Implementace metody rekonstrukce obrazu ve výpočetní tomografii na platformě FPGA

Abstract

Cílem diplomové práce je vytvořit a implementovat systém pro online rekonstrukci obrazu z demonstračního modelu výpočetní tomografie (CT) na platformě FPGA jako náhradu za stávající off-line zpracování dat, při němž jsou naměřená data ukládána na SD kartu a následně rekonstruována v prostředí MATLAB. V rámci práce byla provedena rešerše problematiky výpočetní tomografie, možností využití FPGA pro rekonstrukci obrazu a zpracování CT dat. Na základě rešerše bylo navrženo řešení využívající modulární architekturu zajišťující příjem dat z modelu CT, jejich ukládání, rekonstrukci metodou zpětné projekce a filtrované zpětné projekce a následné zobrazení výsledku prostřednictvím VGA výstupu na desce ZYBO. Součástí řešení je popis vytvořené architektury a způsobu ovládání vytvořeného systému. Funkce navrženého systému byla ověřena v simulaci a pomocí experimentálního zapojení s modelem CT za využití digitálních a fyzických fantomů. Výsledky simulací a experimentálního ověření prokázaly správnou činnost navrženého řešení, obrazovou shodu s referenční rekonstrukcí v prostředí MATLAB a současně zrychlení rekonstrukce při použití FPGA. Na základě získaných výsledků lze konstatovat, že navržený a implementovaný systém představuje funkční alternativu stávající off-line rekonstrukce.

The aim of this thesis is to develop and implement a system for online image reconstruction from a computed tomography (CT) demonstration model on an FPGA platform as a replacement for the current offline data processing, in which the measured data is stored on an SD card and subsequently reconstructed in the MATLAB environment. As part of the thesis, literature review was conducted on computed tomography, the potential use of FPGAs for image reconstruction, and CT data processing. Based on this review, solution was proposed utilizing a modular architecture that ensures data reception from the CT model, data storage, reconstruction using the back projection and filtered backprojection methods, and subsequent display of the results via a VGA output on the ZYBO board. The solution includes a description of the developed architecture and the method of controlling the system. The functionality of the proposed system was verified through simulation and via an experimental setup with a CT model using digital and real phantoms. The results of the simulations and experimental verification demonstrated the correct operation of the proposed solution, image consistency with the reference reconstruction in the MATLAB environment, and, at the same time, accelerated reconstruction when using an FPGA. Based on the obtained results, it can be concluded that the proposed and implemented system represents a viable alternative for the existing off-line reconstruction.