Gus Lowell， Triple Ring Technologies
随着更多医疗系统整合实时数据分析，ATCA标准能有助于制造商保证可靠性的同时节省时间和成本。
成像
高级通信计算架构（ATCA）为大型数据和密集计算系统创建提供了一个标准平台和操作环境。该标准由PCI工业计算机制造商组织（PICMG）开发，已促进高可用性和高带宽电信应用的开发。最近，医疗、高能物理及其他应用开发商开始考虑在他们的非通信环境内采用ATCA平台，通过利用标准元件的优势来加快开发需要每秒T比特级(TOps/sec)数据采集和分析能力的运算系统。
医疗设备已开始集成多成像形式并集成实时分析或数据缩减流程，从而为手术提供改良的决策工具。面向高吞吐量数据采集和分析系统实施ATCA标准能大幅减少这种复杂系统所需的开发时间和费用，同时确保高可靠性、易维护性和状态监控。本文综合讨论ATCA标准、针对复杂医疗成像系统的应用，以及ATCA成套技术如何应用于医疗系统。
ATCA概况
ATCA标准是面向电信工业，为促进高速和高可靠性元件互用性而开发的。采用这些标准对系统设计、集成和制造大有帮助。自最初开发以来，ATCA已在xTCA总标准下拥有了一整套相关标准。
最初的ATCA规范定义了一个标准的8-U高19英寸机架可安装的底盘或机箱，集成了一块背板，能容纳高达16片插卡或刀片（图1）。每个刀片插到机箱的一个插槽或节点内，在标准规定下可插最多不超过16个可用插槽。机箱和背板到刀片的连接提供了冗余电源、标准时基源、一个冗余控制板（基本接口）、一个数据板（fabric结构，通过它来路由指令及控制流和应用数据。）它们还提供多种多样的电信支持功能，如振铃信号。此外，每个机箱提供冗余的专用处理模块称为机箱管理器，能追踪机箱内的已安装卡和多种冗余机箱支持部件如冷却和电源系统。
图1. 摘自PICMG 3.0简化规范的ATCA标准结构图
ATCA规范还定义了机箱内刀片顶部后方转角处的无障碍空间，为安装用户定义的连接器而预留。机箱在背板后部有一些位置，可安装专用后向转换模块(RTM)并与上述连接器配对。这为输入/输出信号布线提供了通过机箱后端而不是通过前端面板的强适应性机制。
因为针对ATCA标准刀片定义的8U卡代表了一种比一些应用所需的部件较大的现场可替换部件，第二种标准即高级夹层卡(AMC)规格，是为了定义能被插入ATCA机箱内特别设计的刀片式载板的较小型模块而开发。AMC模块高近约2U，因此最多4块能被垂直安装进适当装备好的载板内。
第三种标准定义了一种MicroTCA (μTCA)机箱，AMC模块可被直接插入，而无需使用ATCA载板。μTCA机箱与ATCA机箱一样，为机箱管理和其它特性提供了类似的支持，但是它对使用数据平面架构（data plane fabric）设置了更多的限制。
ATCA机箱的控制平面规定使用1000-base-T作为其传输协议。控制平面分布配置为双星，在机箱内有两个节点（逻辑插槽1和2）被指派为控制平面分布的集线器，所有其它节点到每个集线器均有单个专用的1000-base-T链接。已假定集线器插槽内安装的刀片将提供单个节点链路接入适合的控制平面网络所需的交换功能。
ATCA机箱的数据平面定义为协议未知，比如，背板只提供专用传输协议布线所需的线路。数据平面分布可能有不同配置：所提供的背板将实现一种配置，该配置必须专用作机箱配置的一部分。ATCA规范特别定义了三种拓扑类型：
双星：等同于控制平面分布，逻辑插槽1和2预留为集线器插槽，每个其它节点各有确切的连到每个集线器的结构通道，每个节点和集线器之间总共有两个通道。
双双星：双星的扩充版本，在逻辑插槽3和4内带有额外的两个集线器。除了双星通道，每个其它节点各有连到额外集线器的确定的结构通道，每个节点和集线器之间总共有四个通道。
全网：每个节点到其它节点各有确定的Fabric结构通道。双星和双双星配置是全网配置的子集。每个节点到每个集线器插槽（1到4）均有一个通道，但此外，它还有到每个其它节点的链接。
ATCA数据架构内的一个端口由一个全双工通信通道（两个接线对）组成。ATCA数据架构内的一个通道由四个端口组成。双星配置是最通用的，其次是全网。即使在全网配置内，采用控制平面也需要专用集线器插槽（1和2）具备一些交换能力。所以，即使当时用全网数据平面时，那些插槽通常仍将为特殊化的集线器刀片而预留。因为数据平面是协议未知的，PICMG已制定了几个子标准，描述了如何在ATCA架构上使用特定传输协议。规范制定的协议包括1 Gb和 10 Gb以太网、串行RapidIO、Infiniband和PCIe。
电信效应
对于电信应用，最常用的协议传统上是1Gb以太网，10 Gb以太网近来作为替代协议提供更多的带宽。所以，由于电信工业是迄今为止ATCA平台最大的用户，1 和 10 Gb以太网成为ATCA机箱内使用的事实上的传输标准。要在市场上找到使用其它传输协议的交换集线器或刀片很困难或者不大可能。μTCA平台已开发出更广阔的应用，在非电信市场内，数据采集和控制处理器供应商已开始采用PCIe作为AMC模块和μTCA机箱事实上的标准，其应用原因有双重。
首先，单一ATCA通道能传送四条1 Gb或两条10 Gb以太网链接或一条四路PCIe链接。因为第二代 PCIe定为每路4 Gb/sec，x4 PCIe链接四倍于1-Gb链接的带宽，大约80%于双10-Gb链路的带宽。然而，10-Gb仍然是支持有限（但一直在增长）的新兴标准，在ATCA通道内采用两条10-Gb链接，在当前的技术水准下不是标准配置。因此，在当前应用下PCIe提供优于单10-Gb链接大约1.6倍的带宽优势，并采用了一种获得商用计算平台良好支持的成熟技术。
其次，PCIe协议栈、布线和平面分割及线路分割与集合全部以硬件形式实现，为软件接口提供了简单的存储映射API。从而使PCIe接口以软件形式的实现，尤其以可编程阵列固件形式，用于以太网链接时比提供TCP/IP堆栈要简单得多。这还导致延迟比以太网链接能提供的更低（在当前一代的交换机内通常少于200 ns/hop）。
然而，ATCA和μTCA就传输协议的差异意味着难以在μTCA 和 ATCA机箱内使用相同的基于PCIe的AMC模块。在近来的探讨中，ATCA部件供应商指出，对支持PCIe作为背板协议兴趣乏善可陈，因为他们最大的客户——电信工业——不希望采用它。所以电信工业之外更广泛普及ATCA的首要障碍是缺乏兼容PCIe标准元件。
采用PCIe规格的ATCA的模块
如果可以获得，一些符合ATCA的PCIe协议模块能被单独使用或者被希望采用PCIe 作为数据分配协议的ATCA用户用作集成开发系统——不仅因其自身优点，而且也用于促进当前μTCA平台可用的基于PCIe的AMC模块的集成。目前正在开发的兼容ATCA的PCIe协议模块的例子包括：
一个ATCA交换刀片，实现面向控制平面的1000-base-T交换和面向数据平面的PCIe交换。
一个AMC载板刀片，提供标准AMC模块上PCIe连接与ATCA架构上PCIe网络之间的接口。
一个采用一片MPPA处理器的高性能数据处理AMC模块，处理能力高达至1 TOps/sec。多达4个模块可被安装进AMC载板刀片内，以提供刀片上的处理能力高达5 TOps/sec。作为选择，这些模块可被直接安装进现成的μTCA机箱内。
这些模块，与标准ATCA或μTCA机箱一起，将提供所有必要的元件，以创建处理能力达TOps/sec速度级的通用数据采集和处理系统。一个载板刀片内或一个μTCA机箱内安装的标准的现成的AMC模块能提供宽范围的信号I/O功能。处理模块对这些数据进行高性能处理，集线器交换机支持的PCIe架构提供了ATCA机箱内信号I/O与处理模块之间传送数据所需的连接性。图2-4给出了模块规格和方框图。
图2. ATCA基础架构和PCIe数据架构交换方框图(点击查看大图)
图3. ATCA AMC载板与PCIe数据架构接口方框图(点击查看大图)
图4. AMC大规模并行处理器阵列(MPPA)与PCIe数据架构接口方框图(点击查看大图)
应用
以下部分给出了ATCA用于低剂量X光透视检查医疗成像系统的例子。它强调了对于这种复杂系统采用ATCA标准对开发时间所产生的影响。该例还为当前和新兴医疗应用使用ATCA元件提供了一般指导。
ATCA标准过去被应用于实时层析X 射线成像系统的开发中。该系统旨在用于心血管造影，具有的好处是减少10倍对病人的X射线剂量，对手术人员减少5倍，并在指定的视频图像内提供改进的图像分辨率和校正过的绝对特征尺寸。它由一个安置在病人身体下方的大面积扫描束X射线源阵列，以及一个安放在病人身体上方相对远距离的小面积单光子计数检测器所组成（见图5）。相对于当今的血管造影术系统，该配置被反转。三种新型元件的组合——源检测器相对几何尺寸，高灵敏度检测器，及大面积X射线源——与当前系统相比信噪比明显改进，实现了X线断层摄影成像系统。
图5.传统血管造影术系统（右）及反向实时成像系统（左）的大小对比
产生的数据收集、数据传输、层析 X 射线图像重组及视频率显示要求展现出了重大的电气和软件工程设计挑战。该系统自X射线检测器产生160 Gb/sec的原始数据。图像层析 X 射线组合必须实现40 Gb/sec的输入，并保持与扫描束X射线发生器同步。实时层析 X 射线图像综合系统输出每秒30帧1000×1000像素图像的32个焦平面，需要每秒近1.4万亿次的数学运算。
此外，该系统的设计必须能适应频繁的现场升级、配置管理和维护。这些要求的结合促成了一种来自于电信工业的系统架构和元件选择，从而采用ATCA标准和元件，实现了高可靠性、高数据吞吐量能力和分布式设备。
ATCA标准还提供以下性能：
- 由智能平台管理能力实现的机架级和元件级自动化配置管理和追踪，通过标准机箱控制器。
- 标准化的控制和数据平面结构。
- 控制、数据和电源全冗余。
据估计，对元件和开发平台采用ATCA标准和相关的商用结构为开发团队节省了5年的成效。
其它医疗设备应用
一般来说，ATCA元件对任何需要实时处理或巨量数据传输的系统都有用。ATCA的明显优势包括：
- 对超计算能力高计算密度转化为小占位面积。
- 标准内置超高可靠性，实现冗余的控制、数据、电源、冷却及其它系统。
- 标准系统健康及状况监测及更新管理。
- 现成元件的快速及模块化配置加快开发时间并减少费用。
- 可扩展性允许系统容量扩展，但保持结构完整无缺。
- 开放源标准简化应用开发、供应商兼容性及元件多重采购。
- 热切换元件简化维护并减少系统停机时间。
结论
ATCA展现出的优势对许多医疗应用都很重要，包括成像系统如超声波、X光透视检查、计算化的X线断层摄影术及磁共振成像。ATCA适用于出于诊断、治疗或图像引导的手术目的而需要将原始数据实时处理为视频流并储存及提取大量图像数据组的成像系统。它还能用于需要快速提取图像数据组以观看手术前或手术进行中发生情况以及需要处理和传输图像数据的远程医疗应用的医院数据管理系统。从制造和支持愿景来看，医疗设备具有与时俱增的类似于电信系统的需求，如果没有超过后者的话。
基于ATCA的系统设计用于超高可靠性和易维护性。从最终用户角度看，医疗设备主要部分毁坏或从档案中无法提取数据可影响医院收入，并且对病人后果产生重大影响。
参考文献
1.EG Solomon et al., “Scanning Beam Digital X-Ray (SBDX) System for Cardiac Angiography,” Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering 3659 (1999): 246–257.
2.AP Lowell and W Sun, “Real-Time X-Ray Tomosynthesis Imaging Using an ATCA General-Purpose Data Acquisition and Analysis Platform,” IEEE Nuclear Science Symposium Conference
Record (2008): 27–31.