FPGA加速三维CT图像重建：并行无等待流水线技术

"FPGA在三维CT图像重建中的加速应用，主要针对FDK算法进行优化，采用并行无等待流水线的实现策略，显著提升了重建效率。" 本文关注的是如何使用现场可编程门阵列（FPGA）来加速三维CT（Computed Tomography）图像重建过程中的经典算法——FDK（Feldkamp-Davis-Kress）算法。三维CT成像技术具有高空间分辨率和各向同性的优点，但其运算量大、重建时间长的问题限制了其实用性。为解决这一问题，研究者们开始探索硬件加速的可能性，FPGA因其可编程性和高并行计算能力成为一种有效的解决方案。 早期的研究如Miriam Leeser和Iain Goddard等人分别在2002年和2003年利用FPGA实现了二维和三维CT重建的加速，但仍有待提高。本文提出的并行无等待流水线设计则进一步优化了FPGA的性能，旨在最大化利用其片内资源，从而达到更高的加速效果。 FDK算法的核心在于反投影计算，这是整个重建过程中最耗时的部分。为加速这一过程，本文的重点是FPGA中的反投影硬件加速实现。反投影涉及对旋转一周采集的数据进行处理，由于每个分度下的投影数据处理相互独立，因此可以并行计算。设计中，每个反投影单元被设计为能够在保证速度的同时并行处理尽可能多的单元。 流水线设计是加速的关键，特别是在双线性插值阶段，每个时钟周期应更新一个数据。然而，读取所需数据的4个时钟周期可能导致前级读取速度慢于后级计算速度，产生所谓的“空泡”，降低了处理速度和资源利用率。为解决这个问题，文章提出了使用双口RAM进行数据预取和乒乓操作，有效避免了对外部存储器的随机访问，从而减少了延迟，提高了整体系统的吞吐量和资源效率。 本文通过深入研究FPGA的特性，设计了一种并行无等待流水线架构，以加速三维CT图像重建中的FDK算法，显著缩短了重建时间，提升了系统性能，对于推动三维CT技术在医学和工业等领域的广泛应用具有重要意义。