[發明專利]基于FPGA的CT圖像重建硬件加速方法

有效

• 申請號: 201210061660.1
• 申請日: 2012-03-09
• 公開（公告）號: CN102567944A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 閆鑌;張瀚銘;劉擁軍;李磊;潘冬存;王超;張峰;鄧靖飛
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍信息工程大學
• 主分類號: G06T1/20
• 分類號: G06T1/20
• 代理公司: 鄭州大通專利商標代理有限公司 41111
• 代理人: 陳大通

1.一種基于FPGA的CT圖像重建硬件加速方法，其特征是：含有上位PC機、FPGA和DDR2?SDRAM外部存儲器，FPGA中含有PCI-E通信模塊、總線轉換模塊、預處理模塊、DDR2控制模塊、反投影模塊和系統控制模塊，系統控制模塊控制PCI-E通信模塊、總線轉換模塊、預處理模塊、DDR2控制模塊和反投影模塊的工作，通過如下步驟實現CT圖像重建硬件加速：

步驟1、上位PC機將探測器采集的投影數據通過PCI-E接口傳入FPGA中的PCI-E通信模塊，PCI-E通信模塊接收的投影數據通過總線轉換模塊進入預處理模塊中，預處理模塊對接收的投影數據依次進行加權和濾波計算；

步驟2、DDR2控制模塊將經過預處理模塊加權和濾波預處理的投影數據寫入DDR2?SDRAM外部存儲器中，系統控制模塊針對每次重建的區域通過DDR2控制模塊從DDR2?SDRAM外部存儲器中取出相應的數據，然后送入反投影模塊中進行反投影計算，反投影模塊計算后的數據再依次通過DDR2控制模塊、總線轉換模塊、PCI-E通信模塊和PCI-E接口后傳回上位PC機。

2.根據權利要求1所述的基于FPGA的CT圖像重建硬件加速方法，其特征是：所述FPGA在進行FDK算法計算時，加權和濾波計算在投影數據傳輸的過程中通過流水方式實現；反投影計算時采用了按分度并行流水計算和分塊重建的方法：按不同的旋轉分度將背投影分解為多個線程并行處理，各線程計算結束后再進行歸約計算，求得重建數據；各線程在反投影計算時沿旋轉軸方向將待重建區域分成若干塊，重建其中一塊時僅從DDR2?SDRAM外部存儲器取出對應的投影數據進行重建操作。

3.根據權利要求2所述的基于FPGA的CT圖像重建硬件加速方法，其特征是：所述反投影計算采用了基于編號查找表的數據預取方法，基于編號查找表的數據預取的步驟為：

步驟1、對投影數據按縱軸進行分塊，總分塊數目為N，每塊對應一個編號i，i＝1，2，...N；再對重建區域進行分塊，總分塊數目為M，每塊對應一個編號j，j＝1，2，...M；N和M均為大于等于1的自然數；

步驟2、計算每塊重建區域對應的投影數據范圍，該范圍對應的編號為i_start～i_end，其中，1≤i_start≤i_end≤N；建立查找表A，以編號j作為該查找表A的地址，將編號為j的重建區域對應的投影數據編號的開始值i_start和終止值i_end存入查找表A中地址為j的空間中；

步驟3、在反投影計算時，將投影數據先根據要重建的區域從DDR2SDRAM外部存儲器預取到FPGA的內部緩存中，該內部緩存分為P個部分，每個部分對應一個編號x，x＝1，2，...P，且內部緩存的每部分和內部緩存對應的投影數據的每塊大小相同；建立編號查找表B，將編號為x的內部緩存中對應的投影數據編號k_x存入查找表B中地址為x的空間中，其中，1≤k_x≤N，查找表B內存儲的編號的集合為W＝{k_x，x＝1，2，...P}；P為大于等于1的自然數；

步驟4、當重建第一塊區域時，從DDR2SDRAM外部存儲器中取出相應的投影數據存入FPGA的內部緩存中，而重建第一塊區域以后的區域時，先根據當前重建區域的編號j尋址查找表A得到投影數據編號的范圍起始值i_start和i_end，對比查找表B中存儲的投影數據編號集合W，將查找表B中缺少的編號對應的投影數據從DDR2?SDRAM外部存儲器中取出，存入FPGA的內部緩存中已不在當前范圍的編號對應的數據空間中，同時用當前的投影數據編號i’替代查找表B中原先的編號k_n的數值；然后，FPGA對從DDR2?SDRAM外部存儲器讀到FPGA內部緩存中的數據進行反投影處理。

4.根據權利要求2所述的基于FPGA的CT圖像重建硬件加速方法，其特征是：采用以下技術對反投影模塊進行了優化：

優化1：將運算過程中需要多次重復計算的中間變量存入查找表；

優化2：將FPGA的部分存儲空間采用邏輯資源代替；

優化3：分析每個處理流程的消耗時鐘數，消除其中不需要的等待空泡，實現處理流程間的無縫連接；

優化4：對反投影計算的流程進行分析，將時間順序上重復的計算進行合并，再通過寄存器延時分配回各級運算。