致谢
• 个人简历