螺旋锥束CT三维重建中高速流水线DHT的硬件设计与实现

摘要

随着多层螺旋CT(Computed Tomography)的出现，医用CT正在向着螺旋锥束CT转变。用螺旋锥束扫描方式重建得到的图像具有扫描速度快、空间分辨率高等优点，但由于这种成像方式在理论上比较复杂，技术实现也有相当大的难度，尤其在实现的速度方面一直是个难以突破的瓶颈，其中希尔伯特滤波和反投影成像是制约实时性的两个关键步骤。本文是对其中希尔伯特滤波部分做的探索性研究。
　　本文作为螺旋锥束CT（CBCT）三维重建的FPGA硬件加速系统的一部分，研究了Katsevich精确重建算法中滤波部分离散希尔伯特变换的实现方法，提出了高速流水线硬件结构。通过对以此课题为背景的探索，同时提出了离散希尔伯特变换的高速硬件设计方法，并在FPGA平台上成功实现。
　　本文研究内容主要包含以下三个部分：
　　首先，深入研究了螺旋锥束CT Katsevich算法成像过程中的关键步骤，并对希尔伯特滤波及其三种实现方法作了深入剖析和对比，阐述了选取傅里叶变换的方法实现离散希尔伯特变换的理由。
　　其次，对傅里叶变换的几种快速算法进行了展开比较，最终提出使用Winograd算法和CORDIC算法实现流水线DHT，并对具体实现方法进行了深入探讨，最终完成各个部分的设计工作，功能仿真通过。
　　最后在基于Xilinx公司Virtex-5系列XC5VLX50T FPGA器件的ISE10.1环境中实现了其硬件结构。最终仿真正确，综合结果Slice使用率约为50％，最高工作频率可达200MHz，并将整个设计在ML-561开发板上测试通过。
　　本文设计的高速流水线结构的离散希尔伯特变换，具有较大的实际意义，为今后螺旋锥束CT三维图像重建的整体实时实现提供了良好条件，并且在实时性和成本上都有一定的优势，具备良好的应用前景。

目录

螺旋锥束CT三维重建中高速流水线DHT的硬件设计与实现

HARDWARE DESIGN AND IMPLEMENTATION OF HIGH SPEED PIPELINED DHT FOR HELICAL CONE-BEAM CT 3D RECONSTRUCTION

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外相关技术发展历史和现状

1.3 本课题研究的目的及意义

1.4 本文主要研究内容

第2章 Katsevich三维重建算法及DHT的实现方式

2.1 引言

2.2 CBCT原理介绍

2.3 螺旋锥束CT中的Katsevich算法

2.3.1 Katsevich算法的基本概念

2.3.2 Katsevich螺旋CT非移变FBP算法

2.4 离散希尔伯特变换滤波的实现方式

2.4.1 希尔伯特变换的定义

2.4.2 Hartley变换实现DHT

2.4.3 脉动阵列实现DHT

2.4.4 FFT实现DHT

2.5 本章小结

第3章 高速流水线结构DHT的设计

3.1 流水线结构DHT的基本设计原理

3.1.1 硬件结构设计

3.2 DHT中FFT/IFFT的设计

3.2.1 离散傅里叶变换的基本原理

3.2.2 离散傅里叶变换的快速算法

3.2.3 离散傅里叶变换的实现方式

3.2.4 Winograd小点FFT快速算法

3.2.5 CORDIC角度旋转算法

3.2.6 基于Winograd算法和CORDIC算法的FFT/IFFT设计

3.3 基于Winograd算法和CORDIC算法的DHT

3.4 本章小结

第4章 DHT中各模块的RTL设计和功能仿真

4.1 FFT-4和FFT-8模块的设计

4.2 倒序存储器的设计

4.3 基于CORDIC的旋转因子乘法模块实现

4.4 总体仿真及综合分析

4.5 本章小结

第5章 基于Xilinx ML-561开发板的FPGA测试平台的搭建和实现

5.1 FPGA硬件平台

5.1.1 FPGA硬件平台的总体设计

5.1.2 UART接口设计

5.2 测试结构及性能分析

5.2.1 高速全流水结构DHT的综合结果分析

5.2.2 系统测试结果的DHT运算速度分析

5.3 本章小结

结 论

参考文献

附录1 FFT-4和FFT-8模块的部分RTL代码

攻读硕士学位期间发表的论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢