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醫療成像設備在醫療保健領域繼續發揮著越來越重要的作用，成像技術正在增加并向新的應用領域擴張。為了滿足市場的需求，系統設計必須具備靈活性，還需要著重提高診斷圖片的質量，方便病人以及降低成本。為了提供這些預期功能，系統開發人員開始轉用FPGA。 盡早診斷和治療正在推動成像技術的使用和混合技術的融合，如正電子發射斷層掃描（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）和現場可編程門陣列（FPGA）。 要開發高效且靈活的醫學成像設備，必須要考慮到以下因素： ? 成像算法的開發需要高級直觀的建模工具，以便針對數字信號處理(DSP)做持續改進。 ? 近似實時分析所需要的性能要求系統平臺同時配備軟件(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權（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，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。線性組合過濾技術可增強前者的細節和降低后者的噪聲，通過產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Sobel邊緣檢測濾波器的經平滑處理的輸出。它用數值來近似(圖像中)包括細節的部分和用零來表示不包含細節的部分。高通和低通濾波圖像的線性組合由掩碼加權，得到細節增強且噪聲減少的圖像。 視頻圖像穩定和配準（VISAR）是一種對實時視頻圖像去抖動的算法。它開發用于提高視頻圖像的質量，通過視頻數據序列的旋轉和縮放效果，VISAR使圖像質量超越了更簡單的橫向和縱向的圖像配準技術。VISAR通過省去轉換、放大和旋轉來對準視頻圖像域。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 ? 穩定眼睛圖像用于視網膜研究 ? 穩定熱紅外成像 ? 在內鏡手術期間穩定攝像頭和身體運動 ? 在查看MRI視頻時改進超聲波技術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生在什么時候。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，通過采用帶可變區間的加窗技術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間以得到高頻信息。小波應用包括非連續和故障點檢測、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更快計算的算法。S -變換（ST）結合了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CPU的執行速度變得太慢。但這一問題可以通過結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中實現向量處理器與并行計算的結合，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療系統的典型框圖 現在，我們將討論推動FPGA器件集成至醫療成像設備的一些趨勢和核心開發成果。 X光成像 從計算機射線成像（CR）向數字化放射（DR）的轉變正在有條不紊地進行。數字平板檢測器可以在幾秒鐘內對圖像進行處理，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的化學品。 此外，便攜式DR系統也正被越來越多的人所接受。這些尺寸更小的系統大多數提供有采用無線連接的無繩平板檢測器，去掉了存在故障點和引發工傷的電纜。FPGA支持協議棧從有線到無線的轉變，同時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細胞功能和代謝過程的圖像。兩項常用的技術是單光子發射計算機斷層顯像（SPECT）和PET平臺。 PET技術取得的進步包括：增加了檢測器的數量、擴大檢測器配對區域、更短的時間窗、領先的技術和更先進算法的建模。原始數據的顯著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）函數開發二維切片重建。用到了銳化和空間模糊技巧，降低噪音的同時銳化圖像。這些函數中大部分是VIP和DSP庫中的標準構件，用于FPGA實現。由此來看，三維卷積重建由插補技術生成。 超聲波 該成像技術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。可用單個FPGA器件執行波束成形、處理和人機界面（HMI）功能來實現一體化設備。 CT掃描 高次切片計算CT掃描儀被用于心臟、肺和創傷成像應用。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。通過開發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系統處理速度是原始數據的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，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/血管內超聲波掃描。這些技術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。局部區域表現異常運動標示著缺血性心臟區間，此處血液循環不足。一個發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方面尋找到 ，采用時間-空間配準技巧來發現相對參考坐標系的變形場。其中所用的核心VIP和DSP標準構件函數包括二維濾波、降斑、相關和平滑。 關鍵標準構件函數 有些復雜成像算法所要求的關鍵標準構件函數包括：色彩空間轉換等、圖形疊加、2D/中間/時間濾波、縮放、幀/場轉換、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。考慮算法開發方法和相應的工具也很重要。 開發工具 影像構架師利用高級軟件工具來模擬不同的算法和結果。數字成像軟件（如MATLAB和Simulink）和算法開發需要使用靈活的工具來創建快速且準確的圖像處理算法。這些算法定義并實現各種技巧、三維圖像處理和統計數據、解方程組和顯示/文件的算法等。開發工具被用于FPGA的DSP功能創建、定量圖像分析、模式識別、數字圖像編碼和壓縮、自動顯微鏡、法醫圖像處理和2D小波轉換應用。 在僅用CPU不夠的情況下，這些工具包使開發公司能加速算法在FPGA中的實現。DSP Builder高級模塊集允許在MATLAB/Simulink設計中使用高級Simulink合成和時序驅動優化。為滿足用戶規定的Fmax或延遲，在Simulink這類高級工具內部進行設計優化是一項獨特的功能。從根本上講，這意味著可以根據你的系統需求輕松地設置合適的Fmax和延遲，并且該工具將自動在寄存器中相加以提高Fmax或將某些關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整。 圖2對自動化設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件來搭建Simulink中的設計。對設計進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，用于搭建一個完整的設計。在高級Simulink設計描述中設定整個系統最大頻率（Fmax）和/或延遲。DSP Builder對Simulink設計描述進行分析，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 能加快先進成像算法的開發并將其用于FPGA的產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的FPGA實現。 VIP套件由18個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：從簡單的色彩空間轉換器到用于多相縮放和運動自適應去隔行的高度復雜函數。 VIP套件標準部件。 隨著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(包括早期檢測和無創傷手術)用于對最常見的疾病(尤其是與心臟有關的疾病和癌癥）進行治療。診斷成像技術及其相關算法取得的進步是推動滿足病人需求的醫療設備開發的主要動力。先進的算法需要圖像處理性能顯著提高的可升級系統平臺，并且用在體積更小、成本更低的便攜式設備。 |
