基于GPU并行計算的X射線動態顯微CT的快速重構

張 園 謝紅蘭 杜國浩 許明偉 薛艷玲 肖體喬

1（中國科學院上海應用物理研究所 上海201800）

2（中國科學院大學 北京100049）

3（中國科學院上海高等研究院上海同步輻射光源 上海201204）

X射線動態顯微CT成像具有較高穿透性、高空間分辨和快時間分辨的特點，為開展不透明樣品三維微觀結構演變動力學機制的探究提供了研究平臺［1-3］，在生物醫學、材料科學、考古等領域已有大量應用，如科學家們利用X射線動態顯微CT原位觀察載荷下材料和結構的動力學過程［4-6］、原位研究昆蟲馬蛉呼吸過程中的氣囊收縮特性［7］、原位分析基拉韋厄峰火山碎屑在不同壓力下氣泡產生的復雜變化［8］、原位觀察超聲熱浪導致的組織根部斷裂和枝晶的斷裂和增殖過程［9］等。近年來，隨著第三代同步輻射光源的廣泛使用，光源通量得到了極大的改善，為實現X射線動態顯微CT成像提供了條件［2］。上海光源X射線成像組基于長工作距離顯微透鏡系統和互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）數字高速相機開發了快速X射線成像探測器，在彎鐵白光下，動態顯微CT成像時間分辨率可達25 Hz（每秒采集25套CT數據）［1］。目前X射線成像線站的CT重構采用基于CPU串行重構程序。對于一套800個投影的CT數據，每幀投影大小為1 024×1 024，按目前的重構程序重構需要24 min，一天的用戶實驗產生的CT數據量（約500套CT）則需要重構200 h，CT重構速度遠比原始數據的產生速度要慢。因此，CT重構速度慢造成的原始數據積壓問題成為上海光源X射線成像線站遇到的瓶頸，如何實現快速顯微CT重構是本文研究的重點。……