X射线CT重建算法加速研究及实现

发布时间：2020-06-17 05:30

【摘要】：在X射线计算机断层扫描(Computed Tomography,CT)中,重建算法扮演着极其重要的角色,而重建速度与实际应用领域中的需求是分不开的。特别是,随着面阵探测器的分辨率以及工程对重建图像分辨率的提升,导致重建数据量骤增,现有重建算法的执行效率无法满足应用要求。其次为了实现有限角度、稀疏角度、多能谱情况下的高质量重建,迭代重建算法具有优势,但是计算复杂度高、重建速度慢、工程应用受限。因此,本文从常用重建算法的硬件和软件加速方式入手,在重建算法加速方面做了相关研究:1.硬件加速主要表现为借助CUDA架构。当前的GPU并行架构在诸多重建加速上表现良好,但在处理高分辨图像的重建中会遇到显存不足以及CPU与GPU之间频繁数据交换致使重建时间增长的问题。本文针对上述问题做了相关数据传输线程的优化。开辟专门的数据传输线程解决数据量庞大显存不足的问题,将现有的CPU同GPU串行数据访问模式更改为并行,实现了数据传输和CT重建并行,有效提高了算法重建的速度和效率。2.软件加速主要表现为优化繁琐的运算和降低算法的复杂程度。实时成像和投影数据不足一直是CT技术的研究热点。虽然迭代算法在投影数据不足和投影角度分布不均有着优势,但同样会遇到重建迭代时间长,收敛速度慢的问题。针对问题本文以已经获得加速的OS-SPS算法为基础,研究了松弛线性化增广拉格朗日实现方法。通过仿真验证,相比于OS-SPS算法,论文改进的重建方法在迭代4次的时候开始收敛,有效提高了算法的收敛速度。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;O434.1
【图文】：

CT 重建是多门学科知识结合的综合性知识，重建从开始到结束的整个过程是既复杂性高又综合性强。对于 CT 技术的研究者来说，详细认真的学习 CT 重建的原理以及对成像系统和经过的了解都是极其重要的。CT 图像重建算法在 CT 成像系统的中扮演着至关重要的角色。只有通过对具体的 X 射线扫描方式、工作原理及重建的数学和物理基础都理解，才可以开展对 CT 重建算法的研究。2.1 CT 成像系统构成完成整个 CT 图像的重建过程，从 X 射线束照射到探测目标开始直到获得其内部结构的断层信息图像，需要 CT 系统中的射线源系统、准直器、探测器、数据采集系统、扫描机、计算机系统等相互协作配合[48]。如图 2.1 所示。

中北大学学位论文减来确定检测目标的结构。现有的 CT 成像系统主要用到的射线源有 X 射线管和直线加速器[49]。直线加速器借助磁场为管内电子提速，让其轰击靶物质，进而产生 X 射线，主要用于工业和材料的检测。实际上，直线加速器与 X 射线管的区别在于对电子的加速方式不同，而真正的工作原理是一致的。一个典型的 X 射线管的结构如图 2.2 所示，其结构核心是阴极和阳极。 X 射线的产生过程为：在管电压的作用下电子从阴极出发并向阳极运动，轰击常用钨丝制成的靶失去能量，其这部分能量以光子形式发出， X 射线由此产生。

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