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(kuò)張,。為了滿足市場的需求，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)開發(fā)人員開始轉(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,，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(fù)雜的軟件/硬件系統(tǒng)對光子和電子信號進(jìn)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(dá)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(yī)療費(fèi)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(xué)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(jìn),。

　　• 近似實(shí)時(shí)分析所需要的性能要求系統(tǒng)平臺同時(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(qiáng)通常與卷積（線性）過濾一同完成。高通濾波可提高圖像的細(xì)節(jié),，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(xì)節(jié)變得模糊,。大多數(shù)圖像包含內(nèi)容細(xì)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(qiáng)前者的細(xì)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(xiàng)技術(shù)能起作用是因?yàn)檠劬?xì)節(jié)區(qū)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(shù)值來近似(圖像中)包括細(xì)節(jié)的部分和用零來表示不包含細(xì)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(xì)節(jié)增強(qiáng)且噪聲減少的圖像。

　　視頻圖像穩(wěn)定和配準(zhǔn)（VISAR）是一種對實(shí)時(shí)視頻圖像去抖動(dòng)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(zhǔn)技術(shù),。VISAR通過省去轉(zhuǎn)換,、放大和旋轉(zhuǎn)來對準(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(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(gè)時(shí)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(jìn),。小波分析允許采用長時(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、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(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,。但這一問題可以通過結(jié)合向量和并行計(jì)算來解決,，可將處理時(shí)間壓縮25倍。通過在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,。

1. 圖中所示為一個(gè)常見醫(yī)療系統(tǒng)的典型框圖

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

X光成像

　　從計(jì)算機(jī)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(jìn)行,。數(shù)字平板檢測器可以在幾秒鐘內(nèi)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,。

關(guān)鍵字：FPGA成像系統(tǒng) FPGA醫(yī)療應(yīng)用 成像設(shè)備系統(tǒng)

　　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(diǎn)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(shí)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(xì)胞功能和代謝過程的圖像,。兩項(xiàng)常用的技術(shù)是單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)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(shù)量、擴(kuò)大檢測器配對區(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(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(shí)銳化圖像,。這些函數(shù)中大部分是VIP和DSP庫中的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，用于FPGA實(shí)現(xiàn),。由此來看,，三維卷積重建由插補(bǔ)技術(shù)生成。

超聲波

　　該成像技術(shù)的趨勢是增多功能和擴(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(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弧呙鑳x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)存在更多問題,。在PET / CT混合平臺中，在單一成像過程中同時(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(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彈性進(jìn)行量化評估，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)技巧來發(fā)現(xiàn)相對參考坐標(biāo)系的變形場,。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(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(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(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,，這些工具包使開發(fā)公司能加速算法在FPGA中的實(shí)現(xiàn)。DSP Builder高級模塊集允許在MATLAB/Simulink設(shè)計(jì)中使用高級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)間對生成的HDL代碼做繁瑣和低效率的手動(dòng)調(diào)整,。

　　圖2對自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程的步驟進(jìn)行了說明：

　　使用DSP Builder高級模塊集中的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件來搭建Simulink中的設(shè)計(jì),。對設(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,。

關(guān)鍵字：FPGA成像系統(tǒng) FPGA醫(yī)療應(yīng)用 成像設(shè)備系統(tǒng)

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(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(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系統(tǒng)平臺,，并且用在體積更小、成本更低的便攜式設(shè)備,。