基于CUDA的GPU加速迭代重建算法研究.pdf

1、X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于臨床和工業(yè)領(lǐng)域。其中CT重建算法作為CT技術(shù)的核心部分，一直是CT成像技術(shù)研究的熱點(diǎn)。CT重建算法主要分為解析重建和迭代重建。解析重建為目前使用最為廣泛的重建算法，其特點(diǎn)是重建速度快、成像質(zhì)量好，但需要均勻分布在180°或360°范圍內(nèi)的足夠投影數(shù)據(jù)。然而在實(shí)際應(yīng)用中，常無(wú)法獲得滿足這樣要求的投影數(shù)據(jù)，如劑量限制導(dǎo)致投影數(shù)據(jù)分布稀疏，或者射線無(wú)法穿過(guò)高密度區(qū)域?qū)е峦队皵?shù)據(jù)的丟失。在有限角度投影

2、數(shù)據(jù)情況下，采用解析法重建將導(dǎo)致嚴(yán)重偽影。這種情況下，為了獲得較好的重建圖像，通常采用迭代重建算法。
　　迭代重建算法適用于各種形式的采集數(shù)據(jù)，即使是有限角度投影數(shù)據(jù)的情況，也能重建出較好的圖像，但是重建計(jì)算量大，重建時(shí)間長(zhǎng)。目前，重建速度已成為制約其廣泛應(yīng)用的最大瓶頸。因此，研究如何提高迭代重建算法的效率，在理論和實(shí)際應(yīng)用中都具有較高的價(jià)值。
　　本文利用基于計(jì)算機(jī)統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)(CUDA)的高性能并行計(jì)算圖形處理器(GPU

3、)對(duì)迭代重建算法加速進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1)采用CUDA對(duì)經(jīng)典的聯(lián)合代數(shù)迭代重建算法（SART）進(jìn)行了加速，根據(jù)其正投影和反投影的特點(diǎn)，采用了兩種主要技術(shù)將SART融入CUDA架構(gòu):(1)正投影采用帶有GPU三維紋理插值的射線驅(qū)動(dòng);(2)反投影采用帶有共享存儲(chǔ)器的體素驅(qū)動(dòng)，可避免一些冗余計(jì)算。根據(jù)射線和體素的獨(dú)立性我們采用以上兩種技術(shù)設(shè)計(jì)CUDA內(nèi)核，其中每個(gè)內(nèi)核代表計(jì)算一條射線的投影值或計(jì)算一個(gè)體素的反投影值。因

4、此，可以實(shí)現(xiàn)大量的并行化，顯著提升計(jì)算性能。
　　2)對(duì)TV算法進(jìn)行了研究，將TV最小化算法與SART重建算法相結(jié)合，提出了TV-SART重建算法，并采用CUDA對(duì)其進(jìn)行了加速。模擬和實(shí)際實(shí)驗(yàn)表明，TV-SART能很好的抑制噪聲，獲得十分平滑的重建圖像。
　　3)在單GPU基礎(chǔ)上，本文提出了多GPU加速重建。
　　利用了多個(gè)GPU內(nèi)核的計(jì)算能力，在保證圖像質(zhì)量的情況下，進(jìn)一步提高了重建速度;克服了工程中重建數(shù)據(jù)量較大，