四維醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的架構(gòu)設(shè)計
對所有最新或重新設(shè)計的醫(yī)學(xué)成像系統(tǒng)來說，這些應(yīng)用目標(biāo)意味著需要最大的計算能力，以便在最短時間內(nèi)提供最高分辨率的圖像。這通常也意味著應(yīng)最大化內(nèi)核和線程數(shù)量以支持目標(biāo)形狀系數(shù)，因為許多成像算法是支持并行處理的。
但在決定使用哪種多核處理器之前，需要仔細考慮系統(tǒng)的可擴展性和可升級性。由于半導(dǎo)體和存儲領(lǐng)域中器件性能和數(shù)據(jù)速率的飛速發(fā)展，能夠方便地使用下一代器件或在系統(tǒng)中增加更多節(jié)點(當(dāng)使用集群計算時)而無需重新設(shè)計和重新測試整個系統(tǒng)十分重要。如果你僅通過一次再編譯便能成功，那你就太厲害了。
“解決方案的可擴展性是使用戶能夠在不同產(chǎn)品中復(fù)用軟件和算法的關(guān)鍵。”Intel公司醫(yī)療部門經(jīng)理Bob Ghaffari指出，“為使芯片架構(gòu)能夠滿足從高端CT設(shè)備到低功耗便攜式超聲波產(chǎn)品的各種性能和功率要求，就必須采用可擴展的架構(gòu)。”
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| 設(shè)計的主要構(gòu)建模塊包括模擬前端、數(shù)字后端、圖形顯示渲染器以及具有可選網(wǎng)絡(luò)功能的系統(tǒng)控制器等。 |
當(dāng)試圖確定需要采用多少內(nèi)核和線程時，可以將數(shù)據(jù)通路視為處理瓶頸，因為數(shù)據(jù)的處理速度超過存儲速度將是毫無意義的。如果使用本地硬盤，那么串行ATA(SATA)或串行連接SCSI可能就是制約因素。此外，如果需要將數(shù)據(jù)寫到網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，那么網(wǎng)絡(luò)連接(以太網(wǎng)或無線網(wǎng)絡(luò))則有一個已知的最大帶寬。
對于選擇處理器數(shù)量和類型以及如何有效利用它們，Intel公司提出了一些指導(dǎo)方針：首先確定電路板性能和外形要求；然后運行代碼；接著不斷優(yōu)化代碼，直到經(jīng)過合理次數(shù)的設(shè)計反復(fù)后才停止優(yōu)化；最后調(diào)整系統(tǒng)性能，如果性能達到目標(biāo)，則完成了架構(gòu)的選擇，如果需要更高的系統(tǒng)性能，就需要增加用于加速卸載的外部器件。
從少量三維圖像創(chuàng)建四維圖像可能需要給每個病人準(zhǔn)備約500MB~5GB的數(shù)據(jù)空間。隨著分辨率和圖像片數(shù)量的增加，這個數(shù)字肯定還要提高?？紤]到每天的病人數(shù)量，能在快速中央服務(wù)器上存儲所有病人數(shù)據(jù)，并使用本地PC來顯示圖像的瘦型客戶機網(wǎng)絡(luò)開始變得越來越有吸引力了。
當(dāng)便攜性成為必備性能時，基于MicroTCA架構(gòu)的系統(tǒng)可能是最好的選擇。MicroTCA可以在很小的外形尺寸下提供強大的計算能力、帶寬和內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)連接性能。同時，四維圖像顯示需要數(shù)千兆字節(jié)的臨時存儲器。設(shè)計工程師必須考慮圖形存儲器(如圖形雙倍數(shù)據(jù)速率(GDDR)內(nèi)存)的容量、類型和速度。
設(shè)計的主要構(gòu)建模塊包括模擬前端、數(shù)字后端、圖形顯示渲染器以及具有可選網(wǎng)絡(luò)功能的系統(tǒng)控制器(圖1)。模擬前端執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和圖像預(yù)處理功能，它們很大程度上依賴于可能需要使用一個或更多的DSP、FPGA或ASIC芯片的成像模態(tài)。數(shù)字后端包括圖像重構(gòu)和后處理模塊，根據(jù)成像模態(tài)的復(fù)雜程度，該模塊可能是一個簡單處理器(GPU)，或是一個(或更多)包含多核多線程功能的高級處理器(CPU/GPU)。對于圖像處理和重構(gòu)等苛刻任務(wù)而言，當(dāng)需要最高的性能時，像Cell Broadband Engine這樣的處理器可能更合適。
如果今后要用到多個內(nèi)核，那就需要認真考慮與軟件相關(guān)的選擇，例如操作系統(tǒng)、消息傳遞接口、并行編程語言等。即使其它一些瑣碎的決定(如使用哪種文件系統(tǒng))也會變得十分重要，需要仔細考慮。
