CN101268950B - 基于cell宽频引擎的螺旋ct精确重建系统 - Google Patents

Abstract

一种图像处理技术领域的基于CELL宽频引擎的螺旋CT精确重建系统，其中：投影采集模块采集到的数据经过滤波、去噪声预处理后保存在数据采集器的存储器中，等待与DMA控制模块交互；DMA控制模块从投影采集模块中选择重建需要的投影数据，并将数据传递给图像重建模块；图像重建模块采用螺旋CT精确重建算法，首先通过滤波反投影或反投影滤波重建算法得到PI坐标系中的重建结果，再通过数据重排PI坐标系中的重建结果通过坐标变换转化为笛卡尔坐标系中的结果，最后存储重建结果并通过显示输出模块给出重建图像。本发明根据Cell芯片的指令集对精确重建算法的实现进行优化，以提高并行效率和加速比，改善重建系统的性能。

Description

基于CELL宽频引擎的螺旋CT精确重建系统

技术领域

本发明涉及的是一种图像处理技术领域的系统，特别是一种基于CELL宽频引擎并行实现的螺旋CT精确重建系统。

背景技术

螺旋CT已经在临床上得到了广泛的应用。在CT检查中，待测对象平躺在检查床上，装有X射线源和X射线探测器安装在同一门架内，当门架旋转时，检查床沿垂直于门架的方向做直线运动。这样，以待测对象作为参考系观察，X射线源的运动轨迹为一条螺旋线。由X射线源发出的X射线穿过待测对象，经过衰减的信号被对侧的探测器所接收，CT成像的目标即是从接收到的投影数据中重建出三维图像。

2002年提出的Katsevich精确重建算法是CT理论的重大突破，该算法采用一维移不变的滤波运算，且重建物体中的任一点所用到的投影数据对应的扫描角度不大于360度，从而完美地解决了长物体问题。Katsevich算法的精确与高效引起了广泛的关注，很快成为研究热点。然而该算法要求的数据量大，运算时间长，阻碍了其临床应用。当投影数据逐渐增大时，运算量的问题尤为突出。

采用并行运算技术是解决这一问题的有效途径。IBM公司最新推出了Cell宽频引擎架构(Cell Broadband Engine Architecture，CBEA)，其中单颗Cell处理器的核心可以达到250Gflops的浮点运算能力，运算速度是目前NVIDIA最强的3D显示芯片的六倍。Cell处理器包含一个主处理单元(PPE)和八个协处理单元(SPE)，这种多核架构并行度好，时钟频率高，拥有庞大的总线与内存带宽，十分适合CT重建算法的实现。

经对现有技术的文献检索发现，中国发明专利(申请号No.200710041120.6)提出了一种CT并行重建系统，但该系统采用的是基于MPI的集群运算技术，在重建中节点之间的数据交互会影响重建速度。随着重建精度的提高，投影数据量的增大，节点间的数据传输会降低并行重建系统的加速比。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于Cell平台的螺旋CT精确重建系统。该系统中Cell芯片的八个协处理单元(SPE)能够并行地处理投影数据，主处理单元(PPE)负责调度和整合重建结果。同时根据Cell芯片的指令集对精确重建算法的实现进行优化，以提高并行效率和加速比，改善重建系统的性能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括四个模块：投影采集模块、DMA(直接内存存取)控制模块、图像重建模块和显示输出模块。投影采集模块采集到的数据经过滤波、去噪声预处理后保存在数据采集器的存储器中，等待与DMA控制模块交互；DMA控制模块从投影采集模块中选择重建需要的投影数据，并将数据传递给图像重建模块。图像重建模块采用螺旋CT精确重建算法，首先通过滤波反投影或反投影滤波重建算法得到PT坐标系中的重建结果，再通过数据重排PI坐标系中的重建结果通过坐标变换转化为笛卡尔坐标系中的结果。最后存储重建结果并通过显示输出模块给出重建图像。

所述的投影采集模块包括一个X射线源，一个准直器，一个X射线探测器，一个数据采集器和能够绕中心轴旋转的机架。X射线源及其对应的准直器、探测器安放在同一个机架上，由X射线源发出的X射线经过准直器，穿过被测物体后被对面的X射线探测器接收。X射线探测器采集到的投影数据保存在数据采集器中，等待图像重建时使用。投影采集模块还包括一个检查床，该检查床沿着机架的中心轴穿过机架，其作用是放置被测对象。当安放有X射线源和准直器、X射线探测器的机架绕中心轴转动时，检查床沿着机架的中心轴做直线运动。

所述的DMA控制模块读取投影采集模块得到的投影数据，供图像重建模块使用。由于SPE(协处理单元)的局部存储容量有限，不可能将所有投影数据复制到SPE中，因此需要采用DMA(直接内存存取)的方式读取投影数据。但传统的顺序DMA读取方式会导致SPE在DMA读取时发生空闲，影响重建速度。DMA控制模块利用Cell平台的特性，在多个通道同时发出DMA命令，读取投影数据。在等待DMA读取期间，图像重建模块中的SPE利用上一个DMA周期中各个通道读取的投影数据依次进行重建。当重建完成之后，该周期的DMA读取也即将结束，即下一轮重建所需的投影数据也正好准备就绪。此时可以重复上述过程，再次发出多通道DMA命令并开始重建。

所述的图像重建模块采用螺旋CT精确重建算法，通过DMA控制模块读取投影数据，完成重建过程。该图像重建模块包括四个子模块，分别是微分子模块、反投影子模块、希尔伯特滤波子模块和数据重排子模块。其中：

所述的微分子模块在主处理单元(PPE)中进行，该子模块直接读取投影采集模块数据采集器中的投影数据，计算投影数据相对于投影角度的微分，并将微分结果保存回投影采集模块的数据采集器；

所述的反投影子模块在协处理单元(SPE)中进行，该子模块通过DMA控制模块读取投影采集模块中的投影数据，利用二分法计算PI线的两个端点对应的投影角度，并以此作为反投影积分的上下限，计算该点的反投影并传送给希尔伯特滤波子模块；

所述的希尔伯特滤波子模块在协处理单元(SPE)中进行，该子模块接受来自反投影子模块的数据，并与希尔伯特核函数进行卷积，每次卷积之后的结果为沿一条PI线的重建结果；

所述的数据重排子模块在主处理单元(PPE)中进行，该子模块整合各SPE进行希尔伯特滤波之后的结果，得到完整的PI坐标系中的重建结果，经过坐标变换之后重排到笛卡尔坐标系中，数据重排子模块将重建结果输出到显示输出模块。

所述的PI坐标系是指：一个二维直角坐标系，一根轴为PI线，另一根轴为PI线的一个端点的角度参数，PI线的另一个端点的角度参数为固定值；

所述的PI线是指：一个直线段，它的两个端点都位于螺旋线上，且表示这两个端点位置的角度参数之差小于360度。

所述的显示输出模块读取笛卡尔坐标系中的重建结果，首先保存到专用存储设备上，然后在高分辨的医用显示器上显示断层图像；并可以根据用户要求选择灰度窗口和不同角度的截面。

与现有技术相比，本发明采用Cell宽频引擎架构来实现精确重建算法，有益效果是：1)本发明描述的重建系统基于Cell宽频引擎架构，运算速度快，在采用单个Cell芯片的条件下，仿真临床CT投影的数据量，完成整个精确重建过程约为10分钟；2)本发明描述的重建系统在PPE和SPE之间的DMA控制采用多通道技术，数据读取速度比传统的顺序存取技术快2倍以上；3)本发明所描述的并行重建系统能够将重建任务较为平均地分配给Cell芯片的各个SPE，重建速度随SPE个数的增加近似为线性增加，具有很好的并行度。因此增加Cell芯片的个数，还能进一步提高重建速度，满足临床应用的要求。

附图说明

图1本发明实施例的结构框图

图2图像重建模块说明示意图

图3a顺序存取技术示意图

图3b DMA控制模块多通道交叉存取技术示意图

图4SPE加速比示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，实施例采用螺旋锥形束CT的扫描方式，并在Cell/PS3上安装Linux系统，采用滤波反投影精确重建算法对采集到的投影数据进行重建。本发明所述的重建系统包括投影采集模块、DMA控制模块、图像重建模块和显示输出模块四个部分。投影采集模块采集到的数据经过滤波、去噪声预处理后保存在数据采集器的存储器中，等待与DMA控制模块交互；DMA控制模块从投影采集模块中选择重建需要的投影数据，并将数据传递给图像重建模块；图像重建模块采用螺旋CT精确重建算法，首先通过滤波反投影或反投影滤波重建算法得到PI坐标系中的重建结果，再通过数据重排PI坐标系中的重建结果通过坐标变换转化为笛卡尔坐标系中的结果，最后存储重建结果并通过显示输出模块给出重建图像。

投影采集模块包括一个X射线源及其对应的准直器和X射线探测器。由X射线源发出的X射线经过准直器之后，穿过被测物体，被对侧的平板探测器所采集。在本实施例中使用的是X射线探测器为平板探测器，这时经过准直器之后的X射线呈锥形，且X射线源相对于被测对象的规矩为螺旋线，因此这种方式称为螺旋锥形束CT的扫描方式。X射线源每旋转一圈采集1024个投影，平板探测器的采样点数为512×256。投影采集模块还包括一个沿着机架旋转轴方向安置的检查床，被测对象安置在检查床上，检查床沿着与机架垂直的z轴方向做直线运动。平板探测器采集到的投影数据保存在数据采集器中，Cell芯片的主运算单元PPE可以直接访问数据采集器，读取需要的投影数据。

DMA控制模块在投影采集模块和图像重建模块之间建立一种数据传输机制。图像重建模块的主要运算在协处理单元(SPE)中进行。由于SPE局部存储容量有限，不可能将所有投影数据复制到SPE中。本重建系统采用“按需使用DMA”(DMA-on-demand)的方式，即当运算时需要某个投影值时，采用DMA方式来读取数据。然而，如果等待DMA取到数据之后在开始计算，SPE的效率会很低，因为DMA在发出读取命令之后，SPE会有一段时间的空闲。我们在DMA控制模块中采用多通道交叉存取的机制来加快SPE的数据读取速度。

所述的DMA控制模块的工作原理如图3b所示，下面假设投影数据已经保存在投影采集模块的数据采集器中，待重建的是空间中的点x₁，x₂，y₁，y₂。DMA控制模块的作用就是保证在发出DMA命令从投影采集模块读取投影数据的同时，图像重建模块的SPE能够利用前面已经读取的投影数据进行重建，而不是空闲等待。

1)DMA控制模块的通道1、2先后发出DMA命令(dma0)从投影采集模块中读取重建某一点x₁和x₂需要的投影数据；

2)通道1首先完成读取并将读到的投影数据传送给图像重建模块，随即发出dma1读取重建下一点y₁需要的投影数据；

3)通道2完成读取时，通道1已经进入了DMA的等待。这时如果按照顺序存取(如图3a所示)，SPE将处于空闲等待；然而在所述的重建系统中，图像重建模块中的SPE这时开始重建x₁(calc0)，同时DMA控制模块中的的通道2发出dma1读取重建y₂需要的投影数据；

4)图像重建模块重建x₁完成，通道2也已经进入了DMA的等待，可以图像重建模块可以继续重建x₂(calc0)；

5)图像重建模块重建x₂完成，等待DMA控制模块的通道1、2读取重建y₁，y₂所需的投影数据(等待dma1完成)；

6)通道1、2的dma1先后完成，重复上面的步骤2)～5)，DMA控制模块开始读取重建下一点的投影数据(dma2)，同时图像重建模块完成y₁，y₂的重建(calc1)。

以上描述的DMA控制模块采用了多通道交叉存取的工作原理，可以显著提高SPE的运算效率，对重建效果的改善十分明显，重建速度可以提高为原来的3倍以上。

图像重建模块采用反投影滤波精确重建算法，通过DMA控制模块读取投影数据，完成重建过程。所述的反投影滤波精确重建算法是指，先对锥形束投影数据求偏导数，然后进行反投影运算，再沿着PI线进行希尔伯特滤波，最后进行数据重排，得到笛卡尔坐标系中的图像。

螺旋锥形束CT的投影数据可以表示为一个三维数组g(t，u，v)，其中t表示投影角度，u，v分别表示在平板探测器上的二维坐标。图像重建模块包括四个子模块，分别是微分子模块、反投影子模块、希尔伯特滤波子模块和数据重排子模块。其主要运算在协处理单元中完成，如图2所示，SPE_j(其中j＝1，2…，8)表示重建模块中的第j个SPE。下面描述各子模块的组成及其相互关系。

所述的微分子模块在PPE中进行，该子模块直接读取投影采集模块中的投影数据g(t，u，v)，计算其相对于投影角度t的微分，在离散情况下，微分可以用相邻点之间的差分来计算，微分后得到的结果记为D_g(t，u，v)，存储到投影采集模块的数据采集器中。

所述的反投影子模块在SPE中进行，该子模块通过DMA控制模块读取投影采集模块的数据，对于空间中的任何一点x，反投影子模块采用二分法计算通过该点的PI线，并以该PI线的起始和终止点对应的投影角度作为积分的上下限，计算该点的反投影D^#(x_π，t₁，t₂)，并传送给滤波子模块。

所述的滤波子模块在SPE中进行，该子模块接受来自反投影子模块的数据，将反投影D^#(x_π，t₁，t₂)与希尔伯特变换核h(x_π)卷积，即沿着PI线的方向滤波，用数学公式可以表示为

$H(x_{\mathrm{\π}},t_1,t_2)=\underset{L^{\′}}{\overset{U^{\′}}{\∫}}\frac{\sqrt{(U^{\′}-x_{\mathrm{\π}}^{\′})(x_{\mathrm{\π}}^{\′}-L^{\′})}{D}^{\#}(x_{\mathrm{\π}},t_1,t_2)}{\mathrm{\π}(x_{\mathrm{\π}}-x_{\mathrm{\π}}^{\′})}{\mathrm{dx}}_{\mathrm{\π}}^{\′}$

公式中所述的L′和U′分别表示反投影数据紧支集的下界和上界。滤波后的数据传送给数据重排子模块，此时即为PPE。

所述的数据重排子模块是指，PPE收集各SPE的重建结果，整合为PI坐标系中完整的重建结果，并通过坐标变换的方法转换到笛卡尔坐标系中。也就是说，给定空间一点，用二分法求得经过该点的PI线，从而得到该点在PI坐标系中的坐标。这样，数据重排将PI坐标系中的重建结果f_π(x_π，t₁，t₂)转换为笛卡尔坐标系中的重建结果f(x，y，z)。最后数据重排子模块将重建结果输出到显示输出模块。

图2表明了计算任务是如何分配到各个SPE的，虚线框表示数据，实线框表示成像设备或运算单元。图像重建模块的操作在框图的下方标出。

显示输出模块是指，在重建完成后，PPE将重建数据保存到存储设备上，并根据用户的需要将重建结果显示在高分辨率的医用显示器上。显示输出设备包括人机交互界面，由用户选择显示的灰度窗口和需要显示的截面。

本实施例采用Cell/PS3系统进行重建，由于各SPE之间不存在数据交互，因此并行重建系统的加速比接近1。实施例中采用6个SPE，实施效果如附图4所示，横轴表示SPE的个数，纵轴表示每分钟重建的层数。如图4所示，可以看出，使用单个SPE情况下每分钟可以重建10.8层，而6个SPE情况下每分钟可以重建62.2层。因此，并行系统的重建速度为单SPE重建速度的5.9倍以上。并行系统重建速度为目前经济型单核CPU的6倍左右，而单个Cell芯片的价格远低于6个全功能CPU，表明本并行重建系统有很好的性价比。

Claims (6)

1.一种基于CELL宽频引擎的螺旋CT精确重建系统，其特征在于，包括四个模块：投影采集模块、DMA控制模块、图像重建模块和显示输出模块，其中：投影采集模块采集到的数据经过滤波、去噪声预处理后保存在数据采集器的存储器中，等待与DMA控制模块交互；DMA控制模块从投影采集模块中选择重建需要的投影数据，并将数据传递给图像重建模块；图像重建模块采用螺旋CT精确重建算法，首先通过滤波反投影或反投影滤波重建算法得到PI坐标系中的重建结果，再由数据重排PI坐标系中的重建结果通过坐标变换转化为笛卡尔坐标系中的重建结果，最后存储该笛卡尔坐标系中的重建结果并通过显示输出模块给出重建图像；

所述的PI坐标系是指：一个二维直角坐标系，一根轴为PI线，另一根轴为PI线的一个端点的角度参数，PI线的另一个端点的角度参数为固定值；

所述的PI线是指：一个直线段，它的两个端点都位于螺旋线上，且表示这两个端点位置的角度参数之差小于360度。

2.根据权利要求1所述的基于CELL宽频引擎的螺旋CT精确重建系统，其特征是，所述的投影采集模块包括：一个X射线源、一个准直器、一个X射线探测器、一个数据采集器和能够绕中心轴旋转的机架，X射线源及其对应的准直器、探测器安放在同一个机架上，由X射线源发出的X射线经过准直器，穿过被测物体后被对面的X射线探测器接收，X射线探测器采集到的投影数据保存在数据采集器中，等待图像重建时使用。

3.根据权利要求1或2所述的基于CELL宽频引擎的螺旋CT精确重建系统，其特征是，所述的投影采集模块包括一个检查床，该检查床沿着机架的中心轴穿过机架，用于放置被测对象，当安放有X射线源和准直器、X射线探测器的机架绕中心轴转动时，检查床沿着机架的中心轴做直线运动。

4.根据权利要求1所述的基于CELL宽频引擎的螺旋CT精确重建系统，其特征是，所述的DMA控制模块利用Cell平台的特性，在多个通道同时发出DMA命令，读取投影数据，在等待DMA读取期间，图像重建模块中的协处理单元利用上一个DMA周期中各个通道读取的投影数据依次进行重建，当重建完成之后，该周期的DMA读取也即将结束，即下一轮重建所需的投影数据也正好准备就绪，此时可重复上述过程，再次发出多通道DMA命令并开始重建。

5.根据权利要求1所述的基于CELL宽频引擎的螺旋CT精确重建系统，其特征是，所述的图像重建模块包括四个子模块，分别是微分子模块、反投影子模块、希尔伯特滤波子模块和数据重排子模块，其中：

所述的微分子模块在主处理单元中进行，该微分子模块直接读取投影采集模块数据采集器中的投影数据，计算投影数据相对于投影角度的微分，并将微分结果保存回投影采集模块的数据采集器；

所述的反投影子模块在协处理单元中进行，该反投影子模块通过DMA控制模块读取投影采集模块中的投影数据，利用二分法计算PI线的两个端点对应的投影角度，并以此作为反投影积分的上下限，计算该点的反投影并传送给希尔伯特滤波子模块；

所述的希尔伯特滤波子模块在协处理单元中进行，该希尔伯特滤波子模块接受来自反投影子模块的数据，并与希尔伯特核函数进行卷积，每次卷积之后的结果为沿一条PI线的重建结果；

所述的数据重排子模块在主处理单元中进行，该数据重排子模块整合各协处理单元进行希尔伯特滤波之后的结果，得到完整的PI坐标系中的重建结果，经过坐标变换之后重排到笛卡尔坐标系中，数据重排子模块将重建结果输出到显示输出模块。

6.根据权利要求1所述的基于CELL宽频引擎的螺旋CT精确重建系统，其特征是，所述的显示输出模块读取笛卡尔坐标系中的重建结果，首先保存到专用存储设备上，然后在医用显示器上显示断层图像，并根据用户要求选择灰度窗口和不同角度的截面。

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