螺旋锥束ct三维图像重建算法中求导模块的设计与实现

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1、工学硕士学位论文螺旋锥束ＣＴ三维图像重建算法中求导模块的设计与实现贾喜元哈尔滨工业大学2008年12月国内图书分类号：TN47国际图书分类号：621.3.049.77工学硕士学位论文螺旋锥束CT三维图像重建算法中求导模块的设计与实现硕士研究生：贾喜元导师：张岩教授申请学位：工学硕士学科、专业：微电子学与固体电子学所在单位：深圳研究生院答辩日期：2008年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN47U.D.C:621.3.049.77DissertationfortheMasterDegreeo

2、fEngineeringDESIGNANDIMPLEMENTATIONOFDERIVATIVEMODULEIN3DSPIRALCONE-BEAMCTRECONSTRUCTIONCandidate:JiaXiyuanSupervisor:Prof.ZhangYanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MicroelectronicsandSolid-StateElectronicsAffiliation:ShenzhenGraduateSchoolDate

3、ofDefence:December,2008Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要CT(ComputedTomography)作为标准的医学图像技术于1972年被应用于临床，它是通过测量穿透物体的X射线衰减值来重建物体的图像。早期，我们只能重建二维平面的物体图像，随着计算技术的发展，如今我们可以通过螺旋扫描的方式实现三维物体图像重建。螺旋线锥形束CT因其具有长物体图像重建与对X射线的有效利用率而被广泛关注，同时也

4、产生了多种实现算法，但由于其算法的复杂性一直制约其算法的应用。2002年，Katsevich提出的滤波反投影算法代表了这一领域的重大突破并由此衍生发展出了BPF与MD-FBP等算法，但仍对计算量与硬件资源有很高的要求。伴随着VLSI的发展，使其硬件实现成为可能，如今螺旋锥束CT三维图像重建的硬件实现成为了研究热点。本文主要对目前三维重建领域中的FBP(FilteredBackprojection)、BPF(BackprojectionFiltered)和MD-FBP(MinimalDataFilteredBackproje

5、ction)算法进行研究比较，通过分析发现每种算法的第一步运算都是微分导数的计算，其运算速度与并行化的程度对其后的运算有很大影响，因此确定了用FPGA实现重建算法中求导模块的方案。微分算法由于其本身的算法特性，主要有两大难点。第一点，其输入数据是高耦合复用的，为此设计了类乒乓传输机制来解耦，利用双端口RAM搭建缓存系统，以有限状态机控制其数据传输；第二点，微分运算的代数复杂性，为了解决这一问题，使用FPGA上的硬核资源DSP48E构成了四路并行五级流水线计算单元来进行数学运算。经过代码综合后，其工作频率可在250MHZ下安

6、全运行，最后将其硬件实现与PC机上的软件实现进行了比较，硬件实现在速度与存储器需求方面都优于软件实现。关键词CT；KatsevichFBP；BPF；MDFBP；定点化-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractCT(ComputedTomography)isastandardmedicalimagingtechniquewhichfirstlycameintoclinicaluseinthe1972.Itmeasuresx-rayprojectionsthroughanobject,andmathematicall

7、yreconstructsthex-rayattenuationfunctionoftheobject.Earlytime,reconstructionofthetwo-dimensionimageoftheobjectwasimplemented.Alongwiththecomputingtechnologydevelopment，thethree-dimensionimageoftheobjectcanbereconstructedatpresentusingthespiralcone-beamCT.Sincespir

8、alcone-beamCTisusedforrapidvolumetricimagingwithhighlongitudinalresolutionandefficientutilizationofX-raysource,moreandmorepeopleareinterestedinthisfield