基于katsevich算法的cbct多切片重建的优化设计与gpu实现

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1、硕士学位论文基于Katsevich算法的CBCT多切片重建的优化设计与GPU实现OPTIMIZATIONFORCBCTMULTI-SLICERECONSTRUCTIONBASEDONKATSEVICHALGORITHMANDIMPLEMENTATIONONGPU郑海刚哈尔滨工业大学2016年12月万方数据国内图书分类号：TN47学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文基于Katsevich算法的CBCT多切片重建的优化设计与GPU实现硕士研究生：郑海刚导师：张岩教授申请学位：工程硕士学科：集成电路工程所在单位：深圳研究生院答辩日期：2016年12月授予学位

2、单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedIndex:TN47U.D.C:621.3DissertationfortheMaster’DegreeofEngineeringOPTIMIZATIONFORCBCTMULTI-SLICERECONSTRUCTIONBASEDONKATSEVICHALGORITHMANDIMPLEMENTATIONONGPUCandidate：ZhengHaigangSupervisor：Prof.ZhangYanAcademicDegreeAppliedfor：Master’sDegreeofEngineeringSpeciality：Integrat

3、edCircuitEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要螺旋CBCT当前广泛用于临床检测、射线探伤等行业，随着电子信息、传感器的快速发展及应用需求的提高，对其重建质量、成像速度及资源消耗都提出了更高的要求。作为精确重建的Katsevich算法能够保证成像质量，但因计算复杂、成像时间长限制了其应用。Katsevich算法的各种软硬件

4、优化方案不断被提出，但仍然难以满足实际应用中的要求。GPU的硬件结构决定了GPU的并行特点及超强的运算性能，CUDA编程技术使GPU用于通用计算领域更加便捷，两者给Katsevich算法并行加速提供了条件。在Katsevich算法实现多切片重建的过程中，反投影步骤是计算最复杂、资源消耗最大的步骤。本文在锥束覆盖理论的基础上，提出了一种基于相邻切片旋转对称性的反投影法。通过设定切片间距为射线源Z轴间距的整数倍，构造出相邻切片旋转对称性。利用该性质，对当前切片上待重建点的对应的投影数据信息进行平移和旋转操作，可以得出新切片对应的投影数据贡献度。投影数据贡献范围使用判决边界进行判断，继而使用旋

5、转矩阵加速判决边界计算。相比于PI线法，时间和空间复杂度都有降低。使用Matlab进行了相关仿真分析并成功重建出清晰的切片影像，验证了算法的有效性。本文结合重建算法和GPU特点，给出了优化后的Katsevich算法的滤波和反投影子模块的并行加速方案。在微分求导过程中合理组织线程块，充分提高SP利用率，减少内存访问冲突；在插值模块中，使用常量内存存储插值变换模板及插值系数，常量内存的使用也加快了访问速度；在离散希尔伯特模块，使用傅里叶变换对处理输入实信号的卷积，减少计算量，使用CUFFT函数库实现FFT变换对；在反投影模块，初始化判决边界数组作为模板存放在全局内存空间，待重建切片根据距初始

6、切片的位置使用旋转矩阵更新对应的判决边界数组，并且一个thread负责一列体素的重建。在保证重建质量的前提下，相比于CPU重建，GPU重建实现了130倍左右的加速比。相比于PI线法反投影重建2563规模切片，本文提出的基于旋转对称性的反投影不仅重建时间减少0.4秒，内存消耗仅仅是三分之一。关键词：CBCT重建；Katsevich；GPU；PI线；锥束覆盖-I-万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractHelicalCBCTiswidelyusedinmedicalandindustrialfields.Withthedevelopmentoftechnologyandappl

7、icationrequirements,higherrequirementsareputforwardaboutimagingquality,reconstructionspeedandresourceconsumption.Asanexactreconstructionalgorithm,theKatsevichalgorithmcanguaranteetheimagequality.Butthecomplexcalculatio