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医療分野におけるFPGAの活用

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現代の医療技術は、私たちの健康と幸福に多大な影響を与えています。超音波や内視鏡カメラなどの診断機器からロボット支援手術まで、さまざまな技術が、現在実行可能な医療のレベルを大幅に向上させています。もちろん、手術で使用される医療用電子機器は、誤ったデータが引き起こす可能性のある結果を考慮し、最高水準の認可を必要とすることがほとんどです。これらの基準は、多くのエンドユーザーアプリケーションに求められる高性能と安全性を同時に実現することを目的としています。そこでFPGAが活躍します。

FPGAが一般的な高性能アプリケーションに最適であるのと同様に、医療用アプリケーションにも理想的なものとなる要素が豊富に備わっています。FPGAは、並列プログラマブルロジックリソースによる高いパフォーマンスに加え、決定論的で遅延の少ないレスポンスを実現します。また、高い信頼性を備えたステートマシン、三重モジュール冗長実装、内部メモリにおけるシングルエラー訂正とダブルエラー 検出（SECDED）コードの使用など、安全性とセキュリティ構造の実装も 可能にします。これらは、構成の修正、セキュアな構成、構成メモリの保護など、デバイス自体に備わっている機能と組み合わせたユーザー空間機能です。ここで注意点として、FPGAは医療機器の重要な一部であるものの、必要な認可を確実に取得した医療機器を開発するには、明確なプロセスに従ったシステムエンジニアリングに基づくアプローチが必要であることを認識する必要があります。

 

医療用画像処理におけるFPGA

 

医療用FPGAの主な用途のひとつは医療用画像処理であり、磁気共鳴画像法(MRI)やコンピュータ断層撮影(CT)などの3D画像システムや、超音波のような2D画像システムが含まれます。

3D MRI技術は、スキャン中もスキャン後も、膨大な処理を必要とします。スキャンは2つの要素から構成されます。データが取得されるスキャンと、それに続く再構成です。スキャン中、データサンプルはあらかじめ定義された軌跡に沿って取得されます。これらのサンプルは基本的に空間的なものであり、k空間領域と呼ばれるものです。取得したサンプルを理解可能な画像に変換する作業は、再構成の段階で行われます。MRIは、高解像度の画像生成、低信号対雑音比の維持、高速スキャン所要時間の短縮という、解決困難な課題に直面しています。

画像再構成の複雑さはサンプリング軌道に左右されます。シンプルな直交スキャン方向により、k空間サンプルがグリッドに整列され、高速フーリエ変換(FFT)を用いた迅速な画像再構成が可能になります。例えば、らせん状の軌跡のような非直交スキャンでは、k空間サンプルがより複雑なパターンで整列されるため、高度な画像再構成アルゴリズムが必要となります。

これらのアルゴリズムは、FPGAロジックの並列処理能力を活用して、必要な複数のFFTとその他の再構成アルゴリズムを実装することができます。これらのアルゴリズムの開発を加速させるには、Vitis HLS、Vitis Model Composer、MATLAB HDL coderなどの高レベルフレームワークを使用して実装することができます。このような高度なフレームワークにより、開発者は実装するアルゴリズムに集中することができ、その基盤となる実装に気を取られることがなくなります。この高度なアプローチにより、開発期間の短縮が可能になります。

 

ロボット手術におけるFPGA

 

医療分野において医療用画像は重要な役割を果たしていますが、医療技術におけるより画期的な側面のひとつがロボット手術です。ロボット手術では、ロボットとそのアクチュエータは外科医によって制御および監視されます。このロボットは、人間の組織を切断・操作するように設計されたアクチュエータを使用することで、患者と物理的に相互作用するため、患者の治療状況に悪影響を及ぼすような不具合が生じないよう、開発時には細心の注意を払わなければなりません。

ロボット手術を成功させるには、ロボットと外科医が手術部位を明瞭に見ることができるよう、高性能で低遅延の画像処理を組み合わせる必要があります。切開範囲を小さくするために、手術ロボットには器用さが必要であり、そのためにはアクチュエータやエンドエフェクタを正確に制御する必要があります。つまり、モータ駆動システムは正確で、スムーズで、ジッターのないものでなければなりません。アクチュエータの位置報告も非常に正確に決定されなければならず、高い分解能が要求されます。

ロボット手術に必要な画像処理システムの実装に関しては、FPGAは素晴らしいソリューションを提供できます。そのプログラマブルロジックは、低レイテンシーで決定論的な画像処理チェーンの実装を可能にします。これは、ロボットアクチュエータを誘導する際にまさに必要とされるものです。FPGAはまた、必要に応じて複数のカメラをサポートするために複数のパイプラインを並行して実装することも可能で、ロボットと外科医の状況認識をさらに向上させます。

また、プログラマブルロジックにより、複数のモータ位置決めおよび駆動アルゴリズムを実装することができ、複数の要素を並行して実装することで、システムの応答性と決定性がさらに向上します。

FPGAが適切に開発され、医療技術に実装されることで、手術ロボットは切開の大きさや処置の侵襲性を最小限に抑え、患者の予後を改善することができます。その結果、合併症が減少、回復期間が短縮、患者の入院期間の短縮、手術後の痛みの軽減、感染症のリスクの低下、美容的な結果などが向上します。

このような利点があるため、ロボット支援手術は、臨床外科や医療の分野で最も急速に成長している分野のひとつとなっています。

 

まとめ

 

医療画像は、 医療従事者が人体をより詳細に理解し、治療の進歩を可能にする重要な技術です。さらに、ロボット手術は、より低侵襲な手術を可能にする能力のおかげで、患者の予後を大幅に改善することができました。FPGAは、これらの医療技術を可能にし、進歩させ、より良い医療を実現する上で中心的な役割を果たします。