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醫療成像設備在醫療保健領(lǐng)域繼續發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，成像技術(shù)正在增加并向新的應用領(lǐng)域擴張。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求，系統設計必須具備靈活性，還需要著(zhù)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，系統開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始轉用FPGA。 盡早診斷和治療正在推動(dòng)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/硬件系統對光子和電子信號進(jìn)行分析。這些系統必須對數量不斷增加的圖像數據（高達10 Gbits/s）進(jìn)行高精度且極快速的處理。此外，為了降低病人的醫療費用，設備還存在成本的壓力，因而必須具有較長(cháng)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。越來(lái)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）和現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）。 要開(kāi)發(fā)高效且靈活的醫學(xué)成像設備，必須要考慮到以下因素： ? 成像算法的開(kāi)發(fā)需要高級直觀(guān)的建模工具，以便針對數字信號處理(DSP)做持續改進(jìn)。 ? 近似實(shí)時(shí)分析所需要的性能要求系統平臺同時(shí)配備軟件(CPU)和硬件FPGA。 ? 系統架構師和設計工程師需要在這些平臺上快速地分割和調試算法，采用最新的工具和知識產(chǎn)權（IP）庫來(lái)加速其部署和提高收益。 成像算法 圖像增強通常與卷積（線(xiàn)性）過(guò)濾一同完成。高通濾波可提高圖像的細節，但同時(shí)也使得噪音更明顯。低通濾波可抑制噪音，但會(huì )使圖像細節變得模糊。大多數圖像包含內容細膩的部分和內容粗糙的部分。線(xiàn)性組合過(guò)濾技術(shù)可增強前者的細節和降低后者的噪聲，通過(guò)產(chǎn)生高通和低通濾波圖像并依據掩碼將兩者相結合。 這項技術(shù)能起作用是因為眼睛對細節區域中的噪聲不敏感。掩碼是一個(gè)Sobel邊緣檢測濾波器的經(jīng)平滑處理的輸出。它用數值來(lái)近似(圖像中)包括細節的部分和用零來(lái)表示不包含細節的部分。高通和低通濾波圖像的線(xiàn)性組合由掩碼加權，得到細節增強且噪聲減少的圖像。 視頻圖像穩定和配準（VISAR）是一種對實(shí)時(shí)視頻圖像去抖動(dòng)的算法。它開(kāi)發(fā)用于提高視頻圖像的質(zhì)量，通過(guò)視頻數據序列的旋轉和縮放效果，VISAR使圖像質(zhì)量超越了更簡(jiǎn)單的橫向和縱向的圖像配準技術(shù)。VISAR通過(guò)省去轉換、放大和旋轉來(lái)對準視頻圖像域。由于VISAR讓用戶(hù)組合多個(gè)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(dòng)校正至1/10個(gè)像素。 VISAR算法可以用于： ? 將顯微鏡下的細胞圖像明晰化 ? 穩定眼睛圖像用于視網(wǎng)膜研究 ? 穩定熱紅外成像 ? 在內鏡手術(shù)期間穩定攝像頭和身體運動(dòng) ? 在查看MRI視頻時(shí)改進(jìn)超聲波技術(shù)以針對身體運動(dòng)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(shí)域變換到頻域的同時(shí)丟失了時(shí)間信息。這就是為什么當你查看某個(gè)信號的傅立葉變換時(shí)，它不可能告訴你某個(gè)特定事件發(fā)生在什么時(shí)候。許多成像信號包含有重要的非平穩或短暫的特性：漂移、趨勢、突變、事件開(kāi)始和/或結束。 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(gè)時(shí)間一小部分信號–將其稱(chēng)之為信號加窗。近來(lái)，通過(guò)采用帶可變區間的加窗技術(shù)對小波分析加以改進(jìn)。小波分析允許采用長(cháng)時(shí)間間隔以得到更精確的低頻信息和更短的區間以得到高頻信息。小波應用包括非連續和故障點(diǎn)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件，包括縮放、移動(dòng)、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(shí)現更快計算的算法。S -變換（ST）結合了FFT和小波變換的特點(diǎn)，揭示了頻率在空間和時(shí)間的變化。應用范圍包括紋理分析和噪聲過(guò)濾。然而，ST需要進(jìn)行密集計算，這會(huì )使得傳統CPU的執行速度變得太慢。但這一問(wèn)題可以通過(guò)結合向量和并行計算來(lái)解決，可將處理時(shí)間壓縮25倍。通過(guò)在FPGA中實(shí)現向量處理器與并行計算的結合，可以大大加速這類(lèi)計算密集型算法。 1. 圖中所示為一個(gè)常見(jiàn)醫療系統的典型框圖 現在，我們將討論推動(dòng)FPGA器件集成至醫療成像設備的一些趨勢和核心開(kāi)發(fā)成果。 X光成像 從計算機射線(xiàn)成像（CR）向數字化放射（DR）的轉變正在有條不紊地進(jìn)行。數字平板檢測器可以在幾秒鐘內對圖像進(jìn)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(xué)品。 此外，便攜式DR系統也正被越來(lái)越多的人所接受。這些尺寸更小的系統大多數提供有采用無(wú)線(xiàn)連接的無(wú)繩平板檢測器，去掉了存在故障點(diǎn)和引發(fā)工傷的電纜。FPGA支持協(xié)議棧從有線(xiàn)到無(wú)線(xiàn)的轉變，同時(shí)管理上電順序和監控這些數字式檢測器。 分子成像 X光或CT掃描提供解剖結構的圖像，而分子成像是非常適合提供有關(guān)細胞功能和代謝過(guò)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(jìn)步包括：增加了檢測器的數量、擴大檢測器配對區域、更短的時(shí)間窗、領(lǐng)先的技術(shù)和更先進(jìn)算法的建模。原始數據的顯著(zhù)增加要求數據路徑具有更快的處理能力和更早做預處理決定。在許多系統中，FPGA被用在來(lái)自光電傳感器和數據轉換器的電信號的聚集階段。FPGA內在的可編程本質(zhì)支持更新的設計，提高數據路徑預處理決定，從而減少傳送到重建階段的數據量。 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，利用頻域數據的快速傅立葉變換（FFT）函數開(kāi)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(shí)銳化圖像。這些函數中大部分是VIP和DSP庫中的標準構件，用于FPGA實(shí)現。由此來(lái)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系統支持更先進(jìn)的成像算法，允許四維成像（時(shí)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(shí)能靈活地適應不斷變化的算法。便攜式和手持設備需要低成本、低功耗解決方案�？捎脝蝹�(gè)FPGA器件執行波束成形、處理和人機界面（HMI）功能來(lái)實(shí)現一體化設備。 CT掃描 高次切片計算CT掃描儀被用于心臟、肺和創(chuàng )傷成像應用。這些掃描儀支持更快的檢查時(shí)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(xiàn)輻射劑用量的技術(shù)。通過(guò)開(kāi)發(fā)用于更先進(jìn)的物理模型的更復雜算法可以做到這一點(diǎn)。新款CT系統處理速度是原始數據的10倍，可提供非常先進(jìn)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(gè)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部器官的不自主運動(dòng)存在差異，圖像配準存在更多問(wèn)題。在PET / CT混合平臺中，在單一成像過(guò)程中同時(shí)獲取功能性和解剖性圖像，以避免或減少配準和患者運動(dòng)問(wèn)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(xiàn)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(shí)差/相位對比磁共振血管造影和雙工/血管內超聲波掃描。這些技術(shù)涉及同時(shí)采集和配準光聲和超聲影像，對血管和骨骼圖像進(jìn)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(dòng)估算是量化心肌彈性和收縮性的一個(gè)重要輔助項。局部區域表現異常運動(dòng)標示著(zhù)缺血性心臟區間，此處血液循環(huán)不足。一個(gè)發(fā)展中的算法包括從一系列超聲圖像對彈性進(jìn)行量化評估，使用超聲時(shí)空配準技術(shù)方面尋找到 ，采用時(shí)間-空間配準技巧來(lái)發(fā)現相對參考坐標系的變形場(chǎng)。其中所用的核心VIP和DSP標準構件函數包括二維濾波、降斑、相關(guān)和平滑。 關(guān)鍵標準構件函數 有些復雜成像算法所要求的關(guān)鍵標準構件函數包括：色彩空間轉換等、圖形疊加、2D/中間/時(shí)間濾波、縮放、幀/場(chǎng)轉換、逐行掃描和銳化；若是CT重建，則需求插值、FFT和卷積函數；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�？紤]算法開(kāi)發(fā)方法和相應的工具也很重要。 開(kāi)發(fā)工具 影像構架師利用高級軟件工具來(lái)模擬不同的算法和結果。數字成像軟件（如MATLAB和Simulink）和算法開(kāi)發(fā)需要使用靈活的工具來(lái)創(chuàng )建快速且準確的圖像處理算法。這些算法定義并實(shí)現各種技巧、三維圖像處理和統計數據、解方程組和顯示/文件的算法等。開(kāi)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、數字圖像編碼和壓縮、自動(dòng)顯微鏡、法醫圖像處理和2D小波轉換應用。 在僅用CPU不夠的情況下，這些工具包使開(kāi)發(fā)公司能加速算法在FPGA中的實(shí)現。DSP Builder高級模塊集允許在MATLAB/Simulink設計中使用高級Simulink合成和時(shí)序驅動(dòng)優(yōu)化。為滿(mǎn)足用戶(hù)規定的Fmax或延遲，在Simulink這類(lèi)高級工具內部進(jìn)行設計優(yōu)化是一項獨特的功能。從根本上講，這意味著(zhù)可以根據你的系統需求輕松地設置合適的Fmax和延遲，并且該工具將自動(dòng)在寄存器中相加以提高Fmax或將某些關(guān)鍵路徑并行化以滿(mǎn)足延遲約束條件。這就省去了花上幾周時(shí)間對生成的HDL代碼做繁瑣和低效率的手動(dòng)調整。 圖2對自動(dòng)化設計流程的步驟進(jìn)行了說(shuō)明： 使用DSP Builder高級模塊集中的標準構件來(lái)搭建Simulink中的設計。對設計進(jìn)行仿真以確保它符合該算法。這些模塊是可執行的，并允許快速仿真。 ?它們也可以和傳統Simulink模塊混合使用，用于搭建一個(gè)完整的設計。在高級Simulink設計描述中設定整個(gè)系統最大頻率（Fmax）和/或延遲。DSP Builder對Simulink設計描述進(jìn)行分析，并同時(shí)生成HDL代碼和用于目標FPGA器件的可選比特流。 ?它包含了時(shí)間限制—最大頻率（fMAX）和/或延遲—并自動(dòng)添加到流水線(xiàn)寄存器和所要求的分時(shí)復用時(shí)間，以滿(mǎn)足設計規范要求。 DSPBuilder高級模塊集 視頻和成像處理套件 能加快先進(jìn)成像算法的開(kāi)發(fā)并將其用于FPGA的產(chǎn)品是一類(lèi)理想的解決方案。Altera公司的VIP套件是一個(gè)核心IP標準構件的模塊集。VIP和其它IP模塊及參考設計為設計人員提供了一系列工具，供設計人員用于加速對計算密集型任務(wù)的FPGA實(shí)現。 VIP套件由18個(gè)用于各種不同成像數據路徑的常用標準構件函數組成，如圖4所示。該套件包括以下函數：從簡(jiǎn)單的色彩空間轉換器到用于多相縮放和運動(dòng)自適應去隔行的高度復雜函數。 VIP套件標準部件。 隨著(zhù)人口老齡化包括嬰兒潮的出現，現在急需更加平易近人的新療法(包括早期檢測和無(wú)創(chuàng )傷手術(shù))用于對最常見(jiàn)的疾病(尤其是與心臟有關(guān)的疾病和癌癥）進(jìn)行治療。診斷成像技術(shù)及其相關(guān)算法取得的進(jìn)步是推動(dòng)滿(mǎn)足病人需求的醫療設備開(kāi)發(fā)的主要動(dòng)力。先進(jìn)的算法需要圖像處理性能顯著(zhù)提高的可升級系統平臺，并且用在體積更小、成本更低的便攜式設備。 |
