Elaborare le immagini a ultrasuoni con gli Fpga

MEDICALE & BENESSERE –

I progettisti di apparecchi medicali possono utilizzare Fpga ad alte prestazioni per ridurre i consumi di potenza, i costi a livello di sistema, i tempi di sviluppo e aumentare le prestazioni.

L'elettronica consumer ha fatto passi da gigante rispetto al decennio passato per quanto riguarda la convenienza, le dimensioni e i consumi. Tuttavia l'elettronica medicale deve ancora assistere a un'innovazione di questo tipo. Una popolazione a livello mondiale in aumento, un'aspettativa di vita più lunga e la crescita degli standard di vita dovrebbero diventare i catalizzatori per una rivoluzione dei dispositivi medicali, che aiuteranno a migliorare il benessere generale riducendo al contempo i costi sanitari. Sono molte le sfide di progetto per i designer di elettronica medicale.

Le sfide progettuali
- Differenziazione delle caratteristiche - Oggi la competizione sta aumentando all'interno dei mercati dell'elettronica medicale, dato che i margini vantaggiosi spingono diversi produttori a fornire prodotti con caratteristiche che differenziano i propri prodotti e con prestazioni avanzate per battere altri concorrenti.

- Riduzione dei consumi - Ci si aspetterà di avere requisiti stringenti sul rendimento energetico dei dispositivi medicali dal momento che l'elettronica medicale del futuro darà la priorità al funzionamento wireless e si concentrerà sulla miniaturizzazione. La riduzione dei consumi di potenza può portare ad una migliore gestione dal punto di vista termico, riducendo così le dimensioni complessive del prodotto.

- Tempi di sviluppo - I dispositivi elettronici medicali devono superare un lungo processo di certificazione che può rallentare significativamente il time to market. Il ciclo di sviluppo tipico per i prodotti elettronici consumer è compreso fra 3 e 9 mesi, mentre i dispositivi elettronici medicali richiedono in media 2-3 anni. Gli strumenti e i metodi disponibili per ridurre i tempi di sviluppo e aiutare nel processo di certificazione saranno vitali.

Queste sfide possono fare sì che gli ingegneri si trovino di fronte a sfide fra funzionalità / costi, o consumi / dimensioni. Il progetto di un apparecchio a ultrasuoni ne fornisce un ottimo esempio.

L'elaborazione delle immagini a ultrasuoni

Grazie alla sua natura non invasiva, l'elaborazione delle immagini a ultrasuoni è usata in numerose applicazioni medicali, dalle analisi diagnostiche alla terapia. Le macchine a ultrasuoni ad alte prestazioni che offrono le risoluzioni più spinte e la visualizzazione di immagini 4D allo stato dell'arte sono ancora fornite su carrelli e sono ingombranti. D'altro canto, le versioni portatili o palmari hanno limitazioni significative in termini di durata della batteria e di qualità delle immagini. Chiaramente il rapporto fra prestazioni e ha grande margine di miglioramento. Si potrebbe immaginare un futuro in cui si potrebbero proporre a genitori in attesa della macchine personali a ultrasuoni. Affinché questo accada tuttavia, l'apparecchiatura dovrebbe raggiungere la fascia di prezzo, la portabilità e la semplicità d'uso dei prodotti consumer. Potrebbe mancare poco tempo alla realizzazione di un progetto simile, ma quali sono i prodotti e le piattaforme che possono aiutare a risolvere le sfide che si trovano a dover affrontare i progettisti medicali per migliorare i rapporti tra funzionalità e costi o consumi e dimensioni? Per molti anni le matrici logiche programmabili sul campo sono state l'elemento centrale abilitante per la tecnologia medicale a ultrasuoni. Gli Fpga sono caratterizzati da un ciclo di vita lungo del prodotto, che può soddisfare i requisiti in termini di tempi lunghi di permanenza sul mercato degli apparecchi elettronici medicali. Le prestazioni e la flessibilità sono due attributi fondamentali che rendono gli Fpga i dispositivi ideali per l'elaborazione delle immagini ad ultrasuoni. Consentendo di aggiornare algoritmi e funzionalità senza dover sostituire componenti, gli Fpga mettono in grado i sistemi di diventare essenzialmente a prova di futuro. Con la miniaturizzazione, in corrispondenza di ogni nodo tecnologico, gli Fpga forniscono un rapporto prestazioni/prezzo migliore; per esempio il passaggio dai 28 nm ai 20 nm può produrre un miglioramento nelle prestazioni del 20-50 %, riducendo al contempo il consumo di potenza. Inoltre, i tool per Fpga supportano un flusso di progettazione astratto, effettuando la convergenza automatica delle temporizzazioni e minimizzando il tempo necessario per posizionare ed instradare i segnali, portando in ultima analisi ad un tempo di sviluppo più breve. Continuando a fornire simili vantaggi, gli Fpga rimarranno critici per la progettazione degli apparecchi ad ultrasuoni di prossima generazione.

Come funziona

Esploriamo ora il modo in cui è possibile soddisfare i requisiti funzionali di un sistema medicale a ultrasuoni. Un sistema di elaborazione delle immagini ad ultrasuoni può essere suddiviso in tre funzioni principali: interfaccia di ingresso, trasmissione e uscita. La tecnologia programmabile come quella degli Fpga riveste un ruolo cruciale in ciascuno di questi blocchi. L'obiettivo di un'interfaccia di ingresso di un sistema ad ultrasuoni è di controllare la trasmissione di impulsi ad ultrasuoni e di catturare i dati sonori riflessi. I convertitori analogico-digitali sono usati per convertire i dati a ultrasuoni riflessi in formato digitale. Gran parte degli Adc usati nelle applicazioni di elaborazione delle immagini supportano da quattro a otto canali e da 12 a 16 bit di risoluzione a 40-60 Msps. Le macchine ad ultrasuoni su carrelli richiedono risoluzioni elevate, spesso anche con 128 o persino 512 canali, mentre gli apparecchi ad ultrasuoni portatili che devono soddisfare obiettivi di basso peso e dimensioni ridotte potrebbero avere appena otto canali. Allo scopo di supportare gli alti volumi di trasmissione dati, le uscite degli Adc usano tipicamente la tecnica di trasmissione dei segnali differenziali a bassa tensione. Dato che un Fpga dispone di un grande numero di blocchi di ingresso/uscita che possono essere configurati per supportare la tecnologia Lvds, esso può aggregare i dati da diversi Adc per la pre-elaborazione. I produttori che cercano di ottenere la massima risoluzione di scansione stanno spingendo i limiti per quanto riguarda il numero di canali che possono essere supportati per gestire alti volumi di dati. Per mitigare questo effetto, diversi produttori di Adc hanno adottato lo standard Jesd204B quale nuovo protocollo seriale per supportare la trasmissione dati a velocità dell'ordine dei Gbit/s. Un ricevitore Jesd204B configurato all'interno di un Fpga consente di ricevere i dati dall'Adc ad una velocità massima di 12.5 Gbit/s per canale. Il beam forming è un meccanismo per controllare l'impulso sonoro per amplificare l'area principale di azione e di de-enfatizzare le aree non rilevanti, ed è considerato critico in un sistema a ultrasuoni. Infatti molte aziende personalizzano e proteggono la propria tecnica di beam forming per ottenere un vantaggio competitivo. Il beam forming comporta l'esecuzione di calcoli sia nel dominio dello spazio, sia in quello del tempo, con una configurazione dinamica per localizzare il punto centrale. Per eseguire i calcoli richiesti in modo efficiente, il beam forming digitale sta sostituendo le tecniche analogiche tradizionali. La struttura hardware flessibile e l'architettura ad alta densità di risorse Dsp degli attuali Fpga consentono di effettuare calcoli complessi di beam forming in modo rapido ed efficace. Infine, la pre-elaborazione comprende un'ampia gamma di manipolazioni dei dati, come la compensazione del guadagno, il filtraggio, l'ottimizzazione dei dati e altro. Questi algoritmi sono eseguiti come funzioni dedicate all'interno degli Fpga, allo scopo di elaborare grandi insiemi di dati in tempo reale.

Tecnologie Fpga per ridurre i consumi

Il consumo di potenza costituisce spesso una delle principali preoccupazioni nell'elaborazione delle immagini ad ultrasuoni, specialmente per quanto riguarda gli apparecchi portatili che sono limitati da batterie fisse. Malgrado i consumi non siano critici in un sistema cablato, occorre ugualmente considerare i problemi termici legati alla dissipazione di potenza ed alla gestione del ciclo di alimentazione quando si prendono decisioni ingegneristiche. Un Fpga fabbricato in tecnologia da 20 nm presenterà consumi complessivi (consumi dinamici, statici e I/O combinati) inferiori dal 20 % al 50 % rispetto alla tecnologia da 28 nm. I risparmi in termini di consumi dinamici e statici diventeranno un vantaggio sia nell'interfaccia di ingresso del sistema, sia in quella di uscita, dato che il beam forming e la ricostruzione delle immagini sono processi ad alta intensità di calcolo. Inoltre, una riduzione del 30 % nella potenza dissipata dai transceiver e dagli I/O forniranno beneficio agli Fpga usati nelle funzioni di trasmissione all'interno delle macchine ad ultrasuoni. Anche la tecnologia consente di adottare diverse modalità spegnimento per diversi blocchi per ottenere un'efficienza ottimale a livello di sistema. Il consumo ridotto di potenza di un Fpga da 20 nm, combinato con una gestione intelligente dell'alimentazione, fornisce ulteriori margini agli ingegneri per aumentare le prestazioni a livello di sistema e per migliorare la risoluzione, senza superare il budget di potenza complessivo.

Un tool per ridurre i tempi di sviluppo

Il blocco finale all'interno della catena di segnale del sistema a ultrasuoni effettua la ricostruzione delle immagini, che traduce i dati grezzi catturati dall'interfaccia in ingresso in un'immagine che può essere visualizzata su un monitor. Esistono molti algoritmi scritti in C, C++, Matlab o OpenCL che determinano il modo in cui i dati acquisiti saranno elaborati, convertiti e interpretati in un'immagine visualizzabile. Questo passaggio richiede moltiplicazioni matriciali complesse che comportano Trasformate di Fourier Veloci. Spesso gli ingegneri software realizzano i modelli necessari per gli algoritmi, e gli ingegneri hardware traducono questi ultimi in Linguaggio di Descrizione Hardware per la realizzazione su Fpga. Questa divisione di attività produce una discontinuità nel flusso di progettazione che può accrescere il tempo di sviluppo, soprattutto quando sono necessarie diverse iterazioni di progetto. La soluzione è un tool di astrazione Interamente Programmabile: un tool che converte automaticamente i costrutti in C, C++, OpenCL o Matlab in Hdl, posiziona e instrada automaticamente i segnali del progetto all'interno degli Fpga. Questo può consentire di ottenere un tempo di sviluppo inferiore anche di 15 volte rispetto ad un flusso di progettazione convenzionale manuale, mettendo così in grado i progettisti di tecnologie medicali di concentrarsi sulle competenze di base nella costruzione e nell'interpretazione delle immagini. Con il maturare della tecnologia Fpga, caratterizzata da prestazioni superiori, consumi più contenuti e tempi di sviluppo ridotti, possiamo guardare a un futuro in cui i sistemi di elaborazione delle immagini ad ultrasuoni di prossima generazione offriranno i vantaggi in termini di una migliore risoluzione di scansione e di una portabilità conveniente a un prezzo abbordabile.

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