基于FPGA轻松开发便携式医疗成像应用

过去，医疗设备制造商主要集中于开发诸如X光、MRI和超声波等大型医疗设备，而今天的医疗设备制造商正走向便携医疗电子设备的开发。全世界人口老化的不断扩大，以及人们对自身健康状况关注的增加，要求医疗设备实现易于携带和更低成本，以方便在医院之外的其他地方使用。因此，医疗设备制造商几年前就开始开发诸如便携式超声波诊断设备、血压计以及其他使用复杂数字图像处理技术和先进通信技术的个人健康监护等医疗电子产品。
  
随着90nm和65nm半导体工艺节点的到来，使得低功耗小尺寸和高度集成的医疗设备得以出现。对医疗设备制造商而言，其主要挑战是如何选择正确的半导体器件来满足便携式医疗电子产品的功率、性能和价格需求，具备大量的内部RAM和高DSP处理能力的低成本Spartan-3A DSP器件则十分适于实现这些需求。赛灵思的Spartan-3A DSP FPGA器件通过使用高度并行架构提供了巨大的计算能力和硬件可配置能力，从而允许开发人员在构造这些便携式医疗设备时，能为不同医疗成像设备的升级和通信算法提供定制的架构设计。
  
在医疗设备上，成像是最普遍的处理之一。医疗成像应用通常需要很高的处理能力、动态范围以及清晰度，并极少是为某个标准所驱动，通过专有算法开发差异性产品则能够获得更高清晰度的图像质量和处理能力过去，一般是使用MCU或DSP来处理医疗图像，但由于MCU和DSP都是串行器件，开发人员需要使用 ASIC或FPGA来进行硬件加速以获得医疗成像应用所需的处理能力和清晰度。随着FPGA并行处理能力的提高，FPGA现在能很容易地处理图像算法里大规模的并行处理需求，FPGA器件能进行高效硬件加速的关键在于其内部多个RAM模块的数据存取能力，从而允许同时对多个图像数据块进行并行处理高速 PCIe、LVDS以及高速外部存储器接口也促进了数据采集前端和用户接口/显示系统后端与FPGA之间的大规模数据的输入输出。
  
图像处理算法的提升通常需要一个灵活的架构，FPGA因此非常适于医疗电子市场FPGA已开始逐步取代其他技术，预期将成为医疗电子市场成长最快的半导体器件。只要改变位流就能使其具备可编程的、灵活的和可重用的能力，因此相对ASIC而言，FPGA具有很大的优势，因为ASIC很难满足医疗成像设备频繁升级的需求。
  
在医疗成像领域，譬如在实现超声波应用的波束生成的时候需要计算一系列的高度复杂算法，而这些算法实质是多通道的，具有高度并行架构的FPGA可以提供巨大的计算处理能力，并具备硬件可配置性，因而允许设计人员为其算法的理想实现开发出定制的架构，即波束生成的计算架构尽管通用DSP处理器可以为消费多媒体应用提供一个很好的平台，从而可实现并行机制并可创建可编程的高端计算平台的FPGA则更能在便携式医疗成像应用中提供软硬件协同设计的显著优势。这时，Spartan-3A DSP或Virtex-5 DSP都可以用来实现诸如输入并行化(deserialization)、内插滤波器、波束生成延迟以及变迹(apodization)等多通道波束生成功能由于大多数图像算法需要使用浮点计算，利用CoreGen IP就可以使FPGA具备浮点计算能力。


图1：DSP48A Slice具有针对滤波器优化的集成预加器，为Spartan-3A DSP器件提供了非凡的存储器容量和DSP性能

通常而言，Spartan-3A DSP是赛灵思低成本、低功率产品中拥有最多存储器和DSP处理能力的器件，相对于竞争FPGA产品，Spartan-3A DSP 3400A具有25%的功耗效率优势，其最低成本的器件在250Mhz频率下的DSP性能也高达4.06GMAC/mW，因此更适合便携式医疗成像应用；而Virtex-DSP则适用于有严格DSP处理需求的高端3D医疗成像的波束生成器上 。