本文评论了医疗成像算法的当时趋势、成像形式的交融和完结这些算法的可扩展渠道。现场可编程门阵列为可扩展CPU渠道供给数据收集和协处理支撑，使得更杂乱的成像成为可能。
医学成像
医学成像技能在医疗保健范畴发挥的作用越来越重要。这是由于医疗保健职业正在尽力查看出—乃至预测出—尚处在前期阶段的疾病并活跃推广无创性医治，并与此一起下降确诊和医治本钱。确诊成像形式的交融与成像算法开发办法及发展相结合是推进开发能完结上述方针的新仪器的主要要素。
为了供给能满意这些医疗保健职业方针所需求的功用，设备开发商正在转向可扩展的、商业现货供给（COTS）的中央处理单元（CPU）渠道，这些渠道支撑现场可编程门阵列（FPGA）用于数据收集和协处理。要高效地开发灵敏、可扩展的医疗印象设备，设备开发商有必要考虑若干要素。这些要素包含成像算法的开发，多个成像技能的协同运用（成像形式的交融）以及渠道的可扩展性。
成像算法的开发需求用到高档直观的建模东西，用于数字信号处理算法的继续改善。这些先进的算法要求可扩展的体系渠道，能够明显地进步图画处理功用。这些可扩展的渠道应该能够让更小型的、更便利带着的设备得以完结。
要完结近实时剖析，体系渠道有必要和软件（CPU）和硬件（可装备的逻辑门的数量）相匹配。这些处理渠道有必要满意不同的功用价位，而且有必要能够应对多种成像技能间的不同要求。 FPGA能够很简单地被集成到多核CPU渠道，为十分灵敏的体系供给DSP处理才能，完结最高功用。
体系架构和规划工程师有必要快速区别这些渠道上的算法，然后运用高档开发东西和知识产权（IP）库对其进行调试。这一进程加速了渠道布置，然后完结了制造商赢利的最大化。
算法开发
应从每种成像形式的成像算法中的趋势剖析开端评论，包含考虑怎么运用FPGA和IP。
磁共振成像（MRI）生成人体的横截面图画。运用FPGA完结的三个功用被用来重建来自截面的三维体。首要，快速傅里叶改换（FFT）生成灰度2 D切片，一般为矩阵，来自频域的数据。然后，三维体的重建触及切片之间的插值，以发生一个片距离来近似像素间的距离，这样就能够从任何2D平面看到图画。接着，进行迭代分辨率锐化。这个功用选用一种根据一个迭代反向滤波进程的空间去模糊技能，然后在下降噪声的一起使图画结构被从头聚集。因而，截面的全体视觉确诊分辨率被大大进步。
超声（成像）。超声图画有颗粒存在是一种被称为散斑（speckle）的现象。散斑是由于不同的独立散射物质（相似无线范畴的多路无线电频率反射）的相互作用所导致，而且是倍增的性质。超声图画可经过有损紧缩的办法来消除斑驳。首要，取图画的对数；散斑噪声变成和有用信号相加。然后，经过JPEG2000编码器选用小波有损紧缩将噪音最小化。
X光。状动脉X光成像的运动修正是一种将心脏呼吸循环—呼吸和心脏跳动—对成像的影响降到最小的算法。3D+时刻的冠状动脉模型的运动被投射到2D的X光图画，支撑对去歪曲功用（平移和扩大）—校对这种运动并得到更明晰的图画的核算。
分子成像。分子成像是对细胞和分子级生物进程的表征和丈量，其意图是检测并捕捉病变细胞和分子的图画，并监测之。例如，能够将X光成像，正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射核算机核算断层成像（SPECT）组合用于器官功用、细胞和分子的低分辨率图画，在相对应解剖特征的分辨率低至0.5mm的状况下。设备愈加小型化的趋势和对新算法的探究推进使得功用超出了多核CPU的功用，并使得这些紧凑的体系有必要选用FPGA技能。
成像形式的交融。完结前期疾病确诊和无创性医治推进着成像技能的结合，例如，在PET /电脑断层扫描（CT）体系和x光医治/CT设备中可见到上述状况。要满意当时的功用要求，需求更高分辨率的图画，这要求用于精巧的几许微阵列探测器加上FPGA来对光子和电子信号进行预处理。在预处理完结后，这些信号被CPU和FPGA协处理器组合进行归纳和处理，然后生成具体的身体图画。
非实时（NRT）图画的交融，或图画配准，一般被用在将成像于不一起间的器官功用图画宽和剖图画进行摆放比照。可是，由于患者方位的改变、扫描根底概括的不同、以及患者内部器官自可是然的运动等原因，NRT图画配准是存在问题的。选用FPGA处理对PET和CT实时交融，答应器官功用图画宽和剖图画在一次成像期间都被收集而且交融，而不是像曩昔在后期将图画叠加。交融后的图画能够为手术医治供给更好的明晰度和定位精度。
在手术期间用于辅导医师的图画处理包含将手术前的CT或MRI图画与实时3D超声或X光图画进行配准，以促进无创医治（如超声波、磁共振搅扰和x光医治）的运用。在这一范畴，各种算法被开发用于为某些特定的成像形式和医治组合供给优化的图画配准成果。
在这一类交融式组合体系中，装备有高速串行互连的FPGA能够减缩将数据收集功用连接到体系后处理部分的互连要求，经过省去额定的电路板和电缆，大大地下降了全体体系的本钱。
成像算法
有好几种不同的成像算法被常用于FPGA中。这些算法包含增强、安稳、小波剖析和散布矢量处理。
图画增强算法一般用到卷积或线性、滤波。高通滤波图画和低通滤波图画进行线性组合，经过矩阵乘法加权，可生成一幅细节增强而噪音下降的图画。
视频图画的安稳包含视频数据序列的规范化旋转和缩放作用，以终究到达接连帧之间噪音的平衡。此外，该算法平滑了从视频中提取的静态图画的锯齿边际，并可将图画颤动校对至约十分之一个像素。
小波剖析算法规划用于协助获取信号内的工作信息，小波剖析算法选用窗口技能——经过改变窗口的巨细——来剖析信号的一小段。为了获得更高的准确性，小波剖析答应对低频信息选用较长的时刻距离，而对高频信号选用更短的时刻距离。小波剖析算法的运用包含不接连点和断点的检测、自相似性查看、信号按捺、信号或图画的降噪、图画紧缩和大型矩阵的快速相乘。
近期获得发展的S改换算法结合了FFT和小波改换的长处。它提醒了空间和时刻上的频率改变。这一功用的运用包含纹路剖析和噪声滤波。S改换算法归于一种密集型核算，会使得传统CPU的履行速度变得很慢。散布式向量处理能够处理这个问题，经过在FPGA内部将向量和并行核算相结合，使得处理时刻可缩短25倍。
前期癌症检测的一种办法是运用了恶性肿瘤会调集新血液供给的功用。数字传感器检测到由患者身体释放出的红外线能量。因而，它能够检测到因癌症引起的血流量添加与正常状况的细微差别。这一功用的典型运用是根据一个可编程脉动列阵，经过一个通用作业站和一个根据FPGA的专用硬件引擎来完结。 FPGA引擎可将中心算法加速至近1000倍于一个现在最新作业站所能到达的速度。
关于这些杂乱的成像算法而言，多FPGA模块部件功用是有必要的。例如，CT重建需求插值、快速傅立叶改换和卷积等功用。在超声成像范畴，处理办法包含五颜六色流处理、卷积、波束构成和弹性估量等。通用成像算法包含许多相似的功用，如颜色空间转化、图形叠加、2D中值滤波、缩放、帧和场的转化、比照度增强、锐化、边际检测、阈值、平移、极性和笛卡尔转化、非均匀性校对和像素置换等。
可扩展渠道
在曩昔，许多成像体系被作为成专有核算机体系来打造。但跟着当时高功用的商用现货供给（COTS）的CPU板的呈现，体系工程师能够以更具创造性的办法来完结规划。尽管许多算法的NRT处理进程单单就软件而言是能够承受，可是实时图画处理仍需求硬件的辅佐。当时的FPGA内置有DSP模块、高带宽的内存模块、以及大型可编程阵列等，是十分合适供给这类硬件辅佐的硬件设备。
Altera公司（圣何塞）一向与其协作伙伴严密协作以供给FPGA协处理资源+COTS CPU处理方案的组合。关于来自英特尔公司和AMD公司的单板机(SBC)，Altera公司的内置有串行器-解串器的Stratix II GX FPGA能够直接运转PCI Express兼容协处理器板用于算法卸载。关于AMD公司的带有双插槽的单板机，XtremeData公司（美国伊利诺斯州、绍姆堡）供给了一个可直接刺进AMD皓龙处理器的插座的协处理器子卡，供给了一个一流的CPU+FPGA处理处理方案（见图1）。一个四插槽的AMD单板机可供给多个CPU+FPGA协处理器的组合（1 +3，2 +2或3 +1），用以进步算法密集型运用的功用。但能够经过运用多个1U服务器刀片完结终究的渠道可扩展性，每个1U服务器刀片履行CPU+FPGA协处理器处理方案。
这些渠道的运用增速作用取决于算法：一个算法中能够加载到FPGA中的并行核算越多，全体的履行速度就越快。例如，当对一个CT成像算法选用根据FPGA硬件的加速——给每个CPU（3 GHz）加上一个FPGA协处理器时，整个运用程序的履行速度快了10倍。成果便是，体系的功耗、尺度以及本钱明显地下降。
开发办法学
评论自然地包含对开发算法的办法以及相应的算法履行东西的考虑。
算法东西。成像体系架构师们运用高档软件东西来对不同的算法建模，并对所获得的成果进行评价。先进的数字信号处理通用东西是来自MathWorks公司（美国、马萨诸塞州、内蒂克）的MATLAB处理引擎和Simulink仿真器图形用户界面。大多数OEM（原始设备制造商）和医疗规划室运用MATLAB来开发快速、准确的算法，如数字图画处理、定量图画剖析、形式识别、数字图画编码和紧缩、刑侦图画处理和2D小波改换。除了算法开发之外，MATLAB能够被用来模拟在FPGA遍及选用的定点算法，并带有可选东西包，能够生成运转在通用CPU或FPGA内的C代码。
算法的区分和调试。一旦算法开发完结，体系架构师有必要决议怎么区分CPU和FPGA的功用，以供给最佳的全体处理方案——能够平衡功用、本钱，可靠性和寿数的处理方案。设备构架师诉苦说，对一个高功用硬件体系中许多单元进行算法区分和调试是一种应战。在曩昔上，许多规划在FPGA中选用流水线的办法。也便是说，算法被分为成各种功用并在一个有次序的流水线中履行。调试流水线的运转占了集成作业内容的90％。由于每个函数的履行时刻有必要针对最大核算处理量进行平衡，而且部分存储器的可见性和延时是受限制的现实，使得工作变得很难。
处理方案是一个更以软件为中心的体系规划。这个体系是根据一个散布式协处理器核算模型，在该模型内，每个功用的协处理器是一个履行机（例如，一个功用性质处理器），其具有根据音讯的、用于在子处理机之间传递操控和数据音讯的才能。在所有内存、CPU和子处理机之间的彻底切换，供给了完好的可观测性，使得调试变简单。音讯传递在内部存在于FPGA子协处理器之间；在外则呈现在体系内的其它CPU和协处理器之间。
Altera公司的FPGA内部的Avalon 开关结构和可编程片上体系（SOPC）集成东西在所有功用单元之间主动生成灵敏的交叉开关结构。经预先测验的IP供给了从FPGA到主机CPU和从FPGA到双列直插内存模块（DIMM）内存的接口。经预先测验的音讯网络根底设施支撑主机CPU、FPGA子处理机，以及FPGA内存操控器之间的通讯操控。一个简化的调试办法是将音讯和彻底开关相结合，使得开发进程中具有最大的灵敏性。最终，可在履行进程中对数据通道进行软件界说（从头界说），这样能够阻拦数据或对其从头导向，然后进步体系集成和调试进程中的可观测性。
规划东西和IP。尽管MATLAB这样的东西能够优化用于选用软件进行算法的开发，但其尚不支撑在FPGA中的履行。规划人员能够经过选用电子规划主动化（EDA）东西和IP来加速其在FPGA上的完结。
视频和图画处理套件以及DSP库供给了可加速杂乱成像算法的开发和完结的IP积木式模块。视频和图画处理模块组，和其它IP模块及参阅规划（包含同相/正交（IQ）调制解调器、JPEG2000紧缩算法、快速傅立叶改换/逆傅里叶改换，以及边际检测等）为规划人员供给了广泛的IP，规划人员能够运用这些IP迅速地完结核算密集型使命的FPGA完结。
定论
跟着当年婴儿潮时期人口的老龄化，正在尽力寻觅针对比如心脏病和癌症这类极端常见疾病的新确诊和医治办法，包含前期检测以及微创手术医治。各种确诊成像技能结合和相关算法开发的新发展推进了新设备的开发以满意这些患者的需求。先进的算法需求能够明显进步图画处理功用的可扩展体系渠道。
被集成进至COTS多核CPU渠道的FPGA，为最灵敏、最高功用的体系供给了强壮的数字信号处理功用。为了协助加速这些杂乱成像算法在这些渠道上完结，需求高档开发东西和IP库。有关软件东西和IP库已被开发出来。
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