利用低功耗FPGA輕松開發(fā)便攜式醫(yī)療成像應用

過去，醫(yī)療設備制造商主要集中于開發(fā)諸如X光、MRI和超聲波等大型醫(yī)療設備。而今天的醫(yī)療設備制造商正走向便攜醫(yī)療電子設備的開發(fā)。全球人口老化的不斷擴大，以及人們對自身健康狀況關注的增加，要求醫(yī)療設備實現(xiàn)易于攜帶和更低成本，以方便在醫(yī)院之外的其他地方使用。因此，醫(yī)療設備制造商幾年前就開始開發(fā)諸如便攜式超聲波診斷設備、血壓計以及其他使用復雜數(shù)字圖像處理技術和先進通信技術的個人健康監(jiān)護等醫(yī)療電子產(chǎn)品。

隨著90nm和65nm半導體工藝節(jié)點的到來，使得低功耗小尺寸和高度集成的醫(yī)療設備得以出現(xiàn)。對醫(yī)療設備制造商而言，其主要挑戰(zhàn)是如何選擇正確的半導體器件來滿足便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的功率、性能和價格需求。具備大量的內(nèi)部RAM和高DSP處理能力的低成本Spartan-3A DSP器件則十分適于實現(xiàn)這些需求。賽靈思的Spartan-3A DSP FPGA器件通過使用高度并行架構提供了巨大的計算能力和硬件可配置能力，從而允許開發(fā)人員在構造這些便攜式醫(yī)療設備時能為不同醫(yī)療成像設備的升級和通信算法提供定制的架構設計。

在醫(yī)療設備上，成像是最普遍的處理之一。醫(yī)療成像應用通常需要很高的處理能力、動態(tài)范圍以及清晰度，并極少是為某個標準所驅(qū)動，通過專有算法開發(fā)差異性產(chǎn)品則能夠獲得更高清晰度的圖像質(zhì)量和處理能力。過去，一般是使用MCU或DSP來處理醫(yī)療圖像。但由于MCU和DSP都是串行器件，開發(fā)人員需要使用ASIC或FPGA來進行硬件加速以獲得醫(yī)療成像應用所需的處理能力和清晰度。隨著FPGA并行處理能力的提高，F(xiàn)PGA現(xiàn)在能很容易地處理圖像算法里大規(guī)模的并行處理需求。FPGA器件能進行高效硬件加速的關鍵在于其內(nèi)部多個RAM模塊的數(shù)據(jù)存取能力，從而允許同時對多個圖像數(shù)據(jù)塊進行并行處理。高速PCIe、LVDS以及高速外部存儲器接口也促進了數(shù)據(jù)采集前端和用戶接口/顯示系統(tǒng)后端與FPGA之間的大規(guī)模數(shù)據(jù)的輸入輸出。

圖像處理算法的提升通常需要一個靈活的架構，F(xiàn)PGA因此非常適于醫(yī)療電子市場。FPGA已開始逐步取代其他技術，預期將成為醫(yī)療電子市場成長最快的半導體器件。只要改變位流就能使其具備可編程的、靈活的和可重用的能力，因此相對ASIC而言，F(xiàn)PGA具有很大的優(yōu)勢，因為ASIC很難滿足醫(yī)療成像設備頻繁升級的需求。

在醫(yī)療成像領域，譬如在實現(xiàn)超聲波應用的波束生成的時候需要計算一系列的高度復雜算法，而這些算法實質(zhì)是多通道的。具有高度并行架構的FPGA可以提供巨大的計算處理能力，并具備硬件可配置性，因而允許設計人員為其算法的理想實現(xiàn)開發(fā)出定制的架構，即波束生成的計算架構。盡管通用DSP處理器可以為消費多媒體應用提供一個很好的平臺，而可實現(xiàn)并行機制并可創(chuàng)建可編程的高端計算平臺的FPGA則更能在便攜式醫(yī)療成像應用中提供軟硬件協(xié)同設計的顯著優(yōu)勢。這時，Spartan-3A DSP或Virtex-5 DSP都可以用來實現(xiàn)諸如輸入并行化(deserialization)、內(nèi)插濾波器、波束生成延遲以及變跡(apodization)等多通道波束生成功能。由于大多數(shù)圖像算法需要使用浮點計算，利用CoreGen IP就可以使FPGA具備浮點計算能力。

圖1：DSP48A Slice具有針對濾波器優(yōu)化的集成預加器，為Spartan-3A DSP器件提供了非凡的存儲器容量和DSP性能。

通常而言，Spartan-3A DSP是賽靈思低成本、低功率產(chǎn)品中擁有最多存儲器和DSP處理能力的器件，相對于競爭FPGA產(chǎn)品，Spartan-3A DSP 3400A具有25%的功耗效率優(yōu)勢，其最低成本的器件在250Mhz頻率下的DSP性能也高達4.06GMAC/mW，因此更適合便攜式醫(yī)療成像應用；而Virtex-DSP則適用于有嚴格DSP處理需求的高端3D醫(yī)療成像的波束生成器上。