FPGA在计算复杂的医疗成像设备中的应用

分子成像

X光或CT扫描提供解剖结构的图像，而分子成像是非常适合提供有关细胞功能和代谢过程的图像。两项常用的技术是单光子发射计算机断层显像（SPECT）和PET平台。

PET技术取得的进步包括：增加了检测器的数量、扩大检测器配对区域、更短的时间窗、领先的技术和更先进算法的建模。原始数据的显着增加要求数据路径具有更快的处理能力和更早做预处理决定。在许多系统中，FPGA被用在来自光电传感器和数据转换器的电信号的聚集阶段。FPGA内在的可编程本质支持更新的设计，提高数据路径预处理决定，从而减少传送到重建阶段的数据量。

磁共振成像

磁共振成像（MRI）重建生成人体横截面的图像。首先，利用频域数据的快速傅立叶变换（FFT）函数开发二维切片重建。用到了锐化和空间模糊技巧，降低噪音的同时锐化图像。这些函数中大部分是VIP和DSP库中的标准构件，用于FPGA实现。由此来看，三维卷积重建由插补技术生成。

超声波

该成像技术的趋势是增多功能和扩大用途。高次传感器通道计数系统支持更先进的成像算法，允许四维成像（时间轴下的三维剖面）。FPGA已被用于波束成形和处理链路，以提供更多的处理功能同时能灵活地适应不断变化的算法。便携式和手持设备需要低成本、低功耗解决方案。可用单个FPGA器件执行波束成形、处理和人机界面（HMI）功能来实现一体化设备。

CT扫描

高次切片计算CT扫描仪被用于心脏、肺和创伤成像应用。这些扫描仪支持更快的检查时间和更详细的图像。然而，最近的趋势一直是采用可减少X射线辐射剂用量的技术。通过开发用于更先进的物理模型的更复杂算法可以做到这一点。新款CT系统处理速度是原始数据的10倍，可提供非常先进的图像处理性能。

PET/ CT融合为基于软件的图像融合（配准）提供了一个选择，它通常用于对齐大脑的功能和解剖图像。至于身体的其它部位，因为患者定位、扫描仪床的尺寸以及内部器官的不自主运动存在差异，图像配准存在更多问题。在PET / CT混合平台中，在单一成像过程中同时获取功能性和解剖性图像，以避免或减少配准和患者运动问题。

视频成像

在血管成像领域，黄金标准一直是血管X射线图像的辐射不透明对比血管造影术，使用基于盐的造影剂。如今，常用的是CT血管造影，时差/相位对比磁共振血管造影和双工/血管内超声波扫描。这些技术涉及同时采集和配准光声和超声影像，对血管和骨骼图像进行分割以及使用基于相关增强滤波器以减少肺部疾病的误诊。

此外，心脏运动估算是量化心肌弹性和收缩性的一个重要辅助项。局部区域表现异常运动标示着缺血性心脏区间，此处血液循环不足。一个发展中的算法包括从一系列超声图像对弹性进行量化评估，使用超声时空配准技术方面寻找到 ，采用时间-空间配准技巧来发现相对参考坐标系的变形场。其中所用的核心VIP和DSP标准构件函数包括二维滤波、降斑、相关和平滑。

关键标准构件函数

有些复杂成像算法所要求的关键标准构件函数包括：色彩空间转换等、图形叠加、2D/中间/时间滤波、缩放、帧/场转换、逐行扫描和锐化；若是CT重建，则需求插值、FFT和卷积函数；对于超声而言，彩色流处理、卷积、波束成形、复合及弹性估算很重要。

VIP套件以及附加IP和参考设计可以加快这些算法在FPGA中的整合，包括具有最高性能和最小封装的系统。考虑算法开发方法和相应的工具也很重要。

开发工具

影像构架师利用高级软件工具来模拟不同的算法和结果。数字成像软件（如MATLAB和Simulink）和算法开发需要使用灵活的工具来创建快速且准确的图像处理算法。这些算法定义并实现各种技巧、三维图像处理和统计数据、解方程组和显示/文件的算法等。开发工具被用于FPGA的DSP功能创建、定量图像分析、模式识别、数字图像编码和压缩、自动显微镜、法医图像处理和2D小波转换应用。

在仅用CPU不够的情况下，这些工具包使开发公司能加速算法在FPGA中的实现。DSP Builder高级模块集允许在MATLAB/Simulink设计中使用高级Simulink合成和时序驱动优化。为满足用户规定的Fmax或延迟，在Simulink这类高级工具内部进行设计优化是一项独特的功能。从根本上讲，这意味着可以根据你的系统需求轻松地设置合适的Fmax和延迟，并且该工具将自动在寄存器中相加以提高Fmax或将某些关键路径并行化以满足延迟约束条件。这就省去了花上几周时间对生成的HDL代码做繁琐和低效率的手动调整。

图2对自动化设计流程的步骤进行了说明：

使用DSP Builder高级模块集中的标准构件来搭建Simulink中的设计。对设计进行仿真以确保它符合该算法。这些模块是可执行的，并允许快速仿真。

?它们也可以和传统Simulink模块混合使用，用于搭建一个完整的设计。在高级Simulink设计描述中设定整个系统最大频率（Fmax）和/或延迟。DSP Builder对Simulink设计描述进行分析，并同时生成HDL代码和用于目标FPGA器件的可选比特流。

?它包含了时间限制—最大频率（fMAX）和/或延迟—并自动添加到流水线寄存器和所要求的分时复用时间，以满足设计规范要求。