醫(yī)用CT圖像解析類重建方程的投影幀驅動重建技術研究.pdf

1、當代醫(yī)用CT掃描機大多采用解析類重建方程進行CT圖像重建。對于醫(yī)用CT圖像解析類重建方程的數值求解，當前基本采用“體素-體素”的重建算法，這種算法的特點是逐一重建感興趣區(qū)每個體素的X射線衰減系數，并以此獲得整個感興趣區(qū)的X射線衰減系數函數分布。這種算法的優(yōu)點是，技術成熟、使用基于通用處理器的計算平臺就可以實現。這種算法的缺點是，運算時間長、需要大量的軟、硬件資源進行實現。使用“體素-體素”重建算法的醫(yī)用CT掃描機中，圖像重建子系統(tǒng)在掃描

2、過程中，即投影幀數據的傳輸過程中處于閑置狀態(tài)。另外，在“體素-體素”重建算法的實現過程中，一方面，重建每個體素都需要在多幀投影數據中進行尋址，另一方面，由于單幀投影數據中存在多個體素的投影點，導致這種算法的實現中存在著數據耦合的現象，這兩個因素導致“體素-體素”算法需要對投影數據存儲器進行大量、無規(guī)律的內存存取操作。
　　本論文首先論述了國內外關于醫(yī)用CT圖像解析類重建方程的數值求解方法，接下來針對醫(yī)用CT圖像解析類重建方程提出了

3、一種，實現了面向醫(yī)用CT圖像解析類重建硬件加速的一種行為級建模，最后使用本文提出的重建算法對一種第三代醫(yī)用CT掃描機的圖像重建系統(tǒng)進行了改進。本論文的主要貢獻分列如下：
　　(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動重建算法。首先，基于醫(yī)用CT圖像重建的若干經典解析類重建方程，本文歸納了一個通用的解析類重建方程，并對這個方程進行了證明。隨后，通過對通用方程的積分次序和積分變量進行改進，本文推導了醫(yī)用

4、CT解析類重建方程的投影幀驅動重建算法。這種算法的優(yōu)點在于，第一，在單幀投影傳輸結束之后，圖像重建單元就開始計算；第二，投影幀存儲器的大小可以僅存儲一幀投影，而且對單幀投影數據的存取只需要一次。最后，為了將投影幀驅動重建算法應用到實際的醫(yī)用CT掃描機中，本文針對醫(yī)用CT掃描機中的不同數據傳輸模式，給出了投影幀驅動算法的適用范圍以及時間模型，同時根據時間模型，給出了在投影幀驅動算法中，數據傳輸耗費時間和和圖像處理耗費時間的量化關系；

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

6、，本文提出了一種基于投影幀驅動重建算法的螺旋錐束CT精確重建方程的改進的重建算法，同時，本文給出了這種重建算法中對濾波投影數據和感興趣區(qū)衰減系數的插值方法；
　　(4)為了使用加速硬件對醫(yī)用CT圖像重建中的關鍵模塊進行加速計算，本文將VLSI前端設計流程引入到了醫(yī)用CT圖像重建的加速硬件設計中，并將事務級建模引入到醫(yī)用CT圖像重建加速硬件體系結構的行為級建模中。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構，并在事

7、務級進行了行為級建模，給出了實現這種精確重建方程的一種VLSI體系結構。然后根據該體系結構的特點，指出了該體系結構的性能瓶頸是片上存儲器的容量大小，并根據片上存儲器的不同容量對此體系結構進行了性能分析。實驗結果表明，片上存儲器的容量對加速硬件性能有顯著影響。在我們的實驗中，如果將該硬件的片上幀投影存儲器的容量增加一倍，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掃描機上，使用投影幀驅動重建算法實現了一種FBP