基于CPU-GPU加速的扩散光学断层成像软件框架设计与实现

发布时间：2020-10-16 03:57

　　 扩散光学断层成像(Diffuse optical tomography,DOT)是一种新型近红外组织功能成像技术,和传统成像技术相比,具有特异性强、成本低、无侵害等优点。DOT在乳腺癌早期检测、新辅助化疗、药物疗效在体评估等领域有着较好的应用前景。然而,DOT重建是一个复杂的数学迭代过程,其运算量非常大。本文工作围绕如何准确以及高效地重建光学参数进行展开,主要包含如下三个方面:1.DOT重建算法设计。根据DOT重建原理,设计了重建算法的实现方案。基于有限元法(Finite Element Method,FEM)针对连续波(Continuous Wave,CW)以及频域(Frequency Domain,FD)DOT重建过程中正向与逆向问题,设计了刚度矩阵运算、雅克比矩阵运算、光源向量计算以及节点光子密度求解等过程的计算方案。2.DOT加速方案设计。根据重建算法的可并行性,提出了连续波DOT以及频域DOT重建的加速方案,并进行验证。基于中央处理单元(Central Processing Unit,CPU),图形处理单元(Graphic Processing Unit,GPU)对DOT重建中的刚度矩阵计算部分、雅克比矩阵计算部分、更新量计算部分进行加速,获得了较大的加速比,在三维连续波DOT重建中,当重建网格含有61322个节点,使用5292对源-探测器对时加速比为22.50;在三维频域DOT重建中,当重建网格含有61322个节点,使用2916对源-探测器对时加速比为17.78。3.DOT重建软件开发。基于Visual Studio平台上开发出一套用于DOT重建的C++版本软件。该软件功能广泛,可以实现二维连续波、三维连续波、二维频域、三维频域重建;通过多组连续波、频域仿真以及仿体实验对该软件的重建精度进行了验证,证明其具有较高的重建精度;另外,在不同的重建问题规模、不同重建类型条件下,本文使用常用的DOT重建软件NIRFAST(Near Infrared Fluorescence and Spectral Tomography)与本软件进行速度对比实验,结果表明本软件在不同的实验条件下均比NIRFAST快10倍以上。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.41;TP332
【部分图文】：

DOT成像探测过程示意图

DOT 三种测量方式示意图 (a)连续波测量，(b)时域测量，OT 重建方法涉及正向问题和逆向问题。正向问题描述的是近红之后最终到达探测器的过程。逆向问题描述的是通

光在组织体中的实际传输模型
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本文编号：2842721