X線撮影や超音波診断などの画像診断システムが使用されるようになって数十年が経ちます。また、これに続く新しいテクノロジとして、コンピュータ断層撮影法(CT)、磁気共鳴映像法(MRI)、核/陽電子放射断層撮影法(PET)なども登場しました。画像診断システムは、きわめて複雑な画像処理多用システムです。そして、メーカには機能拡張や性能向上を次々と導入しなければならない大きな重圧がかかっています。

半導体は、画像診断システムの開発にきわめて重要な役割を果たします。柔軟性と高性能を備えたプログラマブル・ロジックは、今後も重要なシステム構成要素と言えます。

図 1 に示すとおり、代表的な画像診断システムは、データ収集カード、データ統合カード、および画像/データ処理カードの 3 種類の主要カードで構成されています。

図 1:画像診断装置のためのアルテラ・ソリューションの例

データ収集カードは入力データのフィルタ用で、最もコスト要求の厳しいシステム・カードです。一般に、画像診断システムは、多数のデータ収集カードで構成されています(場合によっては、1 システムあたり最高 20 枚のカード)。フィルタ、補正されたデータは、バッファリングとデータ・アライメントのためにデータ統合カードに送られます。検出器が身体の周りで回転するCT や PET スキャナーでは、データがシリアル化され送られます。データが収集されると、画像/データ処理カードに送られます。これらのカードは、すべての高負荷フィルタリングと画像再生を実行するため、システム内で最もアルゴリズムを多用するカードです。

設計者はコンポーネントを選択する前に、以下の要素を検討する必要があります。例えば、個々のシステムの数や必要とされる解像度により以下を選択することが考えれます。

  • 標準アナログ・デバイスを使用するか、またはASICにアナログ機能を組み込むか
  • 2 次元(2D)画像か 3 次元(3D)画像か
  • 処理カードとSBC (Single Board Computer) との画像処理の分割
  • アルゴリズムの高速化を容易にするアルテラOpenCL

画像処理用多機能プログラマブル・ソリューション

アルテラの FPGAは、画像診断装置に組み込むのに理想的なデバイスです。コスト要求の厳しいデータ収集カード用デバイスの候補として、他のすべての低コストFPGA ファミリと比較してロジック・エレメントあたりの価格が最も低く、豊富なDSP ブロックを提供する Cyclone® FPGA および Arria FPGA ファミリが有力です。

Stratix FPGA ファミリは、データ統合カードおよび画像処理カードに理想的です。これらのファミリは、システム設計者に他のデバイスでは得られない柔軟性、性能、集積度、およびデザイン・リソースを提供します。Stratix FPGA デバイス・ファミリは、システム性能を高めるために、ブロック・ベースのデザインを促進する高性能アーキテクチャを使用しています。これらには、高性能デジタル信号処理(DSP)ブロック、エンベデッドメモリ、最大 952,000 個の LE、および柔軟性のある標準 I/O 規格が含まれます。  Stratix FPGAファミリは、DDR3、RLDRAM II、FCRAM、QDRII、DDR、QDR、SRAMなどの外部メモリとのインタフェースが可能です。Stratix FPGA ファミリはさらに、高速データの処理に必要な、マルチギガビット・シリアル・トランシーバ・テクノロジ機能も備えています。

機能豊富な SoC デバイス・ファミリと Nios II エンベデッド・プロセッサは、これまでにない柔軟性と性能を低コストで提供します。SoC と Nios II プロセッサは、補助カード上のモーター制御機能用としてホスト・マイクロコントローラの代わりに使用できます。FPGA デバイスを画像処理カードに使用すると、DSP ブロックを、コプロセッサとして組み合わせたエンベデッド Nios II CPU または SoC をデジタル信号プロセッサと置き換えることができるので、大幅なコスト削減を実現します。また、アルテラの OpenCL 技術によって、アルゴリズム機能の高速化を FPGA にオフロードすることが容易になり、ソフトウェア・プログラマは、製品化までの期間の短縮を可能にするデザイン・フローを利用できます。

アルテラはさらに広域な関連するIP (intellectual property)、開発キット、そしてリファレンス・デザインを画像診断機能として提供します。以下に関連するIP、開発キット、そしてリファレンス・デザインを紹介します。