X射线和超声等诊断成像系统已经应用了数十年,而随着包括计算机断层扫描(CT)、核磁共振成像(MRI)以及核或者正电子辐射断层扫描(PET)等医疗系统的兴起,由于其诊断成像系统非常复杂,需要处理大量的图像,促使生产商不断引入更先进的功能,并提高性能。

半导体在开发这些前沿的诊断成像系统中扮演了重要角色。随着密度、灵活性和性能的提高,当今的可编程逻辑具有芯片系统(SoC)功能,推动了下一代成像系统的发展。

为什么医疗系统需要FPGA?

如下图所示,这是一个典型的诊断成像系统包括三类卡:数据采集、数据合并和图像/数据处理卡。

数据采集卡对输入数据进行过滤,是系统卡中性价比最高的。一个诊断成像系统一般会包括多个数据采集卡(在某些应用中,一个系统高达 20 个卡)。对数据进行补偿和过滤后,被发送至数据合并卡,进行缓冲和数据对齐。对于 CT 和 PET 扫描器,其探测器围绕人体旋转,数据被串化,通过滑动环机电部件进行传送。数据采集完毕后,被发送到图像/数据处理卡中。这些卡完成任务繁重的过滤和需要大量算法的图像重构工作。完成后,一般会在一个单板计算机(SBC)上完成最终的成像和缩放功能,并进行显示。

对于采集和处理卡,在做出组件选择之前,客户需要考虑几项因素:例如,取决于每一系统的通道数量,以及所需要的分辨率,客户可以选择:

货架模拟组件,或者将模拟功能集成到 ASIC 中;

二维(2D)或者三维(3D)成像;

在处理卡和 SBC 之间划分图像处理功能;

用于算法加速的面向 OpenCL™ 的英特尔® FPGA SDK。

可编程解决方案:为图像处理而来

为诊断成像设备设计人员提供了他们喜欢的解决方案。对于成本敏感性数据采集卡,英特尔® Cyclone® FPGA 和英特尔® Arria® FPGA 系列现在能够提供丰富的数字信号处理(DSP)模块,与其他经过成本优化的 FPGA 系列相比,单位逻辑单元(LE)的价格最低,是很好的候选方案。

英特尔® Stratix® FPGA 系列适用于数据合并和图像处理卡。这些系列设备满足了设计人员对灵活性、性能、集成和设计资源的需求,这是其他解决方案所不具备的。英特尔® Stratix® FPGA 系列使用了高性能架构,加速了基于模块的设计,显著提高了系统性能。这包括高性能 DSP 模块、嵌入式内存、952,000个逻辑单元(LE),以及灵活的 I/O 标准。英特尔® Stratix® FPGA 系列能够连接 DDR3、RLDRAM II、FCRAM、QDRII、DDR、QDR 和 SRAM 等外部内存。英特尔® Stratix® FPGA 系列还提供多千兆位串行收发器技术,能够在滑动环和背板上传送高速数据。

特性丰富的 SoC 设备系列和 Nios® II 嵌入式处理器以难以置信的低价格实现了前所未有的灵活性和性能。对于辅助卡的电机控制功能,SoC 和 Nios® II 处理器能够用于替代主微控制器。图像处理卡使用FPGA设备,嵌入式 Nios® II CPU 或者 SoC 结合 DSP 模块作为协处理器,可以替代一个或者多个数字信号处理器,显著降低了成本。采用面向 OpenCL 的英特尔® FPGA SDK,软件编程人员现在很容易将算法功能加速卸载到 FPGA 中实现,充分发挥产品能够及时面市的设计流程的优势。

此外,英特尔还为诊断成像功能提供大量相关的知识产权、开发套件和参考设计。