基于Altera FPGA快速開發(fā)醫(yī)療成像設(shè)備詳解

　　醫(yī)療影像技術(shù)在醫(yī)療保健行業(yè)扮演了越來(lái)越重要的角色。這一行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)非置入手段來(lái)實(shí)現(xiàn)早期疾病預(yù)測(cè)和治療，降低病人開支。多種診斷影像方法的融合以及算法開發(fā)的進(jìn)步是設(shè)計(jì)新設(shè)備來(lái)滿足病人需求的主要推動(dòng)力量。

　　為實(shí)現(xiàn)這些行業(yè)目標(biāo)所需要的功能，設(shè)備開發(fā)人員開始采用提供FPGA支持、可更新的現(xiàn)成商用（COTS） CPU平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和協(xié)處理。在靈活高效地開發(fā)可更新醫(yī)療影像設(shè)備時(shí)，需要考慮幾個(gè)因素，包括影像算法的開發(fā)，多種診斷方法的融合以及可更新的平臺(tái)等。

　　開發(fā)影像算法要求使用直觀的高級(jí)建模工具，以不斷改進(jìn)數(shù)字信號(hào)處理（DSP）功能。高級(jí)算法需要可更新的系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)大大提高了圖像處理性能，而且實(shí)現(xiàn)的設(shè)備體積更小，使用更方便，更容易攜帶。

　　實(shí)時(shí)分析的性能需求要求系統(tǒng)平臺(tái)能夠隨軟件（CPU）和硬件（可配置邏輯）而進(jìn)行調(diào)整。這些處理平臺(tái)必須能夠滿足各種性能價(jià)格要求，支持多種影像診療手段的融合。FPGA很容易集成到多核CPU平臺(tái)中，為最靈活的高性能系統(tǒng)提供DSP功能。

　　系統(tǒng)規(guī)劃人員和設(shè)計(jì)工程師使用高級(jí)開發(fā)工具和知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）庫(kù)，在這些平臺(tái)上迅速對(duì)算法進(jìn)行劃分和調(diào)試，加速設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，提高利潤(rùn)。

　　本文介紹醫(yī)療影像算法的某些發(fā)展趨勢(shì)，多種診療手段的融合以及可更新平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)這些算法。

　　一.醫(yī)療影像的算法開發(fā)

　　首先，讓我們了解一下每種診療手段影像算法的發(fā)展趨勢(shì)，以及怎樣使用FPGA和知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　1.MRI

　　磁共振影像（MRI）重構(gòu)技術(shù)建立人體的截面圖像。借助FPGA，采用了三種功能來(lái)重建3D人體圖像。從頻域數(shù)據(jù)中，2D重構(gòu)切片通過(guò)快速傅立葉變換 （FFT）產(chǎn)生灰度級(jí)切片，一般是矩陣的形式。3D人體圖像重構(gòu)通過(guò)切片插值使得切片間距接近象素間距，這樣，可以從任意2D平面來(lái)查看圖像。迭代分辨率銳化使用基于迭代反向?yàn)V波過(guò)程的空間去模糊技術(shù)，在降低噪聲的同時(shí)對(duì)圖像重構(gòu)。這樣，大大提高了橫截面的視覺(jué)診斷分辨率。

　　2.超聲

　　超聲圖像中顯現(xiàn)的小顆粒被稱為斑點(diǎn)。各種無(wú)關(guān)的散射體相互作用產(chǎn)生了超聲斑點(diǎn)（和無(wú)線領(lǐng)域的多徑RF反射相似），它本質(zhì)上是一種乘性噪聲。使用有損壓縮技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)斑超聲影像。先對(duì)圖像進(jìn)行對(duì)數(shù)處理，斑點(diǎn)噪聲相對(duì)于有用信號(hào)成為加性噪聲。使用JPEG2000編碼器進(jìn)行有損小波壓縮可以減小斑點(diǎn)噪聲。

　　3.X射線影像

　　冠狀X射線圖像移動(dòng)校正技術(shù)用于減小成像期間呼吸和心臟跳動(dòng)的影響（心跳呼吸周期）。“3D加時(shí)間”冠狀模型的移動(dòng)被投射到2D圖像上，用于計(jì)算糾偏函數(shù)（轉(zhuǎn)換和放大），對(duì)移動(dòng)進(jìn)行校正，得到清晰的圖像。

　　4.分子影像

　　分子影像是在細(xì)胞和分子級(jí)對(duì)生物醫(yī)學(xué)過(guò)程進(jìn)行特征描述和測(cè)量。其目的是探測(cè)、采集并監(jiān)視導(dǎo)致疾病的異常狀態(tài)。例如，X射線、正電子放射斷層掃描 （PET）和SPECT技術(shù)相結(jié)合，將低分辨率的功能/細(xì)胞/分子圖像映射到相應(yīng)的高分辨率解剖圖像，最小可以達(dá)到0.5 mm。小型化和算法開發(fā)推動(dòng)了在這些緊湊系統(tǒng)平臺(tái)上使用FPGA，在多核CPU基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了性能。

　　5.診斷方法的融合

　　早期預(yù)測(cè)和非置入式治療推動(dòng)了PET/計(jì)算機(jī)輔助斷層掃描（CT）和X射線診斷/CT設(shè)備等診療手段的融合。要實(shí)現(xiàn)更高的圖像分辨率，要求采用精細(xì)的幾何微陣列探測(cè)器，并結(jié)合FPGA，對(duì)光電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理完成后，CPU和FPGA協(xié)處理器一起對(duì)匯集后的信號(hào)進(jìn)行處理，重建人體圖像。

　　非實(shí)時(shí)（NRT）圖像融合（重合）技術(shù)一般用于對(duì)不同時(shí)間獲得的功能和解剖圖像進(jìn)行分析。然而，由于病人體位、掃描床外形以及內(nèi)臟器官的自然移動(dòng)等因素導(dǎo)致很難進(jìn)行NRT圖像重合處理。使用FPGA處理技術(shù)來(lái)實(shí)時(shí)融合PET和CT可以在一次成像過(guò)程中同時(shí)獲得功能和解剖圖像，而不是事后再合成圖像。在手術(shù)治療中，融合后的圖像清晰度更高，位置更精確。

　　外科引導(dǎo)手術(shù)圖像處理使用手術(shù)前（CT或者M(jìn)R）圖像和實(shí)時(shí)3D （超聲和X射線）圖像重合（相關(guān)）技術(shù)，通過(guò)非置入手段（超聲、MR介入和X射線治療）對(duì)疾病進(jìn)行外科治療。開發(fā)了各種算法以實(shí)現(xiàn)診療手段和治療類型融合的最佳圖像重合結(jié)果。

　　在這類融合系統(tǒng)中，支持高速串行互聯(lián)的FPGA能夠減少系統(tǒng)后處理部分?jǐn)?shù)據(jù)采集功能的相互鏈接，大大降低了電路板和電纜相關(guān)的系統(tǒng)總成本。