Microchip借助PolarFire®FPGA可以加速實現(xiàn)安全符合標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療成像應(yīng)用
在現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備晶振體系中,醫(yī)療成像扮演著舉足輕重的角色,已然成為疾病診斷,治療方案制定以及病情監(jiān)測的關(guān)鍵環(huán)節(jié).從常見的X射線,超聲波,到先進(jìn)的計算機(jī)斷層掃描(CT),磁共振成像(MRI),這些成像技術(shù)不斷革新,為醫(yī)療領(lǐng)域帶來了前所未有的變革,讓醫(yī)生能夠深入觀察人體內(nèi)部結(jié)構(gòu),捕捉疾病的蛛絲馬跡.然而,傳統(tǒng)醫(yī)療成像技術(shù)在飛速發(fā)展的醫(yī)療需求面前,逐漸暴露出一些亟待解決的問題.在數(shù)據(jù)處理方面,隨著成像分辨率的不斷提高以及檢查項目的日益繁雜,所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長.以一次常規(guī)的CT掃描為例,就能生成數(shù)百甚至上千張圖像,傳統(tǒng)的處理方式需要耗費大量時間,這不僅嚴(yán)重影響了診斷效率,還可能導(dǎo)致患者錯過最佳治療時機(jī).例如在急診室,每一秒都關(guān)乎患者的生命,快速準(zhǔn)確的診斷至關(guān)重要,而傳統(tǒng)成像技術(shù)的數(shù)據(jù)處理速度卻難以滿足這種緊急需求.安全性同樣是傳統(tǒng)醫(yī)療成像技術(shù)面臨的一大挑戰(zhàn).一方面,部分成像技術(shù)存在輻射風(fēng)險,如X射線和CT掃描,雖然它們在疾病診斷上具有重要價值,但長期或過度暴露在輻射下,會增加患者患癌等疾病的風(fēng)險.對于一些需要頻繁進(jìn)行成像檢查的慢性病患者來說,這種輻射風(fēng)險的累積效應(yīng)不容小覷.另一方面,隨著醫(yī)療信息化的推進(jìn),醫(yī)療成像數(shù)據(jù)的傳輸,存儲和共享過程中,面臨著嚴(yán)峻的信息安全問題.一旦患者的影像數(shù)據(jù)遭到泄露或篡改,不僅會侵犯患者的隱私,還可能導(dǎo)致誤診,誤治等嚴(yán)重后果.
Microchip與PolarFire®FPGA技術(shù)解析
MicrochipTechnologyInc.(微芯科技公司)作為半導(dǎo)體行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè),多年來一直致力于為全球眾多領(lǐng)域提供智能,互聯(lián)和安全的嵌入式控制與處理解決方案.自1989年成立以來,公司憑借著卓越的技術(shù)研發(fā)能力和豐富的產(chǎn)品組合,服務(wù)于工業(yè),汽車,消費,航天和國防,通信以及計算等超過10萬家客戶.Microchip晶振不斷推陳出新,在技術(shù)創(chuàng)新的道路上從未停歇,其在微控制器,混合信號,模擬器件以及Flash-IP解決方案等領(lǐng)域均取得了顯著成就,為各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級提供了有力支持.PolarFire®FPGA作為Microchip旗下的一款高性能現(xiàn)場可編程門陣列,采用了先進(jìn)的架構(gòu)設(shè)計和制造工藝,具備諸多獨特優(yōu)勢.從技術(shù)原理層面來看,PolarFire®FPGA利用了可編程邏輯單元(CLB),輸入輸出塊(IOB),塊隨機(jī)訪問存儲器模塊(BRAM)和時鐘管理模塊(CMM)等基本結(jié)構(gòu),通過對這些結(jié)構(gòu)的靈活配置,實現(xiàn)了各種復(fù)雜的數(shù)字電路功能.其中,CLB是實現(xiàn)邏輯運算的核心單元,由查找表(LUT)和觸發(fā)器(Flip-Flop)組成.LUT能夠快速實現(xiàn)各種邏輯運算,如與,或,非,異或等,而觸發(fā)器則用于存儲邏輯電路中的狀態(tài)信息,確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸和處理.在架構(gòu)特點上,PolarFire®FPGA的并行計算能力堪稱一絕.其獨特的并行架構(gòu)允許它同時處理多個任務(wù),大大提高了數(shù)據(jù)處理效率.在醫(yī)療成像應(yīng)用中,一次掃描會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù),PolarFire®FPGA可以通過并行計算,快速對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,能夠在短時間內(nèi)完成圖像重建,特征提取等復(fù)雜任務(wù),為醫(yī)生提供及時準(zhǔn)確的診斷依據(jù).低功耗設(shè)計也是PolarFire®FPGA的一大亮點.它采用了先進(jìn)的28nm非易失性工藝,這種工藝使得PolarFire®FPGA的靜態(tài)功耗極低.在一些便攜式醫(yī)療設(shè)備中,如手持式超聲診斷儀,設(shè)備需要長時間工作,而電池電量有限,PolarFire®FPGA的低功耗特性可以有效延長設(shè)備的續(xù)航時間,同時減少散熱問題,提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性.此外,其收發(fā)器通道具備全面的掉電控制功能,包括可編程幅度和邊沿速率控制,進(jìn)一步優(yōu)化了動態(tài)功耗,在數(shù)據(jù)傳輸過程中,根據(jù)實際需求調(diào)整功耗,避免了不必要的能量浪費.
(一)高性能并行計算,提升處理速度
PolarFire®FPGA具備強(qiáng)大的并行計算能力,這一特性使其在醫(yī)療成像領(lǐng)域大放異彩.在醫(yī)療成像過程中,會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù),例如一次MRI掃描可能會產(chǎn)生數(shù)百萬個數(shù)據(jù)點,傳統(tǒng)的處理方式往往需要耗費大量時間來處理這些數(shù)據(jù).而PolarFire®FPGA內(nèi)部擁有大量的邏輯單元,這些邏輯單元可以并行工作,同時處理多個數(shù)據(jù)任務(wù).以MRI成像中的快速傅立葉變換(FFT)算法為例,FFT算法用于將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號,對于圖像重建至關(guān)重要,但該算法計算量巨大.PolarFire®FPGA能夠通過并行計算,將FFT算法中的多個計算步驟同時執(zhí)行,大大縮短了計算時間.據(jù)實際測試,在使用PolarFire®FPGA進(jìn)行FFT算法加速后,圖像重建時間相比傳統(tǒng)處理器縮短了數(shù)倍,使得醫(yī)生能夠更快地獲取到清晰的MRI圖像,提高了診斷效率.在CT成像中,PolarFire®FPGA同樣可以加速圖像重建算法,如濾波反投影法等,快速處理X射線掃描得到的數(shù)據(jù),生成高分辨率的三維圖像,為醫(yī)生提供更準(zhǔn)確的診斷依據(jù).
(二)實時性保障,獲取最新影像信息
在醫(yī)療成像的諸多應(yīng)用場景中,實時性是至關(guān)重要的因素.比如在手術(shù)導(dǎo)航和介入治療過程中,醫(yī)生需要實時獲取患者的影像信息,以便準(zhǔn)確地進(jìn)行手術(shù)操作.PolarFire®FPGA憑借其低延遲和高帶寬的特性,能夠很好地滿足這一需求.其低延遲特性確保了從圖像采集到處理再到顯示的整個過程時間極短,幾乎可以實現(xiàn)即時反饋.高帶寬則保證了在短時間內(nèi)能夠傳輸和處理大量的圖像數(shù)據(jù).在血管介入手術(shù)中,醫(yī)生需要實時觀察導(dǎo)絲和導(dǎo)管在血管內(nèi)的位置,PolarFire®FPGA可以快速處理血管造影圖像,將最新的圖像信息及時反饋給醫(yī)生,幫助醫(yī)生精準(zhǔn)操作,降低手術(shù)風(fēng)險.再如在神經(jīng)外科手術(shù)中,實時的MRI或CT影像能夠讓醫(yī)生清晰地了解大腦的結(jié)構(gòu)和病變位置,PolarFire®FPGA實現(xiàn)的實時圖像分析和處理,為手術(shù)的成功提供了有力保障.
(三)定制化設(shè)計,滿足多樣需求
不同的醫(yī)療成像智能電子設(shè)備和算法具有各自獨特的需求,PolarFire®FPGA的可編程性使其能夠很好地應(yīng)對這種多樣性.通過編程和配置,PolarFire®FPGA可以針對特定的成像任務(wù)進(jìn)行定制化設(shè)計.對于超聲成像設(shè)備,其圖像采集和處理算法與MRI,CT有很大不同,PolarFire®FPGA可以根據(jù)超聲成像的特點,優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理流程,實現(xiàn)最佳的圖像質(zhì)量和處理速度.在圖像增強(qiáng)和去噪算法方面,PolarFire®FPGA可以根據(jù)不同成像設(shè)備產(chǎn)生的圖像特性,定制相應(yīng)的算法邏輯,提高圖像的清晰度和準(zhǔn)確性.而且針對一些新興的醫(yī)療成像技術(shù)和研究性的成像算法,PolarFire®FPGA的可編程性也為其提供了廣闊的應(yīng)用空間,能夠快速實現(xiàn)算法的硬件化,推動醫(yī)療成像技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展.
實現(xiàn)安全符合標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療成像應(yīng)用
(一)硬件層面的安全防護(hù)機(jī)制
PolarFire®FPGA在硬件層面構(gòu)建了全方位的安全防護(hù)體系,為醫(yī)療成像應(yīng)用的數(shù)據(jù)安全筑牢了堅實基礎(chǔ).其支持多種先進(jìn)的加密技術(shù),其中AES256加密配置文件采用基于SHA256的HMAC驗證,能夠?qū)Υ鎯υ贔PGA內(nèi)部的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和配置信息進(jìn)行高強(qiáng)度加密.在醫(yī)療成像設(shè)備存儲患者的影像數(shù)據(jù)時,這些數(shù)據(jù)在寫入FPGA的存儲區(qū)域前會被AES256加密算法加密,確保數(shù)據(jù)在靜止?fàn)顟B(tài)下的安全性,防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改.公鑰加密內(nèi)核采用橢圓曲線加密技術(shù)(ECC),用于安全分發(fā)密鑰,使得加密和解密過程中的密鑰傳輸更加安全可靠,有效避免了密鑰被截獲的風(fēng)險.安全啟動功能也是PolarFire®FPGA硬件安全的重要組成部分.當(dāng)醫(yī)療成像設(shè)備啟動時,PolarFire®FPGA會對啟動代碼和配置數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性驗證和身份認(rèn)證.通過硬件內(nèi)置的驗證機(jī)制,確保只有經(jīng)過授權(quán)的,未被篡改的代碼和數(shù)據(jù)才能被加載和執(zhí)行.如果在驗證過程中發(fā)現(xiàn)啟動代碼或配置數(shù)據(jù)存在異常,設(shè)備將無法正常啟動,并觸發(fā)相應(yīng)的安全警報,這有效防止了惡意代碼的植入和非法啟動,保障了醫(yī)療成像系統(tǒng)的初始安全性.此外,PolarFire®FPGA還利用了物理不可克隆函數(shù)(PUF)等硅生物識別技術(shù).PUF能夠基于FPGA芯片的物理特性生成唯一的識別信息,就如同每個人的指紋一樣獨一無二.這種技術(shù)可對每個器件進(jìn)行唯一識別和加密驗證,降低了偽造,重新標(biāo)記和過度建造的風(fēng)險,確保了從供應(yīng)鏈源頭到終端應(yīng)用的安全性,在醫(yī)療成像設(shè)備的生產(chǎn)和使用過程中,有效防止了假冒偽劣芯片的混入,保障了設(shè)備的安全穩(wěn)定運行.
(二)軟件協(xié)議棧的安全保障
Microchip發(fā)布的醫(yī)療成像解決方案協(xié)議棧從軟件層面為系統(tǒng)安全性和符合標(biāo)準(zhǔn)提供了有力保障.該協(xié)議棧提供了用于OPC/UA的實時工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,OPC/UA是一種廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化晶振領(lǐng)域的通信協(xié)議,其具備強(qiáng)大的安全特性.在醫(yī)療成像設(shè)備與醫(yī)院信息系統(tǒng),其他醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時,OPC/UA協(xié)議通過加密通信通道傳輸數(shù)據(jù),確保數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的保密性和完整性.它還采用了用戶身份認(rèn)證和訪問控制機(jī)制,只有經(jīng)過授權(quán)的用戶和設(shè)備才能訪問和操作醫(yī)療成像數(shù)據(jù),有效防止了數(shù)據(jù)泄露和非法訪問.豐富的操作系統(tǒng)支持使得醫(yī)療成像系統(tǒng)能夠根據(jù)實際需求選擇合適的操作系統(tǒng),并利用操作系統(tǒng)自身的安全機(jī)制進(jìn)一步提升系統(tǒng)安全性.對于一些對安全性要求極高的醫(yī)療成像應(yīng)用場景,可以選擇經(jīng)過安全加固的Linux操作系統(tǒng),該操作系統(tǒng)具備完善的用戶權(quán)限管理,文件訪問控制和安全審計功能.在使用過程中,不同的用戶角色被分配不同的權(quán)限,醫(yī)生可以查看和診斷影像數(shù)據(jù),而普通工作人員則只能進(jìn)行有限的操作,同時系統(tǒng)會記錄所有的操作行為,便于事后審計和追蹤.軟件設(shè)計工具包支持以C/C++,RTL和流行的機(jī)器學(xué)習(xí)框架為中心的多樣化開發(fā)環(huán)境,包括SmartHLS™IDE,VectorBlox™AcceleratorSDK和通過IEC61503SIL3功能安全認(rèn)證的Libero®SoC設(shè)計套件.這些工具在軟件開發(fā)過程中,通過代碼審查,安全編程規(guī)范和實時監(jiān)控等手段,確保軟件代碼的安全性,減少了軟件漏洞的出現(xiàn),從而提高了整個醫(yī)療成像系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性,使其符合相關(guān)的醫(yī)療安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范.
在動物醫(yī)療領(lǐng)域,Enclustra公司基于Microchip的PolarFireFPGA技術(shù)推出的Mercury+MP1SoC模塊,為動物醫(yī)療超聲設(shè)備帶來了革命性的變革.動物醫(yī)療專業(yè)人員在診斷從小型家庭寵物到大型牲畜等不同動物時,面臨著諸多挑戰(zhàn).傳統(tǒng)的超聲系統(tǒng)往往體積龐大,價格昂貴且能耗高,難以滿足在谷倉,農(nóng)場或遠(yuǎn)程診所等復(fù)雜環(huán)境下的使用需求.而基于Mercury+MP1模塊的動物醫(yī)療超聲設(shè)備則完美解決了這些問題.該設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊,能效高,具備強(qiáng)大的計算能力和實時,低延遲性能.其采用的PolarFireFPGA技術(shù),使得設(shè)備在數(shù)據(jù)處理方面表現(xiàn)卓越.在對大型牲畜進(jìn)行超聲診斷時,能夠快速處理大量的超聲數(shù)據(jù),實現(xiàn)實時,高質(zhì)量成像,為獸醫(yī)提供清晰,準(zhǔn)確的圖像,便于更快地診斷復(fù)雜病情,其成像質(zhì)量可與醫(yī)院級系統(tǒng)媲美.設(shè)備的便攜性也得到了極大提升,輕便的封閉式系統(tǒng)便于攜帶,并可抵御環(huán)境破壞,方便獸醫(yī)在各種環(huán)境中使用.功耗更低的特性延長了電池壽命,降低了冷卻要求,即使在偏遠(yuǎn)地區(qū)也能保證設(shè)備的不間斷運行.據(jù)使用該設(shè)備的獸醫(yī)反饋,在一次對農(nóng)場奶牛的孕檢中,以往使用傳統(tǒng)超聲設(shè)備需要花費較長時間來獲取清晰圖像,且圖像質(zhì)量不穩(wěn)定,而使用基于PolarFireFPGA技術(shù)的新設(shè)備后,不僅操作速度大幅提升,能夠快速完成檢查,而且圖像清晰,準(zhǔn)確地顯示了奶牛胎兒的發(fā)育情況,大大提高了診斷效率和準(zhǔn)確性.在醫(yī)療機(jī)器人項目中,PolarFire®FPGA同樣展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢.某醫(yī)療機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊在開發(fā)一款用于微創(chuàng)手術(shù)的機(jī)器人時,采用了PolarFire®FPGA.在手術(shù)過程中,機(jī)器人需要實時處理大量的圖像和傳感器數(shù)據(jù),以精確控制手術(shù)器械的操作.PolarFire®FPGA的高性能并行計算能力和實時處理能力,使得機(jī)器人的精確度和操作速度提升了30%.醫(yī)生通過操作控制臺,能夠?qū)崟r將手術(shù)部位的影像信息傳輸給機(jī)器人,機(jī)器人借助PolarFire®FPGA快速分析這些影像數(shù)據(jù),精準(zhǔn)地控制手術(shù)器械進(jìn)行操作.同時,PolarFire®FPGA的低功耗設(shè)計使得醫(yī)療機(jī)器人在長時間的手術(shù)過程中,無需頻繁更換電池或擔(dān)心過熱問題,大大延長了電池壽命,保障了手術(shù)的順利進(jìn)行.例如在一次腦部微創(chuàng)手術(shù)中,醫(yī)療機(jī)器人依靠PolarFire®FPGA快速處理MRI影像數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地定位了病變部位,醫(yī)生通過機(jī)器人遠(yuǎn)程操作手術(shù)器械,成功地完成了手術(shù),患者術(shù)后恢復(fù)良好,該手術(shù)的成功充分體現(xiàn)了PolarFire®FPGA在醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域的重要作用.
Microchip借助PolarFire®FPGA可以加速實現(xiàn)安全符合標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療成像應(yīng)用
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