医疗设备3D图形挑战系统硬件开发

启用嵌入式图形性能可能是当今开发人员面临的最具挑战性的设计问题之一。即使设计人员使用迄今为止最通用、最节能和技术最先进的 x86 处理器，板载图形性能仍然是一项无法满足需求的功能。由于对 3D、以媒体为中心的嵌入式应用程序的日益依赖正在重塑和改善最终用户体验，某些高速增长的嵌入式市场只是需要更多——通过医疗系统中更详细的成像技术取得的治疗进步就说明了这一点。更好的成像技术在从诊断到手术的所有治疗领域为医生提供支持，为 X 射线等传统技术增加了新的价值，这些技术会丢失体积数据并仅在两个维度上描绘患者。相比之下，3D 功能可保持图像的体积，例如添加更多关于肿瘤形状、大小和位置的信息。对于开发人员而言，这种演变更加关注图形需求，将其作为考虑性能和寿命的整体开发计划的一部分——确保图形生命周期满足医疗环境中长期嵌入式部署的性能预期。

当面临在不太复杂的板载图形或缺乏嵌入式部署所需的固有寿命的更强大的商业解决方案之间进行选择时，理想的选择是什么？牺牲性能不是一种选择，嵌入式系统开发人员必须仔细计划以保持图形可用性、寿命和一致性。

对比 2D 和 3D 要求

x86 处理器的稳步进步包括 CPU、图形和媒体性能的显着改进，第 4 代英特尔酷睿处理器（以前代号为 Haswell）就是例证。第 4 代 Intel Core 处理器包括用于处理高级图形处理的 HD 4600 GPU，其功能针对 2D 应用程序和媒体功能（如高分辨率成像或高清视频播放）进行了优化。

相比之下，较新的显卡旨在提高 3D 图形性能，其功能几乎类似于用于补充 CPU 性能的数学协处理器。在不影响 CPU 资源的情况下，它们可以轻松处理复杂 3D 可视化所需的极端计算计算。物体的哪一面是可见的或有阴影的，当光线落在图像上时亮度会下降到哪里，图像转动的平滑程度——这些类型的运动需要强大的计算能力，必须从主板或 CPU 中卸载。

解决图形处理差距

x86 和基于卡的图形性能之间的差异似乎是一个永久性问题，因为英特尔的嵌入式路线图中没有提到 3D 功能。板载 HD 4600 GPU 是一种经过验证的强大选项，旨在适应最终用户的音频-视频体验，并非旨在处理 3D 应用程序的繁重处理要求；改变这种模式的成本将令人望而却步。例如，目前的显卡比第四代英特尔酷睿 CPU 本身具有更多的晶体管，因此板载视频不太可能与独立显卡处理选项相比具有优势。（英伟达的 Kepler 一代 GPU 产品包含 70 亿个晶体管。）像英伟达这样的图形技术玩家只需专注于提高图形性能，

然而，医学成像等市场的嵌入式开发人员必须始终如一地满足对 3D 图形的需求。诊断已经远远超越了平面屏幕图像，而是依赖于显示体积和大小的实时图像；手术室可能配备 4K 显示器，以尽可能最佳的图像指导手术。这些领域确实必须依靠长寿命的商用卡来实现 3D 图形功能——要求一种在板载 x86 选项之外思考的设计策略。

并非所有显卡都是一样的

显卡有不同的风格，这可能会增加一些可供嵌入式设计人员考虑的选项。最初为游戏玩家或创客市场设计的商用卡提供了一些可用的最强大的图形性能——但在医疗系统材料管理的宏伟计划中，它们的平均一年生命周期通常是站不住脚的。这不是不可能的，但是这种类型的卡增加了大量的预先计划，以维持多年、扩展部署的系统性能，最终导致大量的持续工程成本。

长寿命商业卡是一种替代方案，尽管与传统嵌入式路线图上的组件相比，“长寿命”意味着不同的东西。显卡的长寿命可能被定义为三年，与普通商用卡相比，成本要高得多。这是一个新选项，嵌入式设计人员可能并不熟悉。成本最初可能是一个因素，但应该仔细评估，因为这些卡可以长期降低运营成本。可能需要新的软件规范、工具或编译器来适应新卡；可能需要重新认证软件，而且通常比硬件认证过程更具挑战性和成本更高。在三年的生命周期中，系统运营商面临这种情况的频率更低，重新认证、系统测试、或驱动程序更改会增加维护图形性能的复杂性和成本。对于医疗 OEM 和开发人员而言，这在最大限度地减少额外的 FDA 重新认证方面增加了关键价值。

致力于基于卡片的图形

Nvidia 是公认的显卡芯片主要供应商，包括商业级 GeForce 和长寿命 Quadro 系列。该公司也是 CUDA 核心的创始人，用于动画或模拟等计算密集型应用，在 3D 设计环境中非常受欢迎。

Nvidia 的卡使用称为 PhysX 的专有技术执行图形功能，这是一种可扩展的多平台解决方案，旨在满足物理算法的独特要求。通过其 CUDA 内核加速，PhysX 实现了模拟驱动的效果，并代表了一个与通用 CPU 大不相同的计算环境——它的主要重点是确定对象如何移动并对其周围环境做出反应。其他图形解决方案依赖于 OpenCL 技术，这是一种用于为并行处理和高性能图形处理提供异构计算平台的开放标准。许多 3D 应用程序（例如医学成像、工业视觉或培训和模拟）仅包含对专有 PhysX 架构的支持。一旦系统基于 PhysX，

建设长寿

致力于基于卡的图形促使开发人员在设计阶段早期将淘汰计划作为战略考虑。在开发的初始步骤中与制造合作伙伴合作可确保最大数量的灵活选项，这些选项根据 OEM 需求、数量和要求而有所不同。备货计划可能包括根据 OEM 预测采购零件；保税计划采购组件，然后根据 OEM 的采购订单和预测进行库存和持有。一些设计需要更安全的合作伙伴库存计划，优化以管理更短的生命周期，Corvalent 的基于采购订单的不可取消采购可实现长期、一致的组件库存。

鉴于 3D 性能的独特设计挑战，OEM 可能没有完全意识到创建长期保税产品的要求，需要确保所有正确的问题都作为整体设计策略的一部分得到解决。制造关系通过与 Nvidia 和 Intel 等供应商密切合作来增加价值，确保一致、提前发出报废通知，以实现最有效的组件管理。

通过战略规划满足医疗保健市场预期

优化长期性能是一种平衡行为，它增加了已经具有挑战性的医疗设计过程的复杂性。系统设计人员通常会寻找可用的最新和最强大的图形处理器 - 不知道他们正在考虑面向游戏社区的组件并绕过可能更适合嵌入式设计策略的商业图形选项；同时，必须支持医疗系统的原始设备制造商认识到需要在这与更长寿命的组件之间取得平衡。风险分析胜出，该小组通常将即时成本与长期拥有成本作为决定因素进行评估。

以 3D 形式查看患者图像正在稳步改进治疗选择——更好的数据有助于从手术、创伤情况或常规治疗等各种医疗环境。随着基于图形的应用程序在临床决策中变得越来越普遍，了解选项至关重要，包括 x86 板载处理器以及商用和长寿命显卡的功能。必须根据整体系统策略来评估新的、延长寿命的显卡及其相关成本。更高的前期成本降低了医疗部署的长期总拥有成本——为更换或升级卡提供更有效的途径，并兑现 3D 应用程序的承诺。这种设计方法需要规划，依靠技术和经验丰富的制造商支持来确保使用寿命。

审核编辑：郭婷