FPGA器件在醫(yī)療成像設(shè)備的應(yīng)用介紹

引言

過(guò)去，醫(yī)療設(shè)備制造商主要集中于開(kāi)發(fā)諸如X光、MRI和超聲波等大型醫(yī)療設(shè)備。而今天的醫(yī)療設(shè)備制造商正走向便攜醫(yī)療電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)。全球人口老化的不斷擴(kuò)大，以及人們對(duì)自身健康狀況關(guān)注的增加，要求醫(yī)療設(shè)備實(shí)現(xiàn)易于攜帶和更低成本，以方便在醫(yī)院之外的其他地方使用。因此，醫(yī)療設(shè)備制造商幾年前就開(kāi)始開(kāi)發(fā)諸如便攜式超聲波診斷設(shè)備、血壓計(jì)以及其他使用復(fù)雜數(shù)字圖像處理技術(shù)和先進(jìn)通信技術(shù)的個(gè)人健康監(jiān)護(hù)等醫(yī)療電子產(chǎn)品。

隨著90nm和65nm半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的到來(lái)，使得低功耗小尺寸和高度集成的醫(yī)療設(shè)備得以出現(xiàn)。對(duì)醫(yī)療設(shè)備制造商而言，其主要挑戰(zhàn)是如何選擇正確的半導(dǎo)體器件來(lái)滿足便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的功率、性能和價(jià)格需求。為了滿足市場(chǎng)的需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yù)期功能，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員開(kāi)始轉(zhuǎn)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。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(cè)器和復(fù)雜的軟件/硬件系統(tǒng)對(duì)光子和電子信號(hào)進(jìn)行分析。這些系統(tǒng)必須對(duì)數(shù)量不斷增加的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度且極快速的處理。此外，為了降低病人的醫(yī)療費(fèi)用，設(shè)備還存在成本的壓力，因而必須具有較長(zhǎng)的使用壽命。因此需要能在其有效使用期間升級(jí)功能和算法的更靈活的系統(tǒng)。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(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）。

要開(kāi)發(fā)高效且靈活的醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，必須要考慮到以下因素：

成像算法的開(kāi)發(fā)需要高級(jí)直觀的建模工具，以便針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）做持續(xù)改進(jìn)。

近似實(shí)時(shí)分析所需要的性能要求系統(tǒng)平臺(tái)同時(shí)配備軟件（CPU）和硬件FPGA。

系統(tǒng)架構(gòu)師和設(shè)計(jì)工程師需要在這些平臺(tái)上快速地分割和調(diào)試算法，采用最新的工具和知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）庫(kù)來(lái)加速其部署和提高收益。

成像算法

各種影像算法通常在FPGA中實(shí)現(xiàn)，包括圖像增強(qiáng)、穩(wěn)定、小波分析和分布式矢量處理等。

一般采用卷積（線性）濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。高通和低通濾波后的圖像經(jīng)過(guò)線性組合，由矩陣乘法模板進(jìn)行加權(quán)，產(chǎn)生的圖像增強(qiáng)了細(xì)節(jié)，同時(shí)降低了噪聲。

視頻圖像穩(wěn)定技術(shù)對(duì)視頻數(shù)據(jù)序列中的旋轉(zhuǎn)和縮放效果進(jìn)行歸一化處理，以平均連續(xù)幀中的噪聲。這還平滑了從視頻中提取的靜止圖像的鋸齒邊沿，能夠糾正大約1/10象素的圖像抖動(dòng)。

為獲取信號(hào)中的事件信息，小波分析使用可變窗口技術(shù)每次分析一小部分信號(hào)。小波分析對(duì)精確的低頻信息使用較長(zhǎng)的時(shí)間間隔，對(duì)高頻信息使用較短的間隔。小波應(yīng)用包括探測(cè)不連續(xù)點(diǎn)以及斷點(diǎn)、探測(cè)自相似、抑制信號(hào)、去除信號(hào)噪聲、去除圖像噪聲、壓縮圖像以及大型矩陣快速乘法運(yùn)算等。

最近開(kāi)發(fā)的S變換（ST）結(jié)合了FFT和小波變換。它揭示出頻率隨空間和時(shí)間的變化。其應(yīng)用包括紋理分析和噪聲濾除等。但是，ST的計(jì)算量較大，采用傳統(tǒng)的CPU實(shí)現(xiàn)起來(lái)速度太慢。分布式矢量處理技術(shù)解決了這一問(wèn)題，它在FPGA中同時(shí)采用矢量和并行計(jì)算，處理時(shí)間縮短了25倍。

一種癌癥早期探測(cè)的方法利用了病人的重新造血能力。數(shù)字傳感器探測(cè)人體輻射出的紅外能量，從而“看到”由于癌癥導(dǎo)致血流增加而出現(xiàn)的微小差異。其典型實(shí)現(xiàn)基于可編程心縮矩陣，采用了通用工作站以及FPGA專用硬件引擎來(lái)實(shí)現(xiàn)。和目前的高端工作站相比，該引擎將核心算法速度提高了近1,000倍。

這些復(fù)雜影像算法需要哪些關(guān)鍵FPGA構(gòu)建模塊函數(shù)呢？ 在CT重建中，需要插值、FFT和卷積函數(shù)。在超聲中，處理方法包括顏色流處理、卷積、聚束、混合和彈性估算等。普通影像算法包括顏色空間轉(zhuǎn)換、圖形覆蓋、2D/中值/時(shí)間濾波、縮放、幀/域轉(zhuǎn)換、對(duì)比度增強(qiáng)、銳化、邊沿探測(cè)、限幅、平移、極坐標(biāo)/笛卡兒坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、不均勻校正以及象素替換等函數(shù)。

視頻圖像穩(wěn)定和配準(zhǔn)（VISAR）是一種對(duì)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(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(jiǎn)單的橫向和縱向的圖像配準(zhǔn)技術(shù)。VISAR通過(guò)省去轉(zhuǎn)換、放大和旋轉(zhuǎn)來(lái)對(duì)準(zhǔn)視頻圖像域。由于VISAR讓用戶組合多個(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(xì)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(yùn)動(dòng)

在查看MRI視頻時(shí)改進(jìn)超聲波技術(shù)以針對(duì)身體運(yùn)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(hào)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(dāng)你查看某個(gè)信號(hào)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(hào)包含有重要的非平穩(wěn)或短暫的特性：漂移、趨勢(shì)、突變、事件開(kāi)始和/或結(jié)束。

為了幫助從信號(hào)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(hào)–將其稱之為信號(hào)加窗。近來(lái)，通過(guò)采用帶可變區(qū)間的加窗技術(shù)對(duì)小波分析加以改進(jìn)。小波分析允許采用長(zhǎng)時(shí)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(diǎn)檢測(cè)、自相似性檢測(cè)、信號(hào)抑制、信號(hào)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(kù)面向小波操作提供有核心標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)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(xiàn)更快計(jì)算的算法。S -變換（ST）結(jié)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(yīng)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(jì)算，這會(huì)使得傳統(tǒng)CPU的執(zhí)行速度變得太慢。但這一問(wèn)題可以通過(guò)結(jié)合向量和并行計(jì)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(xiàn)向量處理器與并行計(jì)算的結(jié)合，可以大大加速這類計(jì)算密集型算法。

現(xiàn)在，我們將討論推動(dòng)FPGA器件集成至醫(yī)療成像設(shè)備的一些趨勢(shì)和核心開(kāi)發(fā)成果。

X光成像

冠狀X射線圖像移動(dòng)校正技術(shù)用于減小成像期間呼吸和心臟跳動(dòng)的影響（心跳呼吸周期）?！?D加時(shí)間”冠狀模型的移動(dòng)被投射到2D圖像上，用于計(jì)算糾偏函數(shù)（轉(zhuǎn)換和放大），對(duì)移動(dòng)進(jìn)行校正，得到清晰的圖像。

此外，便攜式DR系統(tǒng)也正被越來(lái)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(wú)線連接的無(wú)繩平板檢測(cè)器，去掉了存在故障點(diǎn)和引發(fā)工傷的電纜。FPGA支持協(xié)議棧從有線到無(wú)線的轉(zhuǎn)變，同時(shí)管理上電順序和監(jiān)控這些數(shù)字式檢測(cè)器。

分子成像

分子影像是在細(xì)胞和分子級(jí)對(duì)生物醫(yī)學(xué)過(guò)程進(jìn)行特征描述和測(cè)量。其目的是探測(cè)、采集并監(jiān)視導(dǎo)致疾病的異常狀態(tài)。例如，X射線、正電子放射斷層掃描 （PET）和SPECT技術(shù)相結(jié)合，將低分辨率的功能/細(xì)胞/分子圖像映射到相應(yīng)的高分辨率解剖圖像，最小可以達(dá)到0.5 mm。小型化和算法開(kāi)發(fā)推動(dòng)了在這些緊湊系統(tǒng)平臺(tái)上使用FPGA，在多核CPU基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了性能。

PET技術(shù)取得的進(jìn)步包括：增加了檢測(cè)器的數(shù)量、擴(kuò)大檢測(cè)器配對(duì)區(qū)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(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(yù)處理決定。在許多系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA被用在來(lái)自光電傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電信號(hào)的聚集階段。FPGA內(nèi)在的可編程本質(zhì)支持更新的設(shè)計(jì)，提高數(shù)據(jù)路徑預(yù)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

磁共振影像（MRI）重構(gòu)技術(shù)建立人體的截面圖像。借助FPGA，采用了三種功能來(lái)重建3D人體圖像。從頻域數(shù)據(jù)中，2D重構(gòu)切片通過(guò)快速傅立葉變換（FFT）產(chǎn)生灰度級(jí)切片，一般是矩陣的形式。3D人體圖像重構(gòu)通過(guò)切片插值使得切片間距接近象素間距，這樣，可以從任意2D平面來(lái)查看圖像。迭代分辨率銳化使用基于迭代反向?yàn)V波過(guò)程的空間去模糊技術(shù)，在降低噪聲的同時(shí)對(duì)圖像重構(gòu)。這樣，大大提高了橫截面的視覺(jué)診斷分辨率。

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(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(shù)中大部分是VIP和DSP庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，用于FPGA實(shí)現(xiàn)。由此來(lái)看，三維卷積重建由插補(bǔ)技術(shù)生成。

超聲波

超聲圖像中顯現(xiàn)的小顆粒被稱為斑點(diǎn)。各種無(wú)關(guān)的散射體相互作用產(chǎn)生了超聲斑點(diǎn)（和無(wú)線領(lǐng)域的多徑RF反射相似），它本質(zhì)上是一種乘性噪聲。使用有損壓縮技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)斑超聲影像。先對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)數(shù)處理，斑點(diǎn)噪聲相對(duì)于有用信號(hào)成為加性噪聲。使用JPEG2000編碼器進(jìn)行有損小波壓縮可以減小斑點(diǎn)噪聲。

該成像技術(shù)的趨勢(shì)是增多功能和擴(kuò)大用途。高次傳感器通道計(jì)數(shù)系統(tǒng)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(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?？捎脝蝹€(gè)FPGA器件執(zhí)行波束成形、處理和人機(jī)界面（HMI）功能來(lái)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)備。

CT掃描

高次切片計(jì)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(shí)間和更詳細(xì)的圖像。然而，最近的趨勢(shì)一直是采用可減少X射線輻射劑用量的技術(shù)。通過(guò)開(kāi)發(fā)用于更先進(jìn)的物理模型的更復(fù)雜算法可以做到這一點(diǎn)。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(jìn)的圖像處理性能。

PET/ CT融合為基于軟件的圖像融合（配準(zhǔn)）提供了一個(gè)選擇，它通常用于對(duì)齊大腦的功能和解剖圖像。至于身體的其它部位，因?yàn)榛颊叨ㄎ?、掃描儀床的尺寸以及內(nèi)部器官的不自主運(yùn)動(dòng)存在差異，圖像配準(zhǔn)存在更多問(wèn)題。在PET / CT混合平臺(tái)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(zhǔn)和患者運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。

視頻成像

在血管成像領(lǐng)域，黃金標(biāo)準(zhǔn)一直是血管X射線圖像的輻射不透明對(duì)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(duì)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(shí)采集和配準(zhǔn)光聲和超聲影像，對(duì)血管和骨骼圖像進(jìn)行分割以及使用基于相關(guān)增強(qiáng)濾波器以減少肺部疾病的誤診。

此外，心臟運(yùn)動(dòng)估算是量化心肌彈性和收縮性的一個(gè)重要輔助項(xiàng)。局部區(qū)域表現(xiàn)異常運(yùn)動(dòng)標(biāo)示著缺血性心臟區(qū)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(duì)彈性進(jìn)行量化評(píng)估，使用超聲時(shí)空配準(zhǔn)技術(shù)方面尋找到 ，采用時(shí)間-空間配準(zhǔn)技巧來(lái)發(fā)現(xiàn)相對(duì)參考坐標(biāo)系的變形場(chǎng)。其中所用的核心VIP和DSP標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件函數(shù)包括二維濾波、降斑、相關(guān)和平滑。

關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件函數(shù)

有些復(fù)雜成像算法所要求的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件函數(shù)包括：色彩空間轉(zhuǎn)換等、圖形疊加、2D/中間/時(shí)間濾波、縮放、幀/場(chǎng)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(duì)于超聲而言，彩色流處理、卷積、波束成形、復(fù)合及彈性估算很重要。

VIP套件以及附加IP和參考設(shè)計(jì)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)?？紤]算法開(kāi)發(fā)方法和相應(yīng)的工具也很重要。

開(kāi)發(fā)工具

影像構(gòu)架師利用高級(jí)軟件工具來(lái)模擬不同的算法和結(jié)果。數(shù)字成像軟件和算法開(kāi)發(fā)需要使用靈活的工具來(lái)創(chuàng)建快速且準(zhǔn)確的圖像處理算法。這些算法定義并實(shí)現(xiàn)各種技巧、三維圖像處理和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、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(shí)別、數(shù)字圖像編碼和壓縮、自動(dòng)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(kāi)發(fā)公司能加速算法在FPGA中的實(shí)現(xiàn)。DSP Builder高級(jí)模塊集允許在MATLAB/Simulink設(shè)計(jì)中使用高級(jí)Simulink合成和時(shí)序驅(qū)動(dòng)優(yōu)化。為滿足用戶規(guī)定的Fmax或延遲，在Simulink這類高級(jí)工具內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化是一項(xiàng)獨(dú)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(dòng)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(shí)間對(duì)生成的HDL代碼做繁瑣和低效率的手動(dòng)調(diào)整。

對(duì)自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程的步驟進(jìn)行了說(shuō)明：

使用DSP Builder高級(jí)模塊集中的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件來(lái)搭建Simulink中的設(shè)計(jì)。對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)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(gè)完整的設(shè)計(jì)。在高級(jí)Simulink設(shè)計(jì)描述中設(shè)定整個(gè)系統(tǒng)最大頻率（Fmax）和/或延遲。DSP Builder對(duì)Simulink設(shè)計(jì)描述進(jìn)行分析，并同時(shí)生成HDL代碼和用于目標(biāo)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)添加到流水線寄存器和所要求的分時(shí)復(fù)用時(shí)間，以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

DSPBuilder高級(jí)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)品是一類理想的解決方案。Altera公司的VIP套件是一個(gè)核心IP標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的模塊集。VIP和其它IP模塊及參考設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)人員提供了一系列工具，供設(shè)計(jì)人員用于加速對(duì)計(jì)算密集型任務(wù)的FPGA實(shí)現(xiàn)。

VIP套件由18個(gè)用于各種不同成像數(shù)據(jù)路徑的常用標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)單的色彩空間轉(zhuǎn)換器到用于多相縮放和運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行的高度復(fù)雜函數(shù)。

VIP套件標(biāo)準(zhǔn)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用于對(duì)最常見(jiàn)的疾病進(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)滿足病人需求的醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)的主要?jiǎng)恿?。先進(jìn)的算法需要圖像處理性能顯著提高的可升級(jí)系統(tǒng)平臺(tái)，并且用在體積更小、成本更低的便攜式設(shè)備。