多核處理器帶來醫(yī)學(xué)成像創(chuàng)新

德州儀器(TI)醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用經(jīng)理 Dev Pradhan

不斷攀高的醫(yī)療費(fèi)用受到人們前所未有的關(guān)注，而醫(yī)學(xué)成像處理器技術(shù)的發(fā)展給人們帶來一絲希望。特別是對(duì)于更為便攜、低功耗、高性價(jià)比和高成像質(zhì)量的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的需求，多處理引擎（每個(gè)引擎專用于其最適合的任務(wù)）系統(tǒng)的出現(xiàn)正逢其時(shí)。

基于一個(gè)硬連線、不可編程處理器或者一個(gè)專用圖形處理器的成像系統(tǒng)，無法滿足下一代便攜式醫(yī)學(xué)成像設(shè)備對(duì)靈活性、可擴(kuò)展性以及功率效率的要求。相反，多核數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），不管是具有 DSP內(nèi)核和通用處理器（GPP）的異構(gòu)片上系統(tǒng)，還是使用多個(gè)類似 DSP內(nèi)核的同質(zhì)片上系統(tǒng)，均是一種兩全其美的方法，并能夠克服醫(yī)學(xué)成像面臨的諸多挑戰(zhàn)。新興的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)反過來又會(huì)產(chǎn)生新的診斷方法和治療方法，最終不斷提高醫(yī)療保健的服務(wù)質(zhì)量。

迎接醫(yī)療保健挑戰(zhàn)

醫(yī)療保健正處于快速發(fā)展之中，而基于多核DSP的成像系統(tǒng)可有效地推動(dòng)這種發(fā)展。

過去，由于成本和規(guī)模問題，高級(jí)醫(yī)療診斷系統(tǒng)的使用大多集中在人口密集的城市地區(qū)，因?yàn)檫@些地區(qū)擁有專業(yè)診斷醫(yī)生以及技術(shù)人員。而嵌入式處理器技術(shù)方面的進(jìn)展，讓高質(zhì)量和功能強(qiáng)大的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)變得更加便攜并且具有更高性價(jià)比。如果偏遠(yuǎn)地區(qū)的小診所里也配有高級(jí)醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，當(dāng)?shù)丶夹g(shù)人員可以把診斷圖像傳送給城市醫(yī)療中心，由這些中心的專家給出診斷建議和實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程支持，則可直接將醫(yī)療診斷服務(wù)帶給偏遠(yuǎn)地區(qū)的患者，而不是將生命垂危的患者運(yùn)送到某個(gè)醫(yī)療成像機(jī)構(gòu)。

處理器能力的提高，在醫(yī)療領(lǐng)域引發(fā)了許多討論。在一些情況下，這些問題看似相互矛盾。例如，許多醫(yī)學(xué)專家呼吁提高成像質(zhì)量的同時(shí)，又要求減少人體在來自于X光和核成像技術(shù)的有害輻射環(huán)境下暴露的時(shí)間。過去，只能通過增加輻射或者利用一些侵入性技術(shù)才能提高成像質(zhì)量。

多核DSP成像系統(tǒng)的使用則提供了另一種替代方案。利用多核DSP，一些創(chuàng)新型高效成像增強(qiáng)技術(shù)(如邊緣檢測、對(duì)比增強(qiáng)、噪聲過濾等)可以輕松地編程至一顆或者多顆DSP內(nèi)核中，從而在不增加輻射水平甚至幫助降低患者輻射暴露的情況下，提高成像質(zhì)量。

多核DSP強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理能力促進(jìn)了診斷和治療方法的創(chuàng)新。通過多核DSP的簡單編程，可以更快地完成研究實(shí)驗(yàn)，并可開發(fā)和優(yōu)化新的實(shí)時(shí)成像處理技術(shù)。例如，研究人員正在探討如何應(yīng)用超聲波來無創(chuàng)檢測甲狀腺癌、燒灼創(chuàng)口、殺死小腫瘤。光學(xué)相干斷層成像術(shù)（OCT）領(lǐng)域正在研究使用光波來進(jìn)行各種診斷，包括耳部感染檢測和一些更為復(fù)雜的診斷(如通過描述眼睛對(duì)糖尿病進(jìn)行早期檢測等)。這些傳統(tǒng)成像技術(shù)的新應(yīng)用，讓其迅速轉(zhuǎn)向真正的多核DSP產(chǎn)品。

今天的多核DSP通過降低功耗以及使用更小的體積，實(shí)現(xiàn)了高水平的系統(tǒng)集成。這就意味著，電路板上的處理器更少、電源更小、冷卻要求更低，并且總系統(tǒng)成本更低。它讓全世界更多的人受益于醫(yī)療保健，手術(shù)室、急診室和救護(hù)車?yán)锟梢耘渲酶嗟母呒?jí)醫(yī)療設(shè)備，或許在某一天，這些設(shè)備甚至?xí)霈F(xiàn)在家庭中。

多核的優(yōu)勢

如圖1所示，典型的醫(yī)學(xué)成像處理鏈可以分為3個(gè)主要階段：圖像獲取、圖像調(diào)試和圖像顯示。

圖1 典型超聲波信號(hào)處理路徑

同質(zhì)多核DSP可提供計(jì)算密集型應(yīng)用所需的處理能力，特別在圖像獲取后和圖像顯示前進(jìn)行的圖像調(diào)節(jié)和重建中。異構(gòu)多核片上系統(tǒng)可分離GPP內(nèi)核和DSP內(nèi)核之間的系統(tǒng)管理/用戶互動(dòng)和圖像顯示準(zhǔn)備功能。

圖像獲取

所有5種不同類型的模擬波形(聲音、光線、無線電、X光和核能)都已被用于醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中。成像系統(tǒng)接收模擬波，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后使用一套預(yù)定義前端處理參數(shù)和算法，基于事先確定的人體部位對(duì)原始數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行解釋。例如，心臟超聲波設(shè)備具有一套與心臟和胸腔有關(guān)的前端參數(shù)，而OB/GYN超聲波設(shè)備則使用參數(shù)和算法獲取子宮胎兒的原始數(shù)據(jù)。

一般而言，圖像獲取面臨的挑戰(zhàn)是如何實(shí)時(shí)管理和處理大量的圖像數(shù)據(jù)。為了滿足這些需求，這一代多核DSP擁有幾個(gè)高帶寬I/O選項(xiàng) （與智能DMA引擎一起使用），可以無縫地將來自模擬前端的圖像數(shù)據(jù)存入片上或者片下內(nèi)存進(jìn)行處理。共用內(nèi)存構(gòu)架允許多顆內(nèi)核對(duì)圖像不同部分進(jìn)行并行操作，或者對(duì)圖像數(shù)據(jù)的相同部分按順序執(zhí)行不同的處理功能。這讓設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以靈活地搭建系統(tǒng)，并讓使用相同圖像獲取系統(tǒng)完成多個(gè)成像應(yīng)用變得更容易。

圖像調(diào)節(jié)

獲取圖像數(shù)據(jù)后，必須將之重建為一個(gè)或者多個(gè)可視圖像。除此之外，成像系統(tǒng)還要對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，以提高其清晰度。在以前的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中，圖像獲取過程的質(zhì)量是重建圖像質(zhì)量的一個(gè)限制因素。然而現(xiàn)在，高級(jí)信號(hào)調(diào)節(jié)算法可以過濾外來噪聲和其他異常情況，從而增強(qiáng)顯示受檢查的人體組織和其他相關(guān)結(jié)構(gòu)，幫助彌補(bǔ)這些局限性。實(shí)時(shí)完成這些信號(hào)調(diào)節(jié)算法，是DSP的真正優(yōu)勢所在。

在醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)中，圖像重建通常是最大的瓶頸。例如，典型的CT掃描要獲取檢查部位的許多切片圖像，然后提交給系統(tǒng)，通過這些切片圖像重建一幅合成圖像。多核DSP通過讓多顆DSP內(nèi)核并行執(zhí)行圖像重建任務(wù)，大大縮短了圖像重建所需的時(shí)間，從而打破了這種瓶頸限制。

多核DSP還賦予了系統(tǒng)可擴(kuò)展性，可以在不影響圖像處理和顯示時(shí)間的情況下，將處理任務(wù)分配給多顆同類內(nèi)核，從而或多或少地改進(jìn)現(xiàn)有圖像增強(qiáng)技術(shù)。

除此以外，當(dāng)出現(xiàn)更新、更先進(jìn)的成像增強(qiáng)算法時(shí)，DSP內(nèi)核的可編程屬性使其更容易獲得升級(jí)，從而讓設(shè)備可以在現(xiàn)有硬件平臺(tái)通過軟件升級(jí)。

圖像顯示

醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)的后端處理包括實(shí)際用戶圖像報(bào)告以及系統(tǒng)所有的操作員界面要求。由一顆GPP內(nèi)核和DSP內(nèi)核組成的多核異構(gòu)處理器可相互協(xié)作，以提供不同功能所需的相應(yīng)處理能力。圖像在屏幕上顯示之前，DSP內(nèi)核可實(shí)現(xiàn)許多功能，如數(shù)據(jù)添寫、量值估計(jì)、日志壓縮、掃描轉(zhuǎn)換等。

與此同時(shí)，GPP內(nèi)核(如 ARM產(chǎn)品)可提供與 PC處理器等價(jià)的功能，但功耗卻低得多。嵌入式ARM內(nèi)核的平均功耗小于2 W，而大多數(shù)PC處理器的功耗均大于50 W或60 W。對(duì)于功耗和溫度敏感的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)而言，節(jié)能是一個(gè)基本要求。GPP內(nèi)核還可以運(yùn)行擁有豐富功能的操作系統(tǒng)，例如Linux或者Windows CE等，它們構(gòu)成系統(tǒng)操作員界面的基礎(chǔ)，并讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠輕松地開發(fā)出差異化創(chuàng)新功能。

今天的多核DSP都是一些具有豐富功能的片上系統(tǒng)，片上已經(jīng)集成了許多外圍器件。這些外圍器件通常包括以太網(wǎng)接口、存儲(chǔ)器件、高清顯示和其他連接。通過把這些外圍接口的控制芯片集成到一個(gè)多核片上系統(tǒng)，可以同時(shí)減少系統(tǒng)的空間使用和成本。便攜式醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)有一些特殊的限制。

顧名思義，便攜式系統(tǒng)體積要小。這樣，實(shí)際部件(旋鈕、開關(guān)和其他控制裝置)通常受到限制?？删幊潭嗪似舷到y(tǒng)允許系統(tǒng)開發(fā)人員使用智能控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，將操作員從設(shè)置大量成像和測量參數(shù)的工作中解脫出來。

例如，心臟診斷時(shí)只需進(jìn)行一次選擇設(shè)置，超聲波成像系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)加載參數(shù)、算法和其他處理資源，實(shí)現(xiàn)具體的成像應(yīng)用。系統(tǒng)會(huì)捕捉和顯示血流速度和動(dòng)力的測量結(jié)果。這種自動(dòng)化還讓高級(jí)醫(yī)療成像系統(tǒng)可以部署在偏遠(yuǎn)的地區(qū)。這些地方的診所里，專家技術(shù)人員很少。偏遠(yuǎn)診所的技術(shù)人員可以利用這種智能系統(tǒng)獲取圖像和檢查結(jié)果，然后將其發(fā)送給診斷專家。

多核應(yīng)用

開發(fā)任何精密、復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)（如醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)），都會(huì)給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)帶來許多挑戰(zhàn)。一般而言，所有嵌入式系統(tǒng)都必須在嚴(yán)格控制功耗預(yù)算和體積的同時(shí)滿足一些關(guān)鍵的性能需求。對(duì)現(xiàn)貨硬件進(jìn)行用戶定制（通常不可避免），存在成本限制。由于可視程度有限，硬件和軟件調(diào)試及測試常常很困難。

在多核處理器解決方案中資源更多，特別是有一些特殊功能，可以幫助緩解嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的一些挑戰(zhàn)。但也存在其他一些復(fù)雜性，例如內(nèi)核間的負(fù)載平衡、內(nèi)核間通信和共用資源管理等。德州儀器擁有超過10年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提供開發(fā)與調(diào)試工具和軟件構(gòu)架，它們可以簡化多核處理器與嵌入式系統(tǒng)的集成，特別是醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)最佳性能，設(shè)計(jì)人員需要謹(jǐn)慎地劃分任務(wù)，這樣內(nèi)核操作可實(shí)現(xiàn)對(duì)其他內(nèi)核的最低依賴度。這種處理工作所要求的數(shù)據(jù)應(yīng)存儲(chǔ)于本地內(nèi)存中，并以一種全局方式 （即所有內(nèi)核之間）管理共享資源的使用。如果處理得當(dāng)，使用多核處理器的系統(tǒng)相比使用多個(gè)離散處理器的系統(tǒng)將擁有巨大的優(yōu)勢。如數(shù)據(jù)訪問更迅速、單元之間的通信延遲時(shí)間更短，及理論開銷最小。

為了促進(jìn)多核DSP開發(fā)，TI擁有幾個(gè)多核軟件構(gòu)架和一套調(diào)試與描述工具，如圖2和圖3所示。

圖2 TMS320C6472處理器的多核軟件構(gòu)架

為了讓軟件開發(fā)人員能夠集中精力解決其應(yīng)用中存在的一些重要問題，可使用一種能夠同時(shí)提供硬件抽象和常見支持任務(wù)（如內(nèi)核間通信、DMA資源分配、內(nèi)存管理等）的中間件。必須對(duì)這些軟件層進(jìn)行優(yōu)化，以用于具體硬件平臺(tái)，這樣它們便不會(huì)阻礙用戶應(yīng)用。

圖3 多核DSP調(diào)試和執(zhí)行描述

在圖2所示的簡單軟件構(gòu)架中，處理器內(nèi)核編程被實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)抽象化，通常有非常小的內(nèi)存、一個(gè)低延遲任務(wù)切換調(diào)度程序和高效中斷服務(wù)程序。通過原始寄存器讀/寫功能芯片支持庫或者支持標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器接口結(jié)構(gòu)（如開、閉、讀、寫等）的底層驅(qū)動(dòng)器，分兩個(gè)層級(jí)抽象化外圍器件。該構(gòu)架中內(nèi)核間利用TMS320C6472器件的共用內(nèi)存構(gòu)架實(shí)現(xiàn)快速、可預(yù)知通信；DMA資源管理通過軟件庫實(shí)現(xiàn)。這些服務(wù)對(duì)用戶應(yīng)用有效。

多核調(diào)試的一些重要需求包括所有內(nèi)核間代碼執(zhí)行的系統(tǒng)級(jí)瀏覽；所有內(nèi)存的相關(guān)可視性（共用和內(nèi)核專用都包括在內(nèi)）；可在對(duì)一顆內(nèi)核進(jìn)行代碼調(diào)試時(shí)，保持其余內(nèi)核繼續(xù)正常運(yùn)行。當(dāng)對(duì)應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，需要理解內(nèi)核的平均和峰值負(fù)載，知道數(shù)據(jù)傳輸瓶頸或者系統(tǒng)死鎖，并捕獲事件或者I/O事務(wù)的時(shí)間戳統(tǒng)計(jì)。這些多核調(diào)試和系統(tǒng)執(zhí)行描述功能在TI的Code Composer StudioTM開發(fā)工具和數(shù)據(jù)分析可視化工具中獲得較好的支持。

多核DSP解決方案

十多年以來，多核DSP已經(jīng)在各行各業(yè)的各種應(yīng)用中證明了它的價(jià)值。從無線基站到語音網(wǎng)關(guān)，多核同質(zhì)DSP都是理想的選擇，它可滿足計(jì)算密集型信號(hào)處理要求，并且功耗預(yù)算更低、物理體積更小。

在一些應(yīng)用中，有些任務(wù)的處理需求存在本質(zhì)的不同，對(duì)處理能力的要求也不一樣，而異構(gòu)多核處理器讓這種應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)成為可能。

這種方法并非提供解決現(xiàn)今嵌入式系統(tǒng)各種復(fù)雜信號(hào)處理需求的通用型辦法，但是它為廣大醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了眾多業(yè)內(nèi)最佳屬性的組合：低功耗、可預(yù)知實(shí)時(shí)信號(hào)與數(shù)據(jù)處理、降低系統(tǒng)尺寸和成本的高集成度以及縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間的可編程能力。

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