Programmierbare Logikbausteine
Beschleunigtes Ultraschall
Schlüsselherausforderungen bei der Entwicklung von Medizinelektronik sind Funktionsdifferenzierung, sinkender Energiebedarf und kürzere Entwicklungs- und Markteinführungszeiten. Wie das gelingen kann, soll am Beispiel eines Ultraschallgerätes aufgezeigt werden.
Beim Preis, bei den Abmaßen und beim Leistungsbedarf hat die Konsumelektronik im vergangenen Jahrzehnt beachtliche Fortschritte erzielt. Im Unterschied dazu muss die Medizinelektronik noch eine ähnlich große Innovation durchmachen.
Einige der Schlüsselherausforderungen für die Entwickler von Medizinelektronik sind Funktionsdifferenzierung, sinkender Energiebedarf sowie kürzere Entwicklungszeit. Entwickler können sich dadurch zu unerwünschten Kompromissen zwischen großem Funktionsumfang und geringen Kosten oder geringem Leistungsverbrauch und kleinen Ausmaßen gezwungen sehen. Wie sie das vermeiden können, soll anhand eines Ultra¬schallgeräts aufgezeigt werden.
Fokus auf der Bildverarbeitung
Stationäre Hochleistungs-Ultraschallgeräte, welche die höchste Auflösung und modernste 4-D-Bilddarstellung bieten, sind immer noch sehr groß und benötigen Transportwagen. Auf der anderen Seite haben portable oder Handheld-Geräte signifikante Einschränkungen bezüglich Batteriebetriebsdauer und Bildqualität. Deshalb ist klar, dass das Verhältnis Leistung zu Größe weiter zu verbessern ist. Man könnte sich vorstellen, dass zukünftig Ultraschallgeräte an schwangere Frauen vertrieben werden könnten. Dafür müssten diese Geräte jedoch den Preisbereich, die Portabilität und einfache Bedienung von Konsumelektronik erreichen. Was sind die Produkte und Plattformen, die dabei helfen können, die Herausforderungen bei der Entwicklung von medizintechnischen Produkten zu lösen und das Verhältnis von Leistung zu Preis oder Leistung zu Größe zu verbessern?
Seit vielen Jahren sind feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGAs) ein zentrales Element in der medizinischen Ultraschalltechnik. Solche Bausteine haben einen langen Produktlebenszyklus, der sich für die langen Markteinführungszeiten von medizinelektronischen Produkten eignet. Eine hohe Leistungsfähigkeit und Flexibilität sind die beiden wichtigsten Eigenschaften, die FPGAs für die Verarbeitung von Ultraschallbildern geeignet machen. Mit ihnen lassen sich Algorithmen und Funktionen aktualisieren, ohne dazu Komponenten austauschen zu müssen. Dadurch sind solche Systeme tatsächlich zukunftssicher.
Mit der Verkleinerung der Strukturbreiten in jedem Technologieschritt verbessert sich bei FPGAs das Preis-Leistungs-Verhältnis; beim Übergang von 28 nm auf 20 nm kann beispielsweise die Rechenleistung um 30 Prozent bis 50 Prozent steigen, wobei gleichzeitig der Leistungsbedarf sinkt. Darüber hinaus unterstützen die FPGA-Entwicklungswerkzeuge einen abstrahierten Entwicklungsablauf, der das Timing-Closure automatisch durchführt und den Zeitaufwand für das Place & Route minimiert, was letztendlich die Entwicklungszeiten verkürzt.
Untersuchen wir zunächst, wie sich die notwendigen Funktionen eines medizintechnischen Ultraschallgerätes realisieren lassen. Ein Ultraschall-Bildverarbeitungssystem lässt sich in drei Hauptfunktionen aufteilen: Front-End, Datenübertragung und Back-End. Die programmierbare Technik in den FPGAs spielt in jedem dieser Funktionsböcke eine entscheidende Rolle (Bild 1).
- Beschleunigtes Ultraschall
- Arbeitsweise eines Ultraschallgeräts
- FPGAs sparen Energie
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