醫(yī)用CT圖像解析類重建方程的投影幀驅(qū)動(dòng)重建技術(shù)研究.pdf

1、當(dāng)代醫(yī)用CT掃描機(jī)大多采用解析類重建方程進(jìn)行CT圖像重建。對(duì)于醫(yī)用CT圖像解析類重建方程的數(shù)值求解，當(dāng)前基本采用“體素-體素”的重建算法，這種算法的特點(diǎn)是逐一重建感興趣區(qū)每個(gè)體素的X射線衰減系數(shù)，并以此獲得整個(gè)感興趣區(qū)的X射線衰減系數(shù)函數(shù)分布。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是，技術(shù)成熟、使用基于通用處理器的計(jì)算平臺(tái)就可以實(shí)現(xiàn)。這種算法的缺點(diǎn)是，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)、需要大量的軟、硬件資源進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。使用“體素-體素”重建算法的醫(yī)用CT掃描機(jī)中，圖像重建子系統(tǒng)在掃描

2、過程中，即投影幀數(shù)據(jù)的傳輸過程中處于閑置狀態(tài)。另外，在“體素-體素”重建算法的實(shí)現(xiàn)過程中，一方面，重建每個(gè)體素都需要在多幀投影數(shù)據(jù)中進(jìn)行尋址，另一方面，由于單幀投影數(shù)據(jù)中存在多個(gè)體素的投影點(diǎn)，導(dǎo)致這種算法的實(shí)現(xiàn)中存在著數(shù)據(jù)耦合的現(xiàn)象，這兩個(gè)因素導(dǎo)致“體素-體素”算法需要對(duì)投影數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行大量、無規(guī)律的內(nèi)存存取操作。
　　本論文首先論述了國(guó)內(nèi)外關(guān)于醫(yī)用CT圖像解析類重建方程的數(shù)值求解方法，接下來針對(duì)醫(yī)用CT圖像解析類重建方程提出了

3、一種，實(shí)現(xiàn)了面向醫(yī)用CT圖像解析類重建硬件加速的一種行為級(jí)建模，最后使用本文提出的重建算法對(duì)一種第三代醫(yī)用CT掃描機(jī)的圖像重建系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。本論文的主要貢獻(xiàn)分列如下：
　　(1)為了解決“體素-體素”重建算法中存在的問題，本文提出了一種投影幀驅(qū)動(dòng)重建算法。首先，基于醫(yī)用CT圖像重建的若干經(jīng)典解析類重建方程，本文歸納了一個(gè)通用的解析類重建方程，并對(duì)這個(gè)方程進(jìn)行了證明。隨后，通過對(duì)通用方程的積分次序和積分變量進(jìn)行改進(jìn)，本文推導(dǎo)了醫(yī)用

4、CT解析類重建方程的投影幀驅(qū)動(dòng)重建算法。這種算法的優(yōu)點(diǎn)在于，第一，在單幀投影傳輸結(jié)束之后，圖像重建單元就開始計(jì)算；第二，投影幀存儲(chǔ)器的大小可以僅存儲(chǔ)一幀投影，而且對(duì)單幀投影數(shù)據(jù)的存取只需要一次。最后，為了將投影幀驅(qū)動(dòng)重建算法應(yīng)用到實(shí)際的醫(yī)用CT掃描機(jī)中，本文針對(duì)醫(yī)用CT掃描機(jī)中的不同數(shù)據(jù)傳輸模式，給出了投影幀驅(qū)動(dòng)算法的適用范圍以及時(shí)間模型，同時(shí)根據(jù)時(shí)間模型，給出了在投影幀驅(qū)動(dòng)算法中，數(shù)據(jù)傳輸耗費(fèi)時(shí)間和和圖像處理耗費(fèi)時(shí)間的量化關(guān)系；

5、>　　(2)在醫(yī)用CT圖像的解析類重建方程中，存在著距離加權(quán)相，這個(gè)加權(quán)相通常是關(guān)于光源點(diǎn)與體素點(diǎn)之間距離的函數(shù)。為了能夠快速計(jì)算這一距離，并將其應(yīng)用到投影幀驅(qū)動(dòng)重建算法中，本文提出了一種改進(jìn)的三維圖像直線遍歷算法。這種改進(jìn)的直線遍歷算法，通過比較距離增量，確定下一體素的位置，在比較運(yùn)算進(jìn)行的過程中，可以通過求和運(yùn)算計(jì)算距離累加相。
　　(3)由于螺旋錐束CT精確重建方程運(yùn)算特別復(fù)雜，很難進(jìn)行實(shí)時(shí)重建，因而，基于投影幀驅(qū)動(dòng)重建算法

6、，本文提出了一種基于投影幀驅(qū)動(dòng)重建算法的螺旋錐束CT精確重建方程的改進(jìn)的重建算法，同時(shí)，本文給出了這種重建算法中對(duì)濾波投影數(shù)據(jù)和感興趣區(qū)衰減系數(shù)的插值方法；
　　(4)為了使用加速硬件對(duì)醫(yī)用CT圖像重建中的關(guān)鍵模塊進(jìn)行加速計(jì)算，本文將VLSI前端設(shè)計(jì)流程引入到了醫(yī)用CT圖像重建的加速硬件設(shè)計(jì)中，并將事務(wù)級(jí)建模引入到醫(yī)用CT圖像重建加速硬件體系結(jié)構(gòu)的行為級(jí)建模中。隨后，本文提出了一種醫(yī)用螺旋錐束CT精確重建的加速硬件體系結(jié)構(gòu)，并在事

7、務(wù)級(jí)進(jìn)行了行為級(jí)建模，給出了實(shí)現(xiàn)這種精確重建方程的一種VLSI體系結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)該體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，指出了該體系結(jié)構(gòu)的性能瓶頸是片上存儲(chǔ)器的容量大小，并根據(jù)片上存儲(chǔ)器的不同容量對(duì)此體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，片上存儲(chǔ)器的容量對(duì)加速硬件性能有顯著影響。在我們的實(shí)驗(yàn)中，如果將該硬件的片上幀投影存儲(chǔ)器的容量增加一倍，那么重建速度可以提高接近3倍；
　　(5)本文在醫(yī)用圓軌跡扇束CT掃描機(jī)上，使用投影幀驅(qū)動(dòng)重建算法實(shí)現(xiàn)了一種FBP