新型GPU提高醫(yī)學(xué)成像處理速度

如今的醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域可以通過充分利用高速運(yùn)算技術(shù)來提高醫(yī)學(xué)成像的質(zhì)量，微處理器受到智能手機(jī)以及平板電腦的創(chuàng)新發(fā)展的推動(dòng)變得功能更加強(qiáng)大和低功耗。圖像處理的關(guān)鍵因素就在于成像速度、圖像尺寸以及分辨率。

最初由于硬件設(shè)備的局限性，醫(yī)學(xué)影像增強(qiáng)處理都是按照序列完成的。隨著硬件設(shè)備的不斷更新，現(xiàn)在醫(yī)學(xué)影像的增強(qiáng)處理可與其它運(yùn)算處理同步進(jìn)行。新一代的圖像處理平臺(tái)極大地促進(jìn)了醫(yī)療成像技術(shù)，另外，最新的處理能力、先進(jìn)的圖像增強(qiáng)算法能更有效地提高圖像的質(zhì)量以及處理速度。

通過運(yùn)用高速處理，圖像的成像時(shí)間也得到了大大的減少。例如，在3D結(jié)腸影像成像的過程中，通常醫(yī)生和病人都需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間才能在顯示器上看到圖像。由于通常多組圖像都在一起處理，所需時(shí)間較長(zhǎng)，減少了醫(yī)院對(duì)病患數(shù)量的總處理能力。而且，在處理這些圖像的同時(shí)，也浪費(fèi)了醫(yī)生和病人的許多寶貴的時(shí)間。

圖形處理器(GPU)的強(qiáng)大計(jì)算功能與普通的CPU相比，有效地縮短了對(duì)圖像的處理時(shí)間。GPU內(nèi)置的處理能力能保證更有效的處理圖像。此類處理器之前一直被用于電腦游戲中，用來計(jì)算移動(dòng)的物體、陰影效果并產(chǎn)生極其逼真的圖像效果。如今，醫(yī)學(xué)成像的專家們運(yùn)用GPU的強(qiáng)大圖像處理功能來提高醫(yī)學(xué)圖像的質(zhì)量。

圖形處理器(GPU)

圖形處理器(GPU)得益于電腦游戲業(yè)的發(fā)展，提供的圖像處理速度是普通中央處理器(CPU)處理速度的許多倍。相比之下，圖像增強(qiáng)、重建和可視化很容易“熔一爐于”GPU，，因而價(jià)格也更顯得為合理。

從X光透視，醫(yī)療程序和診斷等方面考慮，都需要-影像增強(qiáng)處理實(shí)時(shí)進(jìn)行。通過運(yùn)用GPU，可以使幀頻達(dá)到每秒60幀(1024 x1024圖像)。GPU的處理能力達(dá)到每秒數(shù)百萬(wàn)次，且圖像的每個(gè)像素都可進(jìn)行上千次計(jì)算。一幅1024 x1024圖像大概有一百萬(wàn)像素，其中包含了有價(jià)值的診斷信息。在每秒60幀的幀頻保證下，GPU可以在每秒對(duì)六千萬(wàn)像素進(jìn)行信息處理。這種超高速的處理速度是傳統(tǒng)的CPU處理器所不能達(dá)到的，傳統(tǒng)的CPU的幀頻僅僅為每秒15幀.

GPU主板最初是為對(duì)圖像顯示要求較高的領(lǐng)域，例如電腦游戲領(lǐng)域來開發(fā)的。將GPU技術(shù)運(yùn)用在通用
計(jì)算中的處理器叫做通用計(jì)算圖形處理器(GPGPU)。近年來，這一領(lǐng)域在軟硬件方面都在加速發(fā)展。Cuda、OpenCL以及DirectCompute都是可支持GPGPU功能的軟件工具。

GPU也存在著一些不足。首先，GPU需要一臺(tái)電腦主機(jī)。GPU并不能獨(dú)立自主地進(jìn)行運(yùn)算處理，它需要中央處理器提供指令來運(yùn)行。其次，這種技術(shù)每6個(gè)月就會(huì)經(jīng)歷一次產(chǎn)品的更新?lián)Q代。在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，用戶們需要一種長(zhǎng)期穩(wěn)定有效的GPU主板。面對(duì)這個(gè)問題，GPU的生產(chǎn)商們也暫時(shí)無(wú)法解決。最后，GPU主板的高功耗也是使用中的缺點(diǎn)之一-。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

雖然不像GPU那么出名，但是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)是一種半導(dǎo)體設(shè)備，該設(shè)備具有可編程性的邏輯電路或模塊，它可以通過配置組合來完成復(fù)雜的功能。FPGA技術(shù)的運(yùn)算性能最佳，被運(yùn)用在電信以及衛(wèi)星領(lǐng)域。

一般來說，一個(gè)小巧的編程FPGA芯片可隨其他硬件一起發(fā)揮特定的功能，例如影像增強(qiáng)，減少了用戶對(duì)硬件設(shè)備的需求，特別適合實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用。這個(gè)定制的解決方案具有更高的性價(jià)比。由于電路成本低，F(xiàn)PGA適合大規(guī)模的生產(chǎn)，但是研發(fā)的周期較長(zhǎng)。

數(shù)字信號(hào)處理器

數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)是一種特殊的微處理器，用來進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。DSP的運(yùn)算能力也越來越強(qiáng)大。一個(gè)高端的DSP電路可以和一個(gè)最新的CPU處理器核心單元具有幾乎同樣的計(jì)算能力，但功耗僅為CPU的幾分之一。上述的特性可以使DSP在移動(dòng)手持設(shè)備或其它需要低耗電的設(shè)備上的圖像處理更加迅速。對(duì)制造商來說，以DSP處理器作為中心來建設(shè)系統(tǒng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比以一般的CPU作為中心來建設(shè)要簡(jiǎn)單的多，因?yàn)镈SP在芯片上集成了很多接口功能。一些DSP芯片還兼具一般ARM處理器與DSP的功能。

加速處理器(APU)

目前最新的趨勢(shì)是將CPU和GPU的功能整合為一體，即加速處理器(APU)。現(xiàn)有的系統(tǒng)一般建立在一個(gè)CPU和一個(gè)GPU芯片上，而目前AMD公司正在推出一種整合了CPU和GPU的芯片——AMD Fusion APU。Intel 公司(下一代芯片)和Nvidia公司(丹佛計(jì)劃)也正在加緊研發(fā)APU解決方案。

GPU、FPGA、DSP以及APU平臺(tái)與普通CPU系統(tǒng)相比，極大改進(jìn)了醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)的質(zhì)量。隨著現(xiàn)代微處理器不斷發(fā)展，人們更加有必要將此種高科技運(yùn)用到醫(yī)療領(lǐng)域中去。醫(yī)療影像領(lǐng)域的每一個(gè)進(jìn)步都為醫(yī)生提供了診治病人的便利條件，從而提高診斷的效率及準(zhǔn)確度。