醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 摘要 隨著科技的進(jìn)步，多學(xué)科交叉和融合已成為現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的突出特色和重要途徑。近年來隨著數(shù)字成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步而迅速發(fā)展起來的醫(yī)學(xué)圖像相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)越來越普及。 現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備的先后出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的醫(yī)療診斷方式也發(fā)生了翻天覆地的變化。近 20 多年以來，醫(yī)學(xué)圖 像已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)技術(shù)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。 自超聲波等醫(yī)學(xué)圖像設(shè)備問世后，當(dāng)人體各組織器官有病變狀況下，診斷者再也無需特意對(duì)病患進(jìn)行人體解剖來確認(rèn)病變處，僅需通過特定儀器所產(chǎn)生的影響來進(jìn)行分析 診斷。 以往在使用這些技術(shù)時(shí)，不僅診斷時(shí)間過長且無效率可言，更容易導(dǎo)致錯(cuò)誤治療等。而如今，三維圖像重建技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，帶給人們更好的真實(shí)立體感受，提供了任意角度的觀察，能夠幫助相關(guān)人員更好地觀察判斷，但也帶來更大的計(jì)算量。 但是目前的醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用軟件在三維圖像重建處理速度方面不盡如人意，導(dǎo)致醫(yī)生不能實(shí)時(shí)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)于病灶的診斷有很大的延誤。 因此我們需要對(duì)醫(yī)學(xué)圖像三維重建應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，提高該類軟件的處理速度，使其可用性提高。這種優(yōu)化需要硬件的支持。 近幾年，云計(jì)算正在日漸普及和日趨強(qiáng)大。多核技術(shù)和一些硬件 的飛速發(fā)展為程序性能和效率的提高提供了基礎(chǔ)。程序的并行性已經(jīng)成為一種趨勢。針對(duì)程序并行性的研究不但可以利用當(dāng)前的并行硬件對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化加速，還可以為今后針對(duì)該類應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。目前醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用在多種硬件平臺(tái)，包括 及 硬件平臺(tái)上的加速研究已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)問題。 因此，本課題對(duì)目前的醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用進(jìn)行特征分析，包括其并行性和存儲(chǔ)特性，并結(jié)合分析結(jié)果，對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化。 本課題首先研究目前主流的醫(yī)學(xué)圖像重建算法，主要分為解析法和迭代法。 解析法主要使用于 像的三維 重建， 常用方法為濾波反投影（ 其中濾波反投影法最常用的是 法。迭代法更適用于 重建， 其中的 法使用的最為普遍，主要是 法。因?yàn)楸菊n題主要是針對(duì)這兩個(gè)算法做優(yōu)化研究，因此詳細(xì)介紹了這兩個(gè)算法。 法主要分為四部，即 投影、投影校正、反投影和圖像校正，并不斷的迭代修正，直到得到的結(jié)果符合一定的閾值。而 法是在 法的基礎(chǔ)上做了優(yōu)化，將原始數(shù)據(jù)分成若干個(gè)子集，使原始數(shù)據(jù)能更多次的得到修正更新，得到的圖像更加準(zhǔn)確。雖然 法比 法快了很多 ，但 今仍缺少理論論證，因此我們在實(shí)驗(yàn)中選取了 法。 本課題選取的醫(yī)學(xué)圖像是 。 稱是正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層顯像，是核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域比較先進(jìn)的臨床檢查影像技術(shù)。 其 大致方法 是，將某種物質(zhì)，一般是生物生命代謝中必須的物質(zhì)注入人體后，通過對(duì)于該物質(zhì)在代謝中的聚集，來反映生命代謝活動(dòng)的情況，從而達(dá)到診斷的目的。它是在 基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。 具了 核醫(yī)學(xué)的兩種優(yōu)勢，而 在 礎(chǔ)上的一個(gè)進(jìn)步 ，探測效率比 數(shù)十倍左右，準(zhǔn)確性較 得多，甚至可以深入細(xì)胞水平和分子水平，起到生物顯微鏡的作用。 具體的醫(yī)學(xué)圖像三維重建應(yīng)用 選取了 為研究對(duì)象， 是對(duì) 據(jù)進(jìn)行圖像重建的應(yīng)用程序，該程序可用內(nèi)選的多種算法來進(jìn)行重建，在此主要關(guān)注 法，對(duì)其 醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 指令和原始版本運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行了分析和測試。 測試環(huán)境為兩臺(tái)四核機(jī)器，一臺(tái)為 開啟了超線程，一臺(tái)為 具體的優(yōu)化中嘗試了兩種優(yōu)化方式 中并行優(yōu)化嘗試了不同粒度的并行，但多少存在子線程的同步問題。核之間傳輸數(shù) 據(jù)的開銷也需要被謹(jǐn)慎考慮，以此來決定合適的并行度。發(fā)現(xiàn) 的 4 個(gè)線程的結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于 的結(jié)果，因此分析了兩種 構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)是 的 少了核之間傳輸?shù)拇鷥r(jià)，提高了性能。流水線優(yōu)化就是實(shí)現(xiàn)了軟件流水，將原始版本分為若干個(gè)階段，前一階段做的結(jié)果放入緩沖區(qū)中，后一階段直接從緩沖區(qū)中取數(shù)值，如此來進(jìn)行流水的優(yōu)化。流水并不存在同步問題，只需測試合適的緩沖區(qū)大小，得到可以使前后階段讀寫平衡的緩沖區(qū)大小。 流水線優(yōu)化的測試結(jié)果非常令人滿意，兩級(jí)流水就可以帶來兩倍的加速，由此可以想象多級(jí)流水必然可 以帶來更多的加速。 此外還實(shí)現(xiàn)了將并行和流水合并起來的版本，此處需仔細(xì)考慮同步和讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)問題。 并行和流水線的綜合版本，也取得了較滿意的結(jié)果。 另外，還對(duì)重建前的預(yù)處理階段進(jìn)行了簡單的并行優(yōu)化，因?yàn)轭A(yù)處理階段子線程之間不存在同步問題，因此并行可以得到很好的優(yōu)化效果。最后發(fā)現(xiàn)在 的結(jié)果和預(yù)期的比較符合，而 的結(jié)果不太穩(wěn)定。另外，我們采用了兩種編譯器， 于矩陣運(yùn)算較多，因此在并行的時(shí)候， 來了比 多的加速。 從本次實(shí)驗(yàn)得到了一些結(jié)論。首先，要選擇適合并行的算法來進(jìn)行并行優(yōu) 化，以免子線程之間的同步和核之間的通信問題成為瓶頸。其次，要綜合考慮計(jì)算量和通信成本來定制并行的規(guī)模。要切實(shí)考慮具體的硬件，根據(jù)核的數(shù)量、核所帶緩存大小、公共緩存大小等數(shù)據(jù)來定制并行規(guī)模。最后，就是要控制通信成本，充分利用緩存等資源來減少和內(nèi)存乃至硬盤的數(shù)據(jù)交互。 關(guān)鍵詞： 圖像重建 ， 行 , 流水線 on of of of of of of 0 of of in of no to on to to of In of a is 醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 at s it to a of to to it in is to a be to in we to of to of is of a of it of a of to of a in a of as of a is in T in DK is ET in M is is in is to a on so be to a is it is of So we in in is It is an in is to a is to of in to of so as to of It is on of T ET is a It a It a as We as is an 醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 is a of be We to is i7 6600. In we In we a of of of be to of on i7 is 6600. So we of PU 3 on i7 of is to a is of is a so as to in We to of is 2a . So we a a In we an of in of be of of is s we do a on is no in a a we on i7 is in 6600 is In we As so is a in We we an in to of of be a we a of to of We to to of of s of to At we to of to 醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 目 錄 第一章 概述 . 6 目背景 . 6 究對(duì)象 . 6 文主要工作 . 7 第二章 圖像重建算法簡介 . 7 像重建算法簡介 . 7 析法 . 8 代法 . 9 法 . 9 法 . 10 光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層顯像簡介 . 11 像原理簡介 . 12 建算法簡介 . 14 章小結(jié) . 16 第三章 優(yōu)化可行性分析 . 17 介 . 17 并行優(yōu)化 . 19 水線優(yōu)化 . 20 行和流水合并優(yōu)化 . 20 預(yù)處理的優(yōu)化 . 21 章小結(jié) . 21 第四章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 . 21 試環(huán)境 . 21 行優(yōu)化結(jié)果 . 22 水優(yōu)化結(jié)果 . 24 合并行和流水的 優(yōu)化結(jié)果 . 26 處理部分的優(yōu)化結(jié)果 . 27 章小結(jié) . 28 第五章 總結(jié)與展望 . 28 參考文獻(xiàn) . 30 醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 第一章 概述 隨著科技的進(jìn)步，多學(xué)科交叉和融合已成為現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的突出特色和重要途徑。近年來隨著數(shù)字成像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步而迅速發(fā)展起來的醫(yī)學(xué)圖像相關(guān)應(yīng)用已經(jīng)越來越普及。 同時(shí)，三維可視化技術(shù)作為一種新興技術(shù)也正在被不斷應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。 現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備的先后出現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的醫(yī)療診斷方 式也發(fā)生了翻天覆地的變化。 自超聲波等醫(yī)學(xué)圖像設(shè)備問世后，當(dāng)人體各組織器官有病變狀況下，診斷者再也無需特意對(duì)病患進(jìn)行人體解剖來確認(rèn)病變處，僅需通過特定儀器所產(chǎn)生的影響來進(jìn)行分析診斷。 近 20 多年以來，醫(yī)學(xué)圖 像已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)技術(shù)中發(fā)展最快的領(lǐng)域之一。 目背景 醫(yī)學(xué)三維圖像重建作為醫(yī)學(xué)圖像的一個(gè)重要方面迅速發(fā)展起來。 圖像重建，簡單地來說，就是將通過某種方式掃描后探測到的切片數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算整合后，重新構(gòu)造出原物體圖像的過程。由于重建后的圖像可以比較好地反映物體內(nèi)部的構(gòu)造和材質(zhì)等，因此，圖像重建技術(shù)已廣泛地應(yīng)用 于工業(yè)、醫(yī)學(xué)等各領(lǐng)域。 在臨床醫(yī)學(xué)上，利用三維重建技術(shù)，可以將一系列二維斷層圖像重建成三維形體，給醫(yī)生提供一個(gè)直觀的、精確的模型。利用三維重建技術(shù)，醫(yī)生可以準(zhǔn)確的獲得病變位置的大小、體積等信息，并可以進(jìn)行模擬手術(shù)，提高手術(shù)的成功率和完成質(zhì)量。因此，醫(yī)學(xué)圖像的三維重建技術(shù)無論在臨床還是在理論研究領(lǐng)域都具有重要的意義 1。 醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)最早可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代初，那時(shí)剛發(fā)明了醫(yī)用 描機(jī)， u 和 人于 1970 年在 核科學(xué)分冊發(fā)表了從體素的角度研究醫(yī)學(xué)圖像三維重 建問題。此后，該領(lǐng)域得到很快的發(fā)展。然后，由于醫(yī)學(xué)影像設(shè)備昂貴等客觀原因，國內(nèi)在醫(yī)學(xué)圖像三維可視化方面起步較晚也相對(duì)落后，到 20 世紀(jì) 90 年代才開始在有些高校開展了各種層次上的研究。 2 以往診斷者在進(jìn)行相關(guān)病情診斷情況下，往往會(huì)因?yàn)樵O(shè)備所產(chǎn)生的圖像數(shù)目過多必須逐一進(jìn)行判斷，不僅導(dǎo)致診斷時(shí)間過長且無效率可言，更必須針對(duì)這一些圖像進(jìn)行初步想象來確定病因。若設(shè)備所產(chǎn)生圖像無法精確勾勒出完整圖像狀況下，將會(huì)造成診斷者診斷上誤判，導(dǎo)致錯(cuò)誤治療等。 如今，三維圖像重建技術(shù)已經(jīng)越來越成熟，相比于二維圖像的重建，三維圖像重 建給了人們更好的真實(shí)立體感受，提供了任意角度的觀察，能夠幫助相關(guān)人員更好地觀察判斷，但也帶來更大的計(jì)算量。 但是目前的醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用軟件在三維圖像重建處理速度方面不盡如人意，導(dǎo)致醫(yī)生不能實(shí)時(shí)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)于病灶的診斷有很大的延誤。 近幾年，云計(jì)算正在日漸普及和日趨強(qiáng)大。多核技術(shù)和一些硬件的飛速發(fā)展為程序性能和效率的提高提供了基礎(chǔ)。程序的并行性已經(jīng)成為一種趨勢。針對(duì)程序并行性的研究不但可以利用當(dāng)前的并行硬件對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化加速，還可以為今后針對(duì)該類應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。目前醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用在多種硬件平臺(tái)，包括 及 硬件平臺(tái)上的加速研究已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)問題。 研究在普通 的多核并行情況，也可以為今后在其他多核處理器，例如 上的最優(yōu)運(yùn)行提供參考。 究對(duì)象 三維醫(yī)學(xué)圖像目前主要針對(duì) 此我們選擇重建效果更優(yōu)的 醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 像作為研究對(duì)象。目前 圖像重建算法主要分為解析法和迭代法。 代法的主要具體算法有 代數(shù)重建算法（ 聯(lián)合迭代重建算法（ 基于統(tǒng)計(jì)理論的 法以及相應(yīng)的改進(jìn)算法，其中以 算法就是 1982年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（ 數(shù)學(xué)家 3。雖然 由于收斂速度慢，所需的迭代次數(shù)也相對(duì)的變多，造成計(jì)算時(shí)間長。 因此選擇 究可能的加速優(yōu)化方法。 文主要工作 第二部分主要介紹了 成像原理和 要重建算法。第三部分 提供了幾種可能的優(yōu)化方案，并在第四部分在多核機(jī)器上進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，記錄了實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。第五部分進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)整體研究進(jìn)行回顧和討論。 第二章 圖像重建算法簡介 像 重建算法簡介 圖像重建主要分為解析法和迭代法。 4 解析法的 理論基礎(chǔ)為 換理論。依據(jù)是否能夠重建三維完備 的 據(jù)，解析重建又進(jìn)一步可以分為精確和近似兩類算法。具有代表性的三維解析算法有 法， 法， 法， 法以及相應(yīng)的改進(jìn)算法等，其中具有濾波反投影結(jié)構(gòu)的重建算法（如 重建速度快、重建圖像質(zhì)量高，對(duì)完全投影數(shù)據(jù)能獲得很好的重建質(zhì)量，因此目前商用統(tǒng)中廣泛采用解析法，但其最大的缺點(diǎn)是對(duì)投影數(shù)據(jù)的完備性要求較高。 迭代法是將圖像重建 問題轉(zhuǎn)化為求解反映重建圖像各體素值和投影之間關(guān)系的代數(shù)方程組。迭代重建的概念首先由 人于 1970 年引入圖像重建領(lǐng)域。后來， 證明迭代重建法是以 “估計(jì)理論 ”作為其堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的。具有代表性的迭代算法有代數(shù)重建算法（ 聯(lián)合迭代重建算法（ 基于統(tǒng)計(jì)理論的 法以及相應(yīng)的改進(jìn)算法，其中以 法和 法最為普遍。 這兩種算法各有優(yōu)缺點(diǎn)。解析法更早地被應(yīng)用于各種圖像重建領(lǐng)域里，但是重建圖像質(zhì)量較好的迭代法現(xiàn)在也越來越收到重視，甚至有要代替解析法算法的趨勢。迭代法較之解析法算法的話，優(yōu)勢在于它可根據(jù)具體成像條件引入與空間幾何有關(guān)的或與測量值大小有關(guān)的約束和條件因子。它對(duì)于噪聲來說不是那么敏感，而且對(duì)于采樣不充分的情況下也能成質(zhì)量比較好的圖像。相反地，解析法在噪聲較大或采樣不充分時(shí)，成像效果不甚理想，尤其對(duì)小尺寸源的成像效果 差。但是迭代法的最大的缺點(diǎn)就在于計(jì)算代價(jià)大，所需內(nèi)存空間大，要求更多的計(jì)算機(jī)資源，重建實(shí)時(shí)性較差，這已成為迭代算法發(fā)展的瓶頸，一直制約著迭代算法的實(shí)用化， 但也因此可以看到對(duì)迭代法運(yùn)算速度做優(yōu)化的價(jià)值。 濾波反投影（ 傳統(tǒng)上最普遍的圖像重建算法，然而 要是因?yàn)槿狈厝≠Y料的正確統(tǒng)計(jì)模型，在圖像上會(huì)產(chǎn)生明顯的放射狀噪聲 5，如圖 1所示。 因此本文將著重介紹圖像重建的迭代算法。 醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 圖 2用不同圖像重建算法得到的結(jié) 果：（ a）濾波反投影法（ b）迭代法 析法 從放射光線的種類上來說主要是錐形光束（也有平行光束），因此我們主要關(guān)注的是錐形束的 這屬于解析法。其中濾波反投影法最常用的是 該算法大致分成三個(gè)步驟： 1） 濾波前加權(quán) 2） 對(duì)加權(quán)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波 3） 加權(quán)反投影 所謂反投影，就是由探測到的 數(shù)據(jù)反過來重建圖像的過程。但利用的單純的反投影方法重建出來的圖像質(zhì)量差，有星狀偽跡，存在模糊失真。針對(duì)反投影法的這一缺點(diǎn)，產(chǎn)生了濾波反投影法，即在進(jìn)行反投影前對(duì)探測器收集的數(shù)據(jù)先進(jìn)行濾波（即和一個(gè)濾波函數(shù)合成），而濾波的功能就是消除邊緣的模糊干擾。此處加權(quán)和濾波兩個(gè)步驟在一些 一部分幾乎不占什么時(shí)間，故研究范圍應(yīng)該主要是反投影。 圖 2為 6 醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 圖 2這里最右邊的 w*左邊的 (,放射源的坐標(biāo)也 是探測器的坐標(biāo)。放射源位于該坐標(biāo)的原點(diǎn)。中間坐標(biāo)系（ v,被測物體的坐標(biāo)系，原點(diǎn)是被測物體的中心。放射源會(huì)隨著一個(gè)圓形軌道移動(dòng)，探測器平面始終和放射光源的中心光線垂直，因此也會(huì)隨著放射源一起做相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)。一開始設(shè)定好被測物體的坐標(biāo)軸，如上圖的 (v,那么轉(zhuǎn)動(dòng)后中心射線就會(huì)與物體的坐標(biāo)軸有一個(gè)夾角，即放射角度。 對(duì)每一個(gè)放射角度 ，對(duì)這個(gè)角度下每一個(gè)點(diǎn)（ xv,yv,可以計(jì)算出它對(duì)應(yīng)的在探測器上的 (x,標(biāo)以及這個(gè)角度下的該投影數(shù)據(jù)的權(quán)重： (v,)-y v,)*(y v,)-x v,) （ 1） (v,)-y v,)*z v （ 2） W(x, y, ) = (v,)-y v,)2 （ 3） 對(duì)于最后重建圖像的 每一個(gè)點(diǎn)的強(qiáng)度 M（ xv,yv,說： M（ xv,yv,= I()*W() （ 4） 這里的 I()是根據(jù) (坐標(biāo)從投影探測到的數(shù)據(jù)中取得的結(jié)果。可以看到，有在中心平面和 ( of ， （ in 。圖 3是 圖 2代法 上面提到的迭代法中的 法在 像重建中使用的最為普遍，主要是 大似然重建）算法和 序子集期望值最大化）算法。 法 貝爾實(shí)驗(yàn)室 的數(shù)學(xué)家 1982 年提出 的迭代圖 像重建法，其重建的 醫(yī)學(xué)圖像的應(yīng)用分析和加速研究 關(guān)系式如公式（ 5）： (5) 假設(shè)要重建的圖像共有 N 個(gè)像素點(diǎn)，系統(tǒng)中共有 M 組探測環(huán)。則 為重建圖像的像素點(diǎn) j 在第 k 次迭代的評(píng)估值； 表示系統(tǒng)對(duì)從像素點(diǎn)j 所發(fā)射的光子對(duì)被第 i 組探測環(huán)接受的幾率； 為第 i 對(duì)探測環(huán)收集的正弦圖資料。 表示單一像素點(diǎn)所 發(fā)出的所有信息被所有探測環(huán)所接受到的幾率，在最理想的接收狀況下將全部接收，則此值為