Microchip借助PolarFire®FPGA可以加速實(shí)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(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié).從常見的X射線,超聲波,到先進(jìn)的計(jì)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(xiàng)目的日益繁雜,所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長(zhǎng).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(fèi)大量時(shí)間,這不僅嚴(yán)重影響了診斷效率,還可能導(dǎo)致患者錯(cuò)過最佳治療時(shí)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(xiǎn),如X射線和CT掃描,雖然它們?cè)诩膊≡\斷上具有重要價(jià)值,但長(zhǎng)期或過度暴露在輻射下,會(huì)增加患者患癌等疾病的風(fēng)險(xiǎn).對(duì)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(xiǎn)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(chǔ)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(huì)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(fèi),航天和國(guó)防,通信以及計(jì)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(hào),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(jí)提供了有力支持.PolarFire®FPGA作為Microchip旗下的一款高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,采用了先進(jìn)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝,具備諸多獨(dú)特優(yōu)勢(shì).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(chǔ)器模塊(BRAM)和時(shí)鐘管理模塊(CMM)等基本結(jié)構(gòu),通過對(duì)這些結(jié)構(gòu)的靈活配置,實(shí)現(xiàn)了各種復(fù)雜的數(shù)字電路功能.其中,CLB是實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)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(shí)現(xiàn)各種邏輯運(yùn)算,如與,或,非,異或等,而觸發(fā)器則用于存儲(chǔ)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(diǎn)上,PolarFire®FPGA的并行計(jì)算能力堪稱一絕.其獨(dú)特的并行架構(gòu)允許它同時(shí)處理多個(gè)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(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù),PolarFire®FPGA可以通過并行計(jì)算,快速對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,能夠在短時(shí)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(shí)準(zhǔn)確的診斷依據(jù).低功耗設(shè)計(jì)也是PolarFire®FPGA的一大亮點(diǎn).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(zhǎng)時(shí)間工作,而電池電量有限,PolarFire®FPGA的低功耗特性可以有效延長(zhǎng)設(shè)備的續(xù)航時(shí)間,同時(shí)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(dòng)態(tài)功耗,在數(shù)據(jù)傳輸過程中,根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整功耗,避免了不必要的能量浪費(fèi).
(一)高性能并行計(jì)算,提升處理速度
PolarFire®FPGA具備強(qiáng)大的并行計(jì)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(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù),例如一次MRI掃描可能會(huì)產(chǎn)生數(shù)百萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),傳統(tǒng)的處理方式往往需要耗費(fèi)大量時(shí)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(shí)處理多個(gè)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(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),對(duì)于圖像重建至關(guān)重要,但該算法計(jì)算量巨大.PolarFire®FPGA能夠通過并行計(jì)算,將FFT算法中的多個(gè)計(jì)算步驟同時(shí)執(zhí)行,大大縮短了計(jì)算時(shí)間.據(jù)實(shí)際測(cè)試,在使用PolarFire®FPGA進(jìn)行FFT算法加速后,圖像重建時(shí)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(shí)時(shí)性保障,獲取最新影像信息
在醫(yī)療成像的諸多應(yīng)用場(chǎng)景中,實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(gè)過程時(shí)間極短,幾乎可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)反饋.高帶寬則保證了在短時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)反饋給醫(yī)生,幫助醫(yī)生精準(zhǔn)操作,降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn).再如在神經(jīng)外科手術(shù)中,實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)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(jì),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(dú)特的需求,PolarFire®FPGA的可編程性使其能夠很好地應(yīng)對(duì)這種多樣性.通過編程和配置,PolarFire®FPGA可以針對(duì)特定的成像任務(wù)進(jìn)行定制化設(shè)計(jì).對(duì)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(diǎn),優(yōu)化數(shù)據(jù)采集和處理流程,實(shí)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(duì)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(shí)現(xiàn)算法的硬件化,推動(dòng)醫(yī)療成像技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展.
實(shí)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(jiān)實(shí)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(yàn)證,能夠?qū)Υ鎯?chǔ)在FPGA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(chǔ)患者的影像數(shù)據(jù)時(shí),這些數(shù)據(jù)在寫入FPGA的存儲(chǔ)區(qū)域前會(huì)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(xiǎn).安全啟動(dòng)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(dòng)時(shí),PolarFire®FPGA會(huì)對(duì)啟動(dòng)代碼和配置數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性驗(yàn)證和身份認(rèn)證.通過硬件內(nèi)置的驗(yàn)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(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)啟動(dòng)代碼或配置數(shù)據(jù)存在異常,設(shè)備將無法正常啟動(dòng),并觸發(fā)相應(yīng)的安全警報(bào),這有效防止了惡意代碼的植入和非法啟動(dòng),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(shí)別技術(shù).PUF能夠基于FPGA芯片的物理特性生成唯一的識(shí)別信息,就如同每個(gè)人的指紋一樣獨(dú)一無二.這種技術(shù)可對(duì)每個(gè)器件進(jìn)行唯一識(shí)別和加密驗(yàn)證,降低了偽造,重新標(biāo)記和過度建造的風(fēng)險(xiǎn),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(yùn)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(shí)時(shí)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(dòng)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(shí),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(shí)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(duì)于一些對(duì)安全性要求極高的醫(yī)療成像應(yīng)用場(chǎng)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(jì)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(shí)系統(tǒng)會(huì)記錄所有的操作行為,便于事后審計(jì)和追蹤.軟件設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)時(shí)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(gè)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(dòng)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(dòng)物醫(yī)療超聲設(shè)備帶來了革命性的變革.動(dòng)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(dòng)物時(shí),面臨著諸多挑戰(zhàn).傳統(tǒng)的超聲系統(tǒng)往往體積龐大,價(jià)格昂貴且能耗高,難以滿足在谷倉(cāng),農(nóng)場(chǎng)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(dòng)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(jì)算能力和實(shí)時(shí),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(duì)大型牲畜進(jìn)行超聲診斷時(shí),能夠快速處理大量的超聲數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí),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(jí)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(zhǎng)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(yùn)行.據(jù)使用該設(shè)備的獸醫(yī)反饋,在一次對(duì)農(nóng)場(chǎng)奶牛的孕檢中,以往使用傳統(tǒng)超聲設(shè)備需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)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(xiàng)目中,PolarFire®FPGA同樣展現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì).某醫(yī)療機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)在開發(fā)一款用于微創(chuàng)手術(shù)的機(jī)器人時(shí),采用了PolarFire®FPGA.在手術(shù)過程中,機(jī)器人需要實(shí)時(shí)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(jì)算能力和實(shí)時(shí)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(tái),能夠?qū)崟r(shí)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(shí),PolarFire®FPGA的低功耗設(shè)計(jì)使得醫(yī)療機(jī)器人在長(zhǎng)時(shí)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)安全符合標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療成像應(yīng)用
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