利用低功耗FPGA輕松開發(fā)便攜式醫(yī)療成像應(yīng)用

過去，醫(yī)療設(shè)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(shè)備。而今天的醫(yī)療設(shè)備制造商正走向便攜醫(yī)療電子設(shè)備的開發(fā)。全球人口老化的不斷擴(kuò)大，以及人們對(duì)自身健康狀況關(guān)注的增加，要求醫(yī)療設(shè)備實(shí)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(shè)備制造商幾年前就開始開發(fā)諸如便攜式超聲波診斷設(shè)備、血壓計(jì)以及其他使用復(fù)雜數(shù)字圖像處理技術(shù)和先進(jìn)通信技術(shù)的個(gè)人健康監(jiān)護(hù)等醫(yī)療電子產(chǎn)品。

隨著90nm和65nm半導(dǎo)體工藝節(jié)點(diǎn)的到來，使得低功耗小尺寸和高度集成的醫(yī)療設(shè)備得以出現(xiàn)。對(duì)醫(yī)療設(shè)備制造商而言，其主要挑戰(zhàn)是如何選擇正確的半導(dǎo)體器件來滿足便攜式醫(yī)療電子產(chǎn)品的功率、性能和價(jià)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(shí)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(gòu)提供了巨大的計(jì)算能力和硬件可配置能力，從而允許開發(fā)人員在構(gòu)造這些便攜式醫(yī)療設(shè)備時(shí)能為不同醫(yī)療成像設(shè)備的升級(jí)和通信算法提供定制的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

在醫(yī)療設(shè)備上，成像是最普遍的處理之一。醫(yī)療成像應(yīng)用通常需要很高的處理能力、動(dòng)態(tài)范圍以及清晰度，并極少是為某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所驅(qū)動(dòng)，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(jìn)行硬件加速以獲得醫(yī)療成像應(yīng)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(jìn)行高效硬件加速的關(guān)鍵在于其內(nèi)部多個(gè)RAM模塊的數(shù)據(jù)存取能力，從而允許同時(shí)對(duì)多個(gè)圖像數(shù)據(jù)塊進(jìn)行并行處理。高速PCIe、LVDS以及高速外部存儲(chǔ)器接口也促進(jìn)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(gè)靈活的架構(gòu)，F(xiàn)PGA因此非常適于醫(yī)療電子市場(chǎng)。FPGA已開始逐步取代其他技術(shù)，預(yù)期將成為醫(yī)療電子市場(chǎng)成長最快的半導(dǎo)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(duì)ASIC而言，F(xiàn)PGA具有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)锳SIC很難滿足醫(yī)療成像設(shè)備頻繁升級(jí)的需求。

在醫(yī)療成像領(lǐng)域，譬如在實(shí)現(xiàn)超聲波應(yīng)用的波束生成的時(shí)候需要計(jì)算一系列的高度復(fù)雜算法，而這些算法實(shí)質(zhì)是多通道的。具有高度并行架構(gòu)的FPGA可以提供巨大的計(jì)算處理能力，并具備硬件可配置性，因而允許設(shè)計(jì)人員為其算法的理想實(shí)現(xiàn)開發(fā)出定制的架構(gòu)，即波束生成的計(jì)算架構(gòu)。盡管通用DSP處理器可以為消費(fèi)多媒體應(yīng)用提供一個(gè)很好的平臺(tái)，而可實(shí)現(xiàn)并行機(jī)制并可創(chuàng)建可編程的高端計(jì)算平臺(tái)的FPGA則更能在便攜式醫(yī)療成像應(yīng)用中提供軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的顯著優(yōu)勢(shì)。這時(shí)，Spartan-3A DSP或Virtex-5 DSP都可以用來實(shí)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(diǎn)計(jì)算，利用CoreGen IP就可以使FPGA具備浮點(diǎn)計(jì)算能力。

圖1：DSP48A Slice具有針對(duì)濾波器優(yōu)化的集成預(yù)加器，為Spartan-3A DSP器件提供了非凡的存儲(chǔ)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(chǔ)器和DSP處理能力的器件，相對(duì)于競(jìng)爭(zhēng)FPGA產(chǎn)品，Spartan-3A DSP 3400A具有25%的功耗效率優(yōu)勢(shì)，其最低成本的器件在250Mhz頻率下的DSP性能也高達(dá)4.06GMAC/mW，因此更適合便攜式醫(yī)療成像應(yīng)用；而Virtex-DSP則適用于有嚴(yán)格DSP處理需求的高端3D醫(yī)療成像的波束生成器上。