|
醫(yī)療成像設(shè)備在醫(yī)療保健領(lǐng)域繼續(xù)發(fā)揮著越來越重要的作用，成像技術(shù)正在增加并向新的應(yīng)用領(lǐng)域擴張。為了滿足市場的需求，系統(tǒng)設(shè)計必須具備靈活性，還需要著重提高診斷圖片的質(zhì)量，方便病人以及降低成本。為了提供這些預期功能，系統(tǒng)開發(fā)人員開始轉(zhuǎn)用FPGA。 盡早診斷和治療正在推動成像技術(shù)的使用和混合技術(shù)的融合，如正電子發(fā)射斷層掃描（PET）和電腦斷層掃描（CT）。要得到所需要的更高分辨率的圖像，需要采用精確的幾何微陣列檢測器和復雜的軟件/硬件系統(tǒng)對光子和電子信號進行分析。這些系統(tǒng)必須對數(shù)量不斷增加的圖像數(shù)據(jù)（高達10 Gbits/s）進行高精度且極快速的處理。此外，為了降低病人的醫(yī)療費用，設(shè)備還存在成本的壓力，因而必須具有較長的使用壽命。因此需要能在其有效使用期間升級功能和算法的更靈活的系統(tǒng)。越來越多的工程師們不得不采用可編程組件，如高性能中央處理器（CPU）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。 要開發(fā)高效且靈活的醫(yī)學成像設(shè)備，必須要考慮到以下因素： ? 成像算法的開發(fā)需要高級直觀的建模工具，以便針對數(shù)字信號處理(DSP)做持續(xù)改進。 ? 近似實時分析所需要的性能要求系統(tǒng)平臺同時配備軟件(CPU)和硬件FPGA。 ? 系統(tǒng)架構(gòu)師和設(shè)計工程師需要在這些平臺上快速地分割和調(diào)試算法，采用最新的工具和知識產(chǎn)權(quán)（IP）庫來加速其部署和提高收益。 成像算法 圖像增強通常與卷積（線性）過濾一同完成。高通濾波可提高圖像的細節(jié)，但同時也使得噪音更明顯。低通濾波可抑制噪音，但會使圖像細節(jié)變得模糊。大多數(shù)圖像包含內(nèi)容細膩的部分和內(nèi)容粗糙的部分。線性組合過濾技術(shù)可增強前者的細節(jié)和降低后者的噪聲，通過產(chǎn)生高通和低通濾波圖像并依據(jù)掩碼將兩者相結(jié)合。 這項技術(shù)能起作用是因為眼睛對細節(jié)區(qū)域中的噪聲不敏感。掩碼是一個Sobel邊緣檢測濾波器的經(jīng)平滑處理的輸出。它用數(shù)值來近似(圖像中)包括細節(jié)的部分和用零來表示不包含細節(jié)的部分。高通和低通濾波圖像的線性組合由掩碼加權(quán)，得到細節(jié)增強且噪聲減少的圖像。 視頻圖像穩(wěn)定和配準（VISAR）是一種對實時視頻圖像去抖動的算法。它開發(fā)用于提高視頻圖像的質(zhì)量，通過視頻數(shù)據(jù)序列的旋轉(zhuǎn)和縮放效果，VISAR使圖像質(zhì)量超越了更簡單的橫向和縱向的圖像配準技術(shù)。VISAR通過省去轉(zhuǎn)換、放大和旋轉(zhuǎn)來對準視頻圖像域。由于VISAR讓用戶組合多個視頻圖像，從而使噪聲被平均到各幀。VISAR還將提取自視頻的靜態(tài)圖像中的鋸齒狀邊緣做平滑處理，并且可以將圖像抖動校正至1/10個像素。 VISAR算法可以用于： ? 將顯微鏡下的細胞圖像明晰化 ? 穩(wěn)定眼睛圖像用于視網(wǎng)膜研究 ? 穩(wěn)定熱紅外成像 ? 在內(nèi)鏡手術(shù)期間穩(wěn)定攝像頭和身體運動 ? 在查看MRI視頻時改進超聲波技術(shù)以針對身體運動做修正 小波變換是一種分析的算法，它克服了傅里葉分析的某些限制。傅立葉分析在將信號從時域變換到頻域的同時丟失了時間信息。這就是為什么當你查看某個信號的傅立葉變換時，它不可能告訴你某個特定事件發(fā)生在什么時候。許多成像信號包含有重要的非平穩(wěn)或短暫的特性：漂移、趨勢、突變、事件開始和/或結(jié)束。 為了幫助從信號中獲取事件信息，將傅立葉變換用于僅分析某個時間一小部分信號–將其稱之為信號加窗。近來，通過采用帶可變區(qū)間的加窗技術(shù)對小波分析加以改進。小波分析允許采用長時間間隔以得到更精確的低頻信息和更短的區(qū)間以得到高頻信息。小波應(yīng)用包括非連續(xù)和故障點檢測、自相似性檢測、信號抑制、信號和圖像消噪、圖像壓縮以及大矩陣的快速乘法。視頻和圖像處理（VIP）和DSP庫面向小波操作提供有核心標準構(gòu)件，包括縮放、移動、高通/低通濾波、I / O分解和重建。 分布式向量處理是一種用于實現(xiàn)更快計算的算法。S -變換（ST）結(jié)合了FFT和小波變換的特點，揭示了頻率在空間和時間的變化。應(yīng)用范圍包括紋理分析和噪聲過濾。然而，ST需要進行密集計算，這會使得傳統(tǒng)CPU的執(zhí)行速度變得太慢。但這一問題可以通過結(jié)合向量和并行計算來解決，可將處理時間壓縮25倍。通過在FPGA中實現(xiàn)向量處理器與并行計算的結(jié)合，可以大大加速這類計算密集型算法。 1. 圖中所示為一個常見醫(yī)療系統(tǒng)的典型框圖 現(xiàn)在，我們將討論推動FPGA器件集成至醫(yī)療成像設(shè)備的一些趨勢和核心開發(fā)成果。 X光成像 從計算機射線成像（CR）向數(shù)字化放射（DR）的轉(zhuǎn)變正在有條不紊地進行。數(shù)字平板檢測器可以在幾秒鐘內(nèi)對圖像進行處理，從而提高了工作效率，并且不需要處理盒式錄像帶和與膠卷有關(guān)的化學品。 此外，便攜式DR系統(tǒng)也正被越來越多的人所接受。這些尺寸更小的系統(tǒng)大多數(shù)提供有采用無線連接的無繩平板檢測器，去掉了存在故障點和引發(fā)工傷的電纜。FPGA支持協(xié)議棧從有線到無線的轉(zhuǎn)變，同時管理上電順序和監(jiān)控這些數(shù)字式檢測器。 分子成像 X光或CT掃描提供解剖結(jié)構(gòu)的圖像，而分子成像是非常適合提供有關(guān)細胞功能和代謝過程的圖像。兩項常用的技術(shù)是單光子發(fā)射計算機斷層顯像（SPECT）和PET平臺。 PET技術(shù)取得的進步包括：增加了檢測器的數(shù)量、擴大檢測器配對區(qū)域、更短的時間窗、領(lǐng)先的技術(shù)和更先進算法的建模。原始數(shù)據(jù)的顯著增加要求數(shù)據(jù)路徑具有更快的處理能力和更早做預處理決定。在許多系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA被用在來自光電傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電信號的聚集階段。FPGA內(nèi)在的可編程本質(zhì)支持更新的設(shè)計，提高數(shù)據(jù)路徑預處理決定，從而減少傳送到重建階段的數(shù)據(jù)量。 磁共振成像 磁共振成像（MRI）重建生成人體橫截面的圖像。首先，利用頻域數(shù)據(jù)的快速傅立葉變換（FFT）函數(shù)開發(fā)二維切片重建。用到了銳化和空間模糊技巧，降低噪音的同時銳化圖像。這些函數(shù)中大部分是VIP和DSP庫中的標準構(gòu)件，用于FPGA實現(xiàn)。由此來看，三維卷積重建由插補技術(shù)生成。 超聲波 該成像技術(shù)的趨勢是增多功能和擴大用途。高次傳感器通道計數(shù)系統(tǒng)支持更先進的成像算法，允許四維成像（時間軸下的三維剖面）。FPGA已被用于波束成形和處理鏈路，以提供更多的處理功能同時能靈活地適應(yīng)不斷變化的算法。便攜式和手持設(shè)備需要低成本、低功耗解決方案。可用單個FPGA器件執(zhí)行波束成形、處理和人機界面（HMI）功能來實現(xiàn)一體化設(shè)備。 CT掃描 高次切片計算CT掃描儀被用于心臟、肺和創(chuàng)傷成像應(yīng)用。這些掃描儀支持更快的檢查時間和更詳細的圖像。然而，最近的趨勢一直是采用可減少X射線輻射劑用量的技術(shù)。通過開發(fā)用于更先進的物理模型的更復雜算法可以做到這一點。新款CT系統(tǒng)處理速度是原始數(shù)據(jù)的10倍，可提供非常先進的圖像處理性能。 PET/ CT融合為基于軟件的圖像融合（配準）提供了一個選擇，它通常用于對齊大腦的功能和解剖圖像。至于身體的其它部位，因為患者定位、掃描儀床的尺寸以及內(nèi)部器官的不自主運動存在差異，圖像配準存在更多問題。在PET / CT混合平臺中，在單一成像過程中同時獲取功能性和解剖性圖像，以避免或減少配準和患者運動問題。 視頻成像 在血管成像領(lǐng)域，黃金標準一直是血管X射線圖像的輻射不透明對比血管造影術(shù)，使用基于鹽的造影劑。如今，常用的是CT血管造影，時差/相位對比磁共振血管造影和雙工/血管內(nèi)超聲波掃描。這些技術(shù)涉及同時采集和配準光聲和超聲影像，對血管和骨骼圖像進行分割以及使用基于相關(guān)增強濾波器以減少肺部疾病的誤診。 此外，心臟運動估算是量化心肌彈性和收縮性的一個重要輔助項。局部區(qū)域表現(xiàn)異常運動標示著缺血性心臟區(qū)間，此處血液循環(huán)不足。一個發(fā)展中的算法包括從一系列超聲圖像對彈性進行量化評估，使用超聲時空配準技術(shù)方面尋找到 ，采用時間-空間配準技巧來發(fā)現(xiàn)相對參考坐標系的變形場。其中所用的核心VIP和DSP標準構(gòu)件函數(shù)包括二維濾波、降斑、相關(guān)和平滑。 關(guān)鍵標準構(gòu)件函數(shù) 有些復雜成像算法所要求的關(guān)鍵標準構(gòu)件函數(shù)包括：色彩空間轉(zhuǎn)換等、圖形疊加、2D/中間/時間濾波、縮放、幀/場轉(zhuǎn)換、逐行掃描和銳化；若是CT重建，則需求插值、FFT和卷積函數(shù)；對于超聲而言，彩色流處理、卷積、波束成形、復合及彈性估算很重要。 VIP套件以及附加IP和參考設(shè)計可以加快這些算法在FPGA中的整合，包括具有最高性能和最小封裝的系統(tǒng)。考慮算法開發(fā)方法和相應(yīng)的工具也很重要。 開發(fā)工具 影像構(gòu)架師利用高級軟件工具來模擬不同的算法和結(jié)果。數(shù)字成像軟件（如MATLAB和Simulink）和算法開發(fā)需要使用靈活的工具來創(chuàng)建快速且準確的圖像處理算法。這些算法定義并實現(xiàn)各種技巧、三維圖像處理和統(tǒng)計數(shù)據(jù)、解方程組和顯示/文件的算法等。開發(fā)工具被用于FPGA的DSP功能創(chuàng)建、定量圖像分析、模式識別、數(shù)字圖像編碼和壓縮、自動顯微鏡、法醫(yī)圖像處理和2D小波轉(zhuǎn)換應(yīng)用。 在僅用CPU不夠的情況下，這些工具包使開發(fā)公司能加速算法在FPGA中的實現(xiàn)。DSP Builder高級模塊集允許在MATLAB/Simulink設(shè)計中使用高級Simulink合成和時序驅(qū)動優(yōu)化。為滿足用戶規(guī)定的Fmax或延遲，在Simulink這類高級工具內(nèi)部進行設(shè)計優(yōu)化是一項獨特的功能。從根本上講，這意味著可以根據(jù)你的系統(tǒng)需求輕松地設(shè)置合適的Fmax和延遲，并且該工具將自動在寄存器中相加以提高Fmax或?qū)⒛承╆P(guān)鍵路徑并行化以滿足延遲約束條件。這就省去了花上幾周時間對生成的HDL代碼做繁瑣和低效率的手動調(diào)整。 圖2對自動化設(shè)計流程的步驟進行了說明： 使用DSP Builder高級模塊集中的標準構(gòu)件來搭建Simulink中的設(shè)計。對設(shè)計進行仿真以確保它符合該算法。這些模塊是可執(zhí)行的，并允許快速仿真。 ?它們也可以和傳統(tǒng)Simulink模塊混合使用，用于搭建一個完整的設(shè)計。在高級Simulink設(shè)計描述中設(shè)定整個系統(tǒng)最大頻率（Fmax）和/或延遲。DSP Builder對Simulink設(shè)計描述進行分析，并同時生成HDL代碼和用于目標FPGA器件的可選比特流。 ?它包含了時間限制—最大頻率（fMAX）和/或延遲—并自動添加到流水線寄存器和所要求的分時復用時間，以滿足設(shè)計規(guī)范要求。 DSPBuilder高級模塊集 視頻和成像處理套件 能加快先進成像算法的開發(fā)并將其用于FPGA的產(chǎn)品是一類理想的解決方案。Altera公司的VIP套件是一個核心IP標準構(gòu)件的模塊集。VIP和其它IP模塊及參考設(shè)計為設(shè)計人員提供了一系列工具，供設(shè)計人員用于加速對計算密集型任務(wù)的FPGA實現(xiàn)。 VIP套件由18個用于各種不同成像數(shù)據(jù)路徑的常用標準構(gòu)件函數(shù)組成，如圖4所示。該套件包括以下函數(shù)：從簡單的色彩空間轉(zhuǎn)換器到用于多相縮放和運動自適應(yīng)去隔行的高度復雜函數(shù)。 VIP套件標準部件。 隨著人口老齡化包括嬰兒潮的出現(xiàn)，現(xiàn)在急需更加平易近人的新療法(包括早期檢測和無創(chuàng)傷手術(shù))用于對最常見的疾病(尤其是與心臟有關(guān)的疾病和癌癥）進行治療。診斷成像技術(shù)及其相關(guān)算法取得的進步是推動滿足病人需求的醫(yī)療設(shè)備開發(fā)的主要動力。先進的算法需要圖像處理性能顯著提高的可升級系統(tǒng)平臺，并且用在體積更小、成本更低的便攜式設(shè)備。 |
