CT图像重建算法的FPGA实现 影像学, 技术, 医学

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第一章 绪论
1.1 引言
计算机断层摄像技术CT（Computerized Tomography）是20世纪医学的重大成果之一，该成果将计算机应用于医学领域，使医学射线学发生了革命性的变化。自从CT问世以来，计算机科学与生物医学工程相结合，形成了计算机医学图像研究的新领域，并为生命科学的研究提供了新的方法，成为近年来世界科技界最活跃、最富有生机和成就的领域之一。

医学影像学将数字图像处理技术和计算机图形学技术广泛的应用于生物医学领域中，通过把人体的内部结构以图像或图形的方式显示出来，提高了医疗诊断的可靠性，使治疗能够准确和彻底。

1.2 医用CT的简介
CT是计算机X射线断层造影术（Computerized Tomography）的简写。CT的发明是20世纪后期最重大的科技成果之一，由Hounsfield于1969年设计成功，1972年公诸于世。

CT利用人体各种组织（包括正常和异常组织）对X射线的吸收不等这一特性，将人体某一选定层面分成许多立方体小块（这些立方体小块称为体素），X射线通过人体测得每一体素的密度或灰度，即为CT图像上的基本单位，称为像素。它们排列成行列方阵，形成图像矩阵。当X射线球管从一方向发出X射束穿过选定层面时，沿该方向排列的各体素均在一定程度上吸收一部分X射线，使X射线衰减。当该X射线束穿透组织层面（包括许多体素）为对面探测器接收时X射线量已衰减很多，为该方向所有体素X射线衰减值的总和。然后X射线球管转动一定角度，再沿另一方向发出X射线束，则在其对面的探测器可测得沿第2次照射方向所有体素X射线衰减值的总和；以同样方法反复多次在不同方向对组织的选定层面进行X射线扫描，即可得到若干个X射线衰减值总和。在上述过程中，每扫描一次，即可得一方程。该方程中X射线衰减总量为已知值，而形成该总量的各体素X射线衰减值是未知值。经过若干次扫描，即可得一联立方程组，经过计算机运算可解出这一联立方程组，而求出每一体素的X射衰减值，再经模/数转换，使各体素不同的衰减值形成相应各像素的不同灰度，各像素所形成的矩阵图像即为该层面不同密度组织的灰度图像。


图1.1 医学螺旋CT机实物照片


图1.2 CT检查示意图

螺旋CT检查包括两方面的基本内容：一是X射管及探测器连续360°旋转；二是患者同时随检查床匀速推进，如图1.2所示。在扫描时间内，X射线焦点对病人作螺旋式运动，并同时收集这一范围的全部扫描数据，用线性内插法重建图像。


图1.3螺旋X-CT扫描机的系统结构示意图

如图1.3所示，医用X-CT机的系统结构主要由六大部分组成，其各部分的作用如下：

(1)X射线源：产生用来检测被测物的X射线，X射线源包括X射线球管源（能量在450kV以下）和直线加速器（能量在2MeV以上）。射线源的能量，决定了穿透能力。

(2)探测系统：包括准直器、传感器、信号处理和信号传输等部分，是获取信号的关键部分，也是决定CT性能的关键部分之一。穿过被测物的X射线首先通过准直器准直并离散化，传感器先将射线转换成电信号，信号处理电路再将不规则的信号转换成标准的信号传输到计算机接口。

(3)计算机采集系统：主要由特殊的专用的多信道数据采集接口电路和计算机软硬件组成。完成数据采集、转换、校正、处理等。将采集的数据处理成标准的文件格式，供图像重建、处理使用。

(4)机械扫描系统：作为各部分的载体并提供CT扫描所需的多个自由度的高精度运动。

(5)自动控制系统：包括检测、驱动、控制器（计算机），完成扫描运动控制、系统逻辑和程控、状态监控和安全保护，协调整机工作，并完成系统自检与数据诊断。

(6)图像处理系统：包括图像处理计算机硬件和软件，如用于图像重建与处理的高速计算机、大屏幕图像显示器、大容量数据存贮器、图像拷贝输出设备（打印机）、系统软件及专用软件。完成数据校正、图像重建、处理、分析、测量、图像输出、存贮、显示等。

我们所研究的CT图像重建部分处于图像处理系统中，是整个系统的瓶颈所在，也是决定系统整个过程所消耗时间的关键部分。