体积CT快速重建算法研究

论文摘要

与传统CT相比,体积CT由于其独特的优势而在医学临床应用中所占的比例越来越高,尤其是在口腔医学、介入治疗等领域占有主导性优势。然而,体积CT图像三维重建通常需要较长的时间,严重影响了医生的诊断效率。另外,体积CT系统在扫描投影图像时,其获得的投影角度通常与投影图像不能严格精确匹配,从而会造成重建结果出现较大误差,极大地影响了体积CT的使用性能。因此,开展以上两个问题的研究,对于提高体积CT三维重建的速度和精度都具有很高的理论与实用价值。论文利用GPU强大的并行和浮点运算能力,首先提出了基于“像素级并行”的体积CT图像快速重建算法;其后,将体积CT图像重建中的几何运算与像素运算分离,减少了重复运算,进一步提高了计算效率;最后,基于医学应用背景,算法中实现了体积CT扫描和重建并行的思想。结果表明,利用上述快速算法,仅在普通计算机硬件平台上就可将体积CT的重建时间减少到原来的1/70。根据“实时三维成像系统”项目进展中的问题,对投影图像的“等角度误差”和“相异角度误差”进行深入讨论。用FDK算法的反投影公式进行推导,从理论上得出“等角度误差”对重建结果无影响,“相异角度误差”分布的离散程度影响重建伪影的结论,而后使用实验算例验证了该结论。论文还将“像素级并行”的思想向两个图像处理领域进行了推广。第一,巧妙地将体积CT加速算法中的“反投影运算”算法结构迁移至放射性粒子剂量计算中,使粒子剂量计算的时间缩短至原来的1/35。第二,将“像素级并行”的思想推广至图像空域增强算法领域。利用结构化的设计方法,将GPU运算所必需的计算模型、数据资源以及算法资源封装至架构中。该架构屏蔽了GPU运算的配置细节,省去了多项重复工作,能够方便地添加图像空域增强算法,使算法的执行时间最快时仅为CPU处理时间的1/136,完全满足高分辨率图像实时处理的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容和目标
• 1.4 论文结构
• 第二章 体积CT重建算法
• 2.1 体积CT 重建算法概述
• 2.2 扇形束CT 重建算法
• 2.3 FDK 算法
• 2.4 本章小结
• 第三章 并行计算与GPU高性能运算
• 3.1 并行计算模型
• 3.2 并行计算性能分析
• 3.3 GPU 高性能计算
• 3.4 CUDA 架构
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于GPU的FDK快速算法
• 4.1 快速FDK 算法
• 4.2 改进的快速FDK 算法
• 4.3 快速FDK 算法的性能分析
• 4.4 算法的临床算例验证
• 4.5 本章小结
• 第五章 FDK算法中投影角度误差分析
• 5.1 投影角度误差概述
• 5.2 等角度误差分析
• 5.3 相异角度误差分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 “像素级并行”思想的推广应用
• 6.1 算法在放射性粒子剂量计算中的应用
• 6.2 基于GPU 的图像增强空域算法架构
• 6.3 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录 体积CT快速重建核心代码（GPU）
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢