תפקיד מעבדי DSP במכשירים רפואיים: הערכת דיוקנוניים

מכשירי הדמיה רפואיים כגון סורקי MRI, מערכות CT, מכונות אולטרסאונד ומערכות רנטגן תלויים עיבוד אותות דיגיטליים ביצועים גבוהים כדי להמיר נתוני חיישן גולמי לתמונות שימושיות מבחינה אבחון. מעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) הם העורכים מאחורי המרה זו, ביצוע מיליארדי פעולות לשנייה כדי להפחית את האבחון, לשחזר תמונות, ולשפר את התכונות.

הבנת תהליכי DSP ב-IIIIITION

מעבד אותות דיגיטלי הוא ארכיטקטורת מיקרו-מעבד מיוחדת אופטימיזציה חישובים מספרי בזמן אמת, במיוחד תכלה-אקומציה (MAC) פעולות כי underpinסינון דיגיטלי, Fourier משנה, ופעולות ממטריקס. בניגוד CPUs, DSPs תכונה מכפיל חומרים, buff ליניארי יחידות ביצוע מקבילים המאפשרים להם לזרום נתונים עם אלגוריתמים בתדר נמוך, הדמיה של DSP כדי להסיר אלגוריתמית (D-D) כדי להסיר אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית (D-D-D-D) אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמית אלגוריתמי

DSPs לפעול בשני טעמים עיקריים: נקודת קבוע ונקודת צף. קבוע DSPs (למשל, TITMS320C54xx, ADI ADSP-21xx) הם יעילים וחסכוניים, נפוץ במערכות ניידות או משובצות כמו אולטרסאונד ידני. Floating-point DSPs (למשל, TMSC6767, ADRC) מציעים טווח דינמי עבור דרישות שיקום גבוהות של MRI, כגון מגבלות טיפוליות של תקן בקרה.

בשרשראות הדמיה מודרניות, DSPs לעתים קרובות לעבוד לצד FPGAs או GPUs. FPGA מטפל גבוה דרך גבוהה באמצעות רכישת נתונים מראש ו- beamforming, בעוד DSP מבצע אלגוריתמים שיקום מורכבים ומסננים לאחר עיבוד.זה ביצועים ארכיטקטורות heterogeneous, כוח, ותוכנית, גורם קריטי במכשירים ה- FDA-cleed שבו התוכנה היא יקרה.

פונקציות מפתח של מעבדי DSP באבחון רפואי

DSPs לבצע קבוצה מוגדרת של משימות עיבוד אותות שהופכים נתונים חיישן גלם לתמונות משמעותיות קלינית.פונקציות הליבה מפורטות להלן.

חידוש רעש

כל שיטות ההדמיה מציגות רעש ממרכיבים אלקטרוניים, תנודות תרמיות, ותנועת המטופל.DSPs ליישם טכניקות סינון מסתנן אדפטיות כגון מסננים Wiener, מסננים מתווך, וריצוף כדי לדכא רעש תוך שמירה על הקצוות. לדוגמה, ב-MRI, נתוני ה- k-space הגולמי מכילים רעש תרמי כי, אם לא מטופל, מופיע כגרגר בתמונה הסופית. ASP יכול ליישם רעש אולטרסאונד נמוך יותר מפילטרים של אולטרסאונד DINECENDEXDEXDEXDEXDEXDEXDERDEXDEXDERDERDERDEXDERDERDERDEXDEXDEXDEXDEXDEXDEXDERDER (מונים ® (מונים ®) עם סטטיסטיקות ® (DERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDERDEXDEXDERDEXDEXDERDERDERDERDERDERDER-DER-DERDERDDD

צילום: Revision

שחזור תמונות הופך את נתוני רכישת הגולמי לייצוג מרחבי.מורכבות חישובית משתנה על ידי מודוליות:

  • (FLT:0Computed Tomography (CT): FBP כרוך מסנן 1 של מומים אחוריים מסנן (FBP) או שחזורים של אלגוריתמים (IR) אלגוריתמים (IR) כולל מסנן Fourier-domain של מוטציות ו-Fprojection, המחייבים אלפי פעולות טריגונומטריות לפרסה מודרנית (Sle הוראה, מספר פעמים) כדי להאיץ את המודל ה-R.
  • (FLT:0 Magnetic Resonance Imaging (MRIVER): FLT:1 שחזור ראשוני הוא שינוי פורייה הפוכה של נתונים k-space. DSPs לבצע 2D או 3D Fast Fourier Transforms (FFTs) עם דיוק גבוה (32-bit צף-נקודת) כדי למנוע אלגוריתמי הדמיה מקבילים כמו GRAPPA ו-SSE דורשים פתרון משוואות matrixs נגזרות של מוצרים פנימיים הכרחיים;
  • (FLT:0)Ultrasound: FLT:1 beamforming משלב אלפי אותות ערוצים כדי ליצור קווי סריקה. אלגוריתמים דיגיטליים משתמשים באלגוריתמים מעכבים ו-sum שבו DSPs ליישם עיכובים ממוקדים דינמיים ומשקלים apodization.The פלט זיהוי, דחיסה יומן, והה המרה הם גם DSP-intensive.
  • (FLT:0) ,FET: ⁇ 1:1 Coincidence זיהוי, זמן-of-טיס (TOF) תיקונים, ושיקום הרציונלי (למשל, OSEM) מסתמכים על עיבוד של נתונים DSP-מו-דה כדי לתקן עבור פיזור, צירופי מקרים אקראיים, ועצימה.

עיבוד בזמן אמת

הליכים רפואיים כגון ביופסיה מונחית אולטרסאונד, MRI התערבות, ו- cardiac CT דורשים עדכוני תמונה חיה ב -30 מסגרות לשנייה או גבוה יותר. DSPs נועדו לביצועים דטרמיניסטים: הם יכולים לבצע מחזור קבוע של סינון, שיקום, ולהציג צינורות עם פרמטרים לחיזוי של CATER, שבב DSP בזמן DSP (למשל, TISC66x) יכול לטפל ב-256 ערוצים אלה, כדי להפחית את יכולת ניטור יעילה יותר מאשר להורדת יכולת עיבוד בפועל.

שיפור וניתוח

(הופנה מהדף [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] ו[[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]]] [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]] [[[[1924]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]]] [[[[1924]]]]]]]]]] [[[[[[[[1924]]

היתרונות של שימוש במעבדי DSP באבחון רפואי

הגדלת DSPs ייעודי לתוך פלטפורמות הדמיה מניבה יתרונות קליניים ותפעוליים למדידה.

  • (FLT:0) שיפור איכות התמונה:FLT:1 , טכניקות הפחתה מתקדמות של רעש ושיחזור, אשר מופעל על ידי ביצועי DSP, להגביר את ההחלטה המרחבית, יחס ניגוד לרעש (CNR), ודיכוי פריטים. SNR גבוה יותר מאפשר זיהוי של נגעים קטנים יותר - לדוגמה, שיפור של 50% ב CNR יכול להגביר את הרגישות של זיהוי ריאה ב -15% עד 15%.
  • <חזק>Faster Process Times: DSPs להפחית את הזמן מרכישה להציג תמונה. ב-MRI, שחזור בזמן אמת (<1 שנייה לפרסה) משפר את זרימת העבודה ואת המטופל באמצעות חישוב. ב- CT, שחזור רציונטיבי שפעם לקח דקות רץ שניות על מערך DSP, מה שהופך פרוטוקולים להפחתה קלינית.
  • (FLT:0) ,Enhanced Diagnostic Capabilities: ibph:1 עם כוח DSP, מרפאים יכולים ליישם ניתוח כמותי (למשל, מפות היתוך, דיפוזיה עשרות) בשלב הטיפול. high-end DSPs לתמוך הדמיה 4D (3D + זמן) עבור לב או גינון נשימה, המאפשר הערכה פונקציונלית.
  • (FLT:0) אספקת חשיפה למטופל: FLT:1 איכות תמונה טובה יותר או עיבוד מהיר יותר יכול להוריד את הצורך סריקות חוזרות.ב- CT, שחזור הרציונלי מפחית מנה קרינה הנדרשת עד 30-60% בהשוואה ל- FBP סטנדרטי תוך שמירה על איכות אבחון. in fluoroscopy, עיבוד DSP בזמן אמת מאפשר שיעורי הדופק נמוכים יותר וזמני חשיפה קצרים יותר.
  • (FLT:0)Device Miniaturization:FLT:1ird כוח נמוך DSPs מאפשר מערכות הדמיה ניידות - אולטרסאונד ידני, CT קומפקטי לחדרי חירום, או PET עבור ניטור אמבולטורי.המכשירים האלה מרחיבים גישה הדמיה באזורים מוחלשים או בצד השינה.
  • (FLT:0) שדרוגים מהונדסים: הטמעת אלגוריתמים DSP הם בעלי יכולת תוכנית, יצרנים יכולים לשפר את איכות התמונה או להוסיף תכונות חדשות באמצעות עדכוני קושחה ללא שינויים בחומרה, להאריך את החיים השימושיים של המכשיר.

DSP אדריכלות ויישומים במערכות אימינג רפואיות

דיאגרמות רפואיות בוחרות DSPs ממשפחות המיועדות לעיבוד אותות בזמן אמת.שלוש ארכיטקטורות דומיננטיות מאומצות באופן נרחב.

טקסס מכשירים TMS320C6000 סדרה

קו TMS320C66x כולל ליבות קבועות וצף עם עד 1.2 GHz מהירות שעון, 320 GMAC /s, ושמונה יחידות MAC 64 סיביות. אלה משמשים במערכות CT ו- MRI עבור שיקום של עד 1.2 GHz עקב המהירויות שלהם במתמטיקה באמצעותput ו-DMA מנועים לטיפול באלגוריתמים נתונים גדולים.

מעבדי SHARC

ADSP-SC589 ו- ADSP-215xx SHARC מעבדים מציעים עיבוד ורכיבה עבור פעולות צף-נקודות. הם פופולריים ב- אולטרסאונד beamforming ו-MRI ⁇ ⁇ בגלל המהירויות הנמוכות שלהם מפריעות לטיפול והחזקה בזיכרון שבב. SHARC של מקור ממוקד אודיו Hz היטב עם אולטרסאונד (1-15 MHz) ו-MRI עד 10 מספק גם תיעוד רפואי (I).

NXP (Freescale) StarCore DSPs

DSPs מבוסס StarCore (למשל, MSC8156) תכונה שישה ליבות וממשקים סידוריים מהירים במהירות גבוהה, בשימוש ב- CT ו- PET גלאי אלקטרוניקה.אדריכלות רב-core שלהם מאפשרת עיבוד במקביל של ערוצי גלאי מרובים עם תזמון תזמון תזמון תזמון NXP בטוח Assure התוכנית מסייעת עם דרישות בטיחות פונקציונליות IEC 61508, חשוב עבור מערכות שבו שגיאות DSP עלולות לגרום הדמיה מובילה לאבחנה.

מעבר לעמוד DSPs, מערכת-on-chip (SoC) פתרונות כמו Xilinx Zynq MPSoC או Intel Arria 10 לשלב מרק FPGA עם ARM CPU ו DSP פרוסות.הלוגיקה שניתן לטפל בנתונים מהירים גבוה I / O (למשל, ADC ללכוד ב-SAmples לשנייה), בעוד DSP פרוסות מאיצה ביצועים קטנים יותר (pnanapation) ו-C.

אתגרים ושיקולים באינטגרציה DSP

יישום DSPs בהתקני הדמיה רפואית מציג אתגרים הנדסיים ורגולטוריים.

  • (FLT:0)Power and Thermal Management:FLT:1 ביצועים גבוהים DSPs dissipate 10-30 W, הדורש כיור חום, אוהדים, או קירור נוזלי.במכשירים ניידים, סוללות החיים מגבילים את כוח העיבוד. נמוך כוח (למשל, קשקשים בלחץ מתח דינמי) וקידוד יעיל (באמצעות מספר נתונים חד-ממדי) מסייע להפחית את כוח העיבוד בזמן שמירה על לוח זמנים.
  • (FLT:0) אלגוריתמים מורכבים לעומת Real-Time Constraints: DSPs עשויים לא לסיים בחלון ה-IP של ה-ITR. אלגוריתמים שיקום מקיפים (למשל, עבור הפחתה של CT) יכולים לדרוש מאות של מוטציות; DSPs עשויים לא לסיים בתוך חלון קצב המסגרת.מערכות לעתים קרובות להשתמש בגישה מקבילה: FBP מהירה לתצוגה מקדימה, ולאחר מכן DSPacreated זה כבר לתמונות סופיות.
  • (FLT:0) רישום חובה:FLT:1 , תוכנת DSP חייבת להיות מפותחת תחת תקן IEC 62304 תוכנה, הדורש מעקב, בדיקות יחידה וניהול סיכונים. העדכונים (עבור תיקוני באגים או אלגוריתמים חדשים) צריך אישור FDA 510(k) , הטלת שליטה ואימות על ספקי DSP המספקים BSPOS ו RTOS עם תהליך זה מפשט את תהליך זה.
  • (FLT:0Data Bandwidth:FLT:1 High-resolution הדמיה (למשל, 1024×1024×500 פרוסות CT) מייצרת ג'יגה-בתים לשנייה. DSPs חייב ממשק עם זיכרון באמצעות גבוה ו / O תת-מערכתיות; שקיפות בהעברת נתונים יכולה לנקב את הצינור.
  • (FLT:0) אבטחת מידע: 1.FLT 1 Connected מכשירי הדמיה פגיעים להתקפות סייבר.DSPs טיפול בנתונים של המטופל חייב לתמוך הצפנה (AES, ECC) ו-Autoph מאובטח. חלק מהDSP כוללים מאיצים קריפטוגרפיים חומרה; אחרת, אבטחה חייבת להתבצע ברמת המערכת, המשפיעה על תקציבי ביצועים.

מגמות עתידיות בטכנולוגיית DSP עבור אימגינציה רפואית

כמה כיוונים מתעוררים מבטיחים להרחיב את יכולות DSP בהדמיה רפואית.

שילוב בינה מלאכותית ב- Edge

מודלים למידה עמוקה - רשתות עצביות מהפכתיות (CNN) ל denoising, שיקום או פלחציה - יותר ויותר פרוסים על DSPs. DSP ספקים מוסיפים יחידות עיבוד עצביות (NPUs) או מאיצים ממטריקס (למשל, C7x DSP עם מנוע ממטריקס) כדי לטפל במודלים של AI יכול להפחית שחזורים במסגרות נמוכות או CTDIS, ללא אישורים של MRI.

« « « נוירונים

שבבית שבבים נוירומורפיים (למשל, אינטל לוי, IBM TrueNorth) מחקים רשתות עצביות ביולוגיות באמצעות חישוב מונחי אירוע. עבור אולטרסאונד או אותות דמויי EEG, DSPs עצביים יכולים לעבד נתונים של זרימה עם כוח נמוך מאוד (<10 מ"ו) עבור חתומי הדמיה עונדים.

המונחים: right shape

מחשוב קוונטי עשוי להאיץ תת-בעיה ספציפית כגון פתרון בעיות הפוכה לשחזור MRI או חלבון מתקפל עבור סוכנים ניגודיים.עם זאת, מעבדים קוונטיים דורשים קירור Cryogenic והם לא סביר להיות מוטבעת במכשירי הדמיה. במקום זאת, פתרונות היברידיים יכולים לפסול אופטימיזציה מורכבים לשרתי ענן קוונטיים, בעוד DSPs להתמודד עם עיבוד חזיתי בזמן אמת.

פלטפורמות מחשוב מבוססות Software-Defined Imaging Platforms

המגמה לקראת שידור רדיו- ⁇ (RF) רחב (למשל, באמצעות FPGAs ו- DSPs) מאפשרת פלטפורמה חומרה אחת לתמוך במספר רב של שיטות (למשל, MRI + MRS, CT + SPECT) , CT + DSP קושחה מגדיר את רצף הרכישה והשיקום; זה מקטין את העלות וסימולציות שדרוגים.

מסקנה

(המעבדים של אותות) הם הגיבורים הלא-מרוסים של הדמיה רפואית, המספקים את הכוח חישובי בזמן אמת הדרוש כדי להפוך את נתוני החיישן רועשים לתמונות נאמנות גבוהה המדריכות החלטות קליניות.ממסננים ראשוניים לשיקום AI-enmentd, DSPna תחת פיקוח על כל שלב של שרשרת ההדמיה הייחודית שלהם - למערכות הדמיה מתמטיות, פתורות, כוח נמוך ונמוך - , כגון אולטרסאונד מתקדם של מערכת אופטיקה, אולטרסאונד, בדיקות אופטיקה, , אולטרסאונד, אולטרסאונד, מרפאות, מרפאות, , מרפאות, מרפאות, מרפאות, מרפאות, מרפאות, מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות , , , מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות , מרפאות מרפאות , , מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות , מרפאות , , מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות מרפאות