cSoC解决方案在4D成像技术治疗的应用

来源:用户上传      作者: 美高森美公司供文

　　4D成像和4D放射治疗为根本改进癌症的诊断和治疗带来了希望。在成像和放射治疗期间，这些技术可以研究、描述患者的活动，并减少患者活动造成的影响，增添时间维度参数至3D身体扫描技术，如计算机断层扫描(computed tomography，cT)，核磁共振成像(magnetic resonanceimaging，MRI)和先进的超声波系统。通过视觉凝结3D模型或显示生动的3D图像，4D成像技术使得临床医生对于肿瘤的目标确定和集中治疗更为便利，减少了放射治疗或手术对周围组织的影响。
　　4D医疗处理的一个重要方面是根据患者的活动进行补偿，这是放射治疗中的一个至关重要的考虑因素。即使发生突然的移动，放射源也必须集中于肿瘤上，否则可能会将正常组织暴露于治疗下。即使轻微的呼吸动作，也能使辐射源偏离原来的微小目标，并照射周围的组织，从而增加了因治疗而产生损坏性副作用的风险。
　　因此，控制治疗头的马达组件成为基于4D成像技术的放射治疗系统中一个越来越重要的部分。高分辨率马达是由分析系统的分析结果来驱动，能确保放射线一直指向肿瘤，而不是其它任何地方。
　　如此高分辨率的马达控制要求在数字信号处理器(DSP)或微处理器上运行的软件提供极高的性能。它不仅仅是计算密集的，还需要高中断频率以不断检测马达的位置，从而产生很高的系统开销。
　　集成有现场可编程门阵列(FPGA)的可编程系统级芯片(cSoC)提供了更有效率的方式，以执行高响应性马达控制算法。通过使用硬件而不是软件控制来保持低循环次数，FPGA实现方法能够缩短中断延迟并且就马达位置提供更精细的控制，确保放射源能够准确对患者的移动作出补偿。在使用SmartFusion器件的情况下，通过在业界标准ARMCortex-M3处理器上运行软件，可以结合硬件响应能力实现微调功能。集成的模拟I／O模块由一个硬核模拟计算引擎(analog computeengine，ACE)来控制，确保马达致动器使用无延迟的正确信息进行更新。
　　不是所有的FPGA都适合用于放射治疗应用。许多FPGA中的静态随机存储器(sRAM)单元对辐射非常敏感，尤其是alpha粒子和中子辐射引起配置数据丢失的单粒子故障。例如，基于SRAM技术的可编程逻辑器件，易受软错误和固件错误的影响。软错误是指单比特位数据的瞬时损坏，而固件错误是根本的FPGA配置丢失，会引起系统级功能故障。然而，在地面和海平面或高海拔，中子和alpha辐射不会对真正的基于快闪的非易失性FPGA造成负面影响，因而这些器件极为适合医疗应用。在医疗应用中出现故障是不可容忍的，但是医疗系统中的辐射水平却可能高于一般环境。
　　专有算法是有效的4D成像的基础。美高森美公司(Microsemi)基于快闪技术的FPGA拥有超越SRAM FPGA产品的一项优势：设计安全性。一旦编程，不可能解码已使用的配置比特流。相反地，基于SRAM的FPGA在启动时始终必须读取其配置数据，有可能将关键设计信息暴露给某些试图逆向解析(reverse-engineer)设计的人。
　　
　　设计安全性越来越高，有助于确保这些先进系统的用户只能使用认可的备件和子系统。美高森美公司的每个cSoC产品均在制造时在内部储存了密匙。一个口令一应答系统(challenge―responsesystem)可以使用这些密匙来确保当启动时只有正确的功能存在于系统中。
　　虽然在市场上有若干csoc解决方案，但仅有美高森美公司专有开发的技术能够提供4D医疗成像设备制造商所需要的全部特性。

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