[發明專利]用GPU實現壓縮感知超聲成像的方法

有效

• 申請號: 201410578176.5
• 申請日: 2014-10-24
• 公開（公告）號: CN104306022A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 林杰;韓亭玉;賀玉高;石光明
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: A61B8/00
• 分類號: A61B8/00
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱衛星

技術領域

本發明屬于圖像處理技術領域，特別涉及一種用GPU實現快速成像的方法，可用于B超成像。

背景技術

醫學超聲成像經過60余年的發展，它具有相對安全、實時性好、無創、便攜、價格低廉等優點，其與X射線診斷技術、電子計算機斷層掃描CT成像技術、核磁共振成像技術一起稱為現代醫學四大影像技術，已令億萬患者受益。

但是超聲成像仍然存在一些不足，如分辨率不高，多為毫米級；受噪聲干擾嚴重，圖像質量較差；實時性一般。

近年來，在信號處理領域興起的壓縮感知理論吸引了諸多學者的關注，該理論指出，只要信號在某一個空間Ψ上具有稀疏性，就可以利用觀測矩陣對其以遠低于奈奎斯特采樣速率進行觀測，進而利用優化手段高概率地從混疊觀測中重構原信號，這使得傳感器的采樣成本大大降低。而且通過恰當選擇空間Ψ，信號的稀疏性越強，精確恢復原信號的可能性就越大，這樣就會在提高圖像分辨率、抑制噪聲方面有出色的表現。從近幾年國內外發表的文獻來看，對壓縮感知理論的研究已經涉及眾多領域如壓縮感知CS雷達成像、醫學圖像處理、光譜分析、遙感圖像處理等，具有非常廣闊的應用前景。

由于病灶區域與正常組織的密度特征有明顯差別，可認為超聲圖像在空間域是稀疏的，將壓縮感知理論應用到超聲成像可以較好的解決超聲成像分辨率不高和噪聲干擾嚴重的問題，但是壓縮感知理論的問題在于重建過程中觀測矩陣維度巨大、導致計算復雜度高，圖像的重建時間過長。

針對這個問題，以色列學者A.Beck等人在論文“A?fast?iterative?shrinkage-thresholding?algorithm?for?linear?inverse?problems”SIAM?J.IMAGE?SCIENCES,Vol.2.No.1,pp.183-202,2009中提出了快速迭代收縮閾值算法，簡稱FISTA。利用該算法，超聲成像的基本框架可以表示為：

其中，X^*為重建觀測場景散射強度，x為目標向量，b是采樣后超聲陣元接收的回波數據，λ為正則化參數，表示向量ΨX-b二范數的平方，||x||₁表示向量x的一范數。

上述FISTA算法雖然復雜度低，適合求解大規模矩陣的重建問題，同時具備全局收斂性，收斂速度快，使得迭代時間大大縮短。但是，在面對數量級為千兆GB的數據時，仍然需要數分鐘到半小時才能恢復一幅圖像，這并不能滿足對超聲成像的實時性要求。

發明內容

本發明的目的在于針對上述已有技術的不足，提出一種用GPU實現壓縮感知超聲成像的方法，以縮短壓縮感知理論應用于超聲成像時的重建時間，滿足超聲成像的實時性要求。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一.技術原理

2007年，英偉達公司提出了統一計算設備架構CUDA，使圖形處理器GPU具備了容易上手的快速并行計算能力，它采用單指令多線程SIMT的編程模式，具備數百倍乃至上千倍CPU核心數的CUDA核心數，如英偉達精視^TM系列顯卡GTX770擁有1536個CUDA核心，單精度的計算峰值達到3.6TFLOPs。本發明首先建立起壓縮感知超聲成像的數學模型；再將CUDA技術應用到FISTA算法的重建，在重建之前改進了原FISTA算法中迭代步長的計算方式并實現了并行處理。通過采用矩陣分塊思想和CUDA流技術減少數據交換時的延遲，采用指令級并行操作集ILP實現一個線程處理多組數據，調用線性代數函數庫實現矩陣乘法運算的性能最優，最終實現了快速成像。

二、技術方案

根據上述原理，本發明的實現步驟如下：

(1)將超聲探測區域二維離散化，得到N個離散化的像素點，其中N＝T×S，T表示軸向像素的個數，S表示側向像素的個數；

(2)將超聲寬帶脈沖發射信號在頻域均勻采樣得到W個頻點，按頻點順序依次對已離散化的二維探測區域進行一次平面波掃描，每次掃描得到一個長度為A的局部觀測回波向量b_t，并將這W個局部觀測回波向量按從上到下順序合成長度為M＝A×W的觀測回波向量b＝{b₁,...,b_t,...,b_W}，同時保存由這W個頻點產生的回波聲場強度矩陣Ψ₁,...,Ψ_t,...,Ψ_W，其中，A表示超聲線陣的陣元個數，矩陣Ψ_t的寬度為A，長度為N，1≤t≤W；