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Microchip借助PolarFireFPGA可以加速實現安全符合標準的醫療成像應用
Microchip借助PolarFire®FPGA可以加速實現安全符合標準的醫療成像應用
在現代醫療設備晶振體系中,醫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測的關鍵環節.從常見的X射線,超聲波,到先進的計算機斷層掃描(CT),磁共振成像(MRI),這些成像技術不斷革新,為醫療領域帶來了前所未有的變革,讓醫生能夠深入觀察人體內部結構,捕捉疾病的蛛絲馬跡.然而,傳統醫療成像技術在飛速發展的醫療需求面前,逐漸暴露出一些亟待解決的問題.在數據處理方面,隨著成像分辨率的不斷提高以及檢查項目的日益繁雜,所產生的數據量呈爆炸式增長.以一次常規的CT掃描為例,就能生成數百甚至上千張圖像,傳統的處理方式需要耗費大量時間,這不僅嚴重影響了診斷效率,還可能導致患者錯過最佳治療時機.例如在急診室,每一秒都關乎患者的生命,快速準確的診斷至關重要,而傳統成像技術的數據處理速度卻難以滿足這種緊急需求.安全性同樣是傳統醫療成像技術面臨的一大挑戰.一方面,部分成像技術存在輻射風險,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險.對于一些需要頻繁進行成像檢查的慢性病患者來說,這種輻射風險的累積效應不容小覷.另一方面,隨著醫療信息化的推進,醫療成像數據的傳輸,存儲和共享過程中,面臨著嚴峻的信息安全問題.一旦患者的影像數據遭到泄露或篡改,不僅會侵犯患者的隱私,還可能導致誤診,誤治等嚴重后果.
Microchip與PolarFire®FPGA技術解析
MicrochipTechnologyInc.(微芯科技公司)作為半導體行業的領軍企業,多年來一直致力于為全球眾多領域提供智能,互聯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研發能力和豐富的產品組合,服務于工業,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,在技術創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解決方案等領域均取得了顯著成就,為各行業的數字化轉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場可編程門陣列,采用了先進的架構設計和制造工藝,具備諸多獨特優勢.從技術原理層面來看,PolarFire®FPGA利用了可編程邏輯單元(CLB),輸入輸出塊(IOB),塊隨機訪問存儲器模塊(BRAM)和時鐘管理模塊(CMM)等基本結構,通過對這些結構的靈活配置,實現了各種復雜的數字電路功能.其中,CLB是實現邏輯運算的核心單元,由查找表(LUT)和觸發器(Flip-Flop)組成.LUT能夠快速實現各種邏輯運算,如與,或,非,異或等,而觸發器則用于存儲邏輯電路中的狀態信息,確保數據的穩定傳輸和處理.在架構特點上,PolarFire®FPGA的并行計算能力堪稱一絕.其獨特的并行架構允許它同時處理多個任務,大大提高了數據處理效率.在醫療成像應用中,一次掃描會產生海量的數據,PolarFire®FPGA可以通過并行計算,快速對這些數據進行處理和分析,能夠在短時間內完成圖像重建,特征提取等復雜任務,為醫生提供及時準確的診斷依據.低功耗設計也是PolarFire®FPGA的一大亮點.它采用了先進的28nm非易失性工藝,這種工藝使得PolarFire®FPGA的靜態功耗極低.在一些便攜式醫療設備中,如手持式超聲診斷儀,設備需要長時間工作,而電池電量有限,PolarFire®FPGA的低功耗特性可以有效延長設備的續航時間,同時減少散熱問題,提高設備的穩定性和可靠性.此外,其收發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,進一步優化了動態功耗,在數據傳輸過程中,根據實際需求調整功耗,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具備強大的并行計算能力,這一特性使其在醫療成像領域大放異彩.在醫療成像過程中,會產生海量的數據,例如一次MRI掃描可能會產生數百萬個數據點,傳統的處理方式往往需要耗費大量時間來處理這些數據.而PolarFire®FPGA內部擁有大量的邏輯單元,這些邏輯單元可以并行工作,同時處理多個數據任務.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換為頻域信號,對于圖像重建至關重要,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行,大大縮短了計算時間.據實際測試,在使用PolarFire®FPGA進行FFT算法加速后,圖像重建時間相比傳統處理器縮短了數倍,使得醫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射線掃描得到的數據,生成高分辨率的三維圖像,為醫生提供更準確的診斷依據.
(二)實時性保障,獲取最新影像信息
在醫療成像的諸多應用場景中,實時性是至關重要的因素.比如在手術導航和介入治療過程中,醫生需要實時獲取患者的影像信息,以便準確地進行手術操作.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,幾乎可以實現即時反饋.高帶寬則保證了在短時間內能夠傳輸和處理大量的圖像數據.在血管介入手術中,醫生需要實時觀察導絲和導管在血管內的位置,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生,幫助醫生精準操作,降低手術風險.再如在神經外科手術中,實時的MRI或CT影像能夠讓醫生清晰地了解大腦的結構和病變位置,PolarFire®FPGA實現的實時圖像分析和處理,為手術的成功提供了有力保障.
(三)定制化設計,滿足多樣需求
不同的醫療成像智能電子設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進行定制化設計.對于超聲成像設備,其圖像采集和處理算法與MRI,CT有很大不同,PolarFire®FPGA可以根據超聲成像的特點,優化數據采集和處理流程,實現最佳的圖像質量和處理速度.在圖像增強和去噪算法方面,PolarFire®FPGA可以根據不同成像設備產生的圖像特性,定制相應的算法邏輯,提高圖像的清晰度和準確性.而且針對一些新興的醫療成像技術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用空間,能夠快速實現算法的硬件化,推動醫療成像技術的創新發展.
實現安全符合標準的醫療成像應用
(一)硬件層面的安全防護機制
PolarFire®FPGA在硬件層面構建了全方位的安全防護體系,為醫療成像應用的數據安全筑牢了堅實基礎.其支持多種先進的加密技術,其中AES256加密配置文件采用基于SHA256的HMAC驗證,能夠對存儲在FPGA內部的關鍵數據和配置信息進行高強度加密.在醫療成像設備存儲患者的影像數據時,這些數據在寫入FPGA的存儲區域前會被AES256加密算法加密,確保數據在靜止狀態下的安全性,防止數據被竊取或篡改.公鑰加密內核采用橢圓曲線加密技術(ECC),用于安全分發密鑰,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險.安全啟動功能也是PolarFire®FPGA硬件安全的重要組成部分.當醫療成像設備啟動時,PolarFire®FPGA會對啟動代碼和配置數據進行完整性驗證和身份認證.通過硬件內置的驗證機制,確保只有經過授權的,未被篡改的代碼和數據才能被加載和執行.如果在驗證過程中發現啟動代碼或配置數據存在異常,設備將無法正常啟動,并觸發相應的安全警報,這有效防止了惡意代碼的植入和非法啟動,保障了醫療成像系統的初始安全性.此外,PolarFire®FPGA還利用了物理不可克隆函數(PUF)等硅生物識別技術.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.這種技術可對每個器件進行唯一識別和加密驗證,降低了偽造,重新標記和過度建造的風險,確保了從供應鏈源頭到終端應用的安全性,在醫療成像設備的生產和使用過程中,有效防止了假冒偽劣芯片的混入,保障了設備的安全穩定運行.
(二)軟件協議棧的安全保障
Microchip發布的醫療成像解決方案協議棧從軟件層面為系統安全性和符合標準提供了有力保障.該協議棧提供了用于OPC/UA的實時工業網絡協議,OPC/UA是一種廣泛應用于工業自動化晶振領域的通信協議,其具備強大的安全特性.在醫療成像設備與醫院信息系統,其他醫療設備進行數據交互時,OPC/UA協議通過加密通信通道傳輸數據,確保數據在網絡傳輸過程中的保密性和完整性.它還采用了用戶身份認證和訪問控制機制,只有經過授權的用戶和設備才能訪問和操作醫療成像數據,有效防止了數據泄露和非法訪問.豐富的操作系統支持使得醫療成像系統能夠根據實際需求選擇合適的操作系統,并利用操作系統自身的安全機制進一步提升系統安全性.對于一些對安全性要求極高的醫療成像應用場景,可以選擇經過安全加固的Linux操作系統,該操作系統具備完善的用戶權限管理,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限,醫生可以查看和診斷影像數據,而普通工作人員則只能進行有限的操作,同時系統會記錄所有的操作行為,便于事后審計和追蹤.軟件設計工具包支持以C/C++,RTL和流行的機器學習框架為中心的多樣化開發環境,包括SmartHLS™IDE,VectorBlox™AcceleratorSDK和通過IEC61503SIL3功能安全認證的Libero®SoC設計套件.這些工具在軟件開發過程中,通過代碼審查,安全編程規范和實時監控等手段,確保軟件代碼的安全性,減少了軟件漏洞的出現,從而提高了整個醫療成像系統的安全性和穩定性,使其符合相關的醫療安全標準和規范.
在動物醫療領域,Enclustra公司基于Microchip的PolarFireFPGA技術推出的Mercury+MP1SoC模塊,為動物醫療超聲設備帶來了革命性的變革.動物醫療專業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.傳統的超聲系統往往體積龐大,價格昂貴且能耗高,難以滿足在谷倉,農場或遠程診所等復雜環境下的使用需求.而基于Mercury+MP1模塊的動物醫療超聲設備則完美解決了這些問題.該設備結構緊湊,能效高,具備強大的計算能力和實時,低延遲性能.其采用的PolarFireFPGA技術,使得設備在數據處理方面表現卓越.在對大型牲畜進行超聲診斷時,能夠快速處理大量的超聲數據,實現實時,高質量成像,為獸醫提供清晰,準確的圖像,便于更快地診斷復雜病情,其成像質量可與醫院級系統媲美.設備的便攜性也得到了極大提升,輕便的封閉式系統便于攜帶,并可抵御環境破壞,方便獸醫在各種環境中使用.功耗更低的特性延長了電池壽命,降低了冷卻要求,即使在偏遠地區也能保證設備的不間斷運行.據使用該設備的獸醫反饋,在一次對農場奶牛的孕檢中,以往使用傳統超聲設備需要花費較長時間來獲取清晰圖像,且圖像質量不穩定,而使用基于PolarFireFPGA技術的新設備后,不僅操作速度大幅提升,能夠快速完成檢查,而且圖像清晰,準確地顯示了奶牛胎兒的發育情況,大大提高了診斷效率和準確性.在醫療機器人項目中,PolarFire®FPGA同樣展現出了巨大的優勢.某醫療機器人研發團隊在開發一款用于微創手術的機器人時,采用了PolarFire®FPGA.在手術過程中,機器人需要實時處理大量的圖像和傳感器數據,以精確控制手術器械的操作.PolarFire®FPGA的高性能并行計算能力和實時處理能力,使得機器人的精確度和操作速度提升了30%.醫生通過操作控制臺,能夠實時將手術部位的影像信息傳輸給機器人,機器人借助PolarFire®FPGA快速分析這些影像數據,精準地控制手術器械進行操作.同時,PolarFire®FPGA的低功耗設計使得醫療機器人在長時間的手術過程中,無需頻繁更換電池或擔心過熱問題,大大延長了電池壽命,保障了手術的順利進行.例如在一次腦部微創手術中,醫療機器人依靠PolarFire®FPGA快速處理MRI影像數據,準確地定位了病變部位,醫生通過機器人遠程操作手術器械,成功地完成了手術,患者術后恢復良好,該手術的成功充分體現了PolarFire®FPGA在醫療機器人領域的重要作用.
Microchip借助PolarFire®FPGA可以加速實現安全符合標準的醫療成像應用
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