隨著90nm和65nm半導體工藝節點的到來,使得低功耗小尺寸和高度集成的醫療設備得以出現。對醫療設備制造商而言,其主要挑戰是如何選擇正確的半導體器件來滿足便攜式醫療電子產品的功率、性能和價格需求。具備大量的內部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,從而允許開發人員在構造這些便攜式醫療設備時能為不同醫療成像設備的升級和通信算法提供定制的架構設計。

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

圖像處理算法的提升通常需要一個靈活的架構,FPGA因此非常適于醫療電子市場。FPGA已開始逐步取代其他技術,預期將成為醫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,FPGA具有很大的優勢,因為ASIC很難滿足醫療成像設備頻繁升級的需求。

在醫療成像領域,譬如在實現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開發出定制的架構,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,而可實現并行機制并可創建可編程的高端計算平臺的FPGA則更能在便攜式醫療成像應用中提供軟硬件協同設計的顯著優勢。這時,Spartan-3A DSP或Virtex-5 DSP都可以用來實現諸如輸入并行化(deserialization)、內插濾波器、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產品,Spartan-3A DSP 3400A具有25%的功耗效率優勢,其最低成本的器件在250Mhz頻率下的DSP性能也高達,因此更適合便攜式醫療成像應用；而Virtex-DSP則適用于有嚴格DSP處理需求的高端3D醫療成像的波束生成器上。

作者:林鴻瑞

亞太區DSP高級產品行銷經理

賽靈思公司