電子發燒友網核心提示：醫療內窺鏡的市場發展帶來了各種挑戰，例如，要求增強功能，更高的精度，更好的處理性能，以及更小的體積等。本文介紹Altera高級醫療內窺鏡系統解決方案，它使用了1080p視頻設計工作臺、DSP 構建模塊、參考設計，以及 Stratix? V、Cyclone? V 和 Arria? V FPGA 等。通過下文介紹，資深專家向您支招，教你懂得如何通過采用基于FPGA的方法來縮短高級醫療內窺鏡系統的開發時間。

　　引言

　　對內窺鏡檢查的需求在不斷增長，同時還需要不斷改進檢查過程，增強醫療設備的功能。全球競爭不斷加劇，導致各種新功能的出現，新市場的變化也非常快，開發周期越來越短，工程團隊必須集中精力提高核心競爭力，加強系統知識。工程師需要靈活的硬件平臺和支持各種平臺的工作臺工具，使他們能夠針對新標準或者標準的變化而對產品進行更新。此外，設計團隊必須更高效的進行開發工作。Altera? 1080p 視頻設計工作臺和28-nm FPGA提供了靈活的系統方法來滿足當前以及不斷發展的功能需求。

　　不斷增長的全球需求

　　很多因素導致對內窺鏡檢查的需求越來越強。今后數十年內，世界60歲以上的人口數量將會大幅度增長，對醫療衛生服務的需求也會隨之增長。而且，胃腸道患病人口在不斷增加，需要進行檢查和治療。越來越多的醫生采用內窺鏡檢查方法。很多政府報銷政策鼓勵非置入式治療，這有利于患者更快的恢復，從而降低了治療總成本，患者的體驗會更好。

　　很多國家增加了在醫療基礎設施上的投入，特別是加大了醫療設備的采購。反過來，這些新市場需求也擴大了對下一代內窺鏡系統的需求。設計團隊體驗到需求的不斷增長，而全球競爭導致他們推遲其產品發布計劃。

　　設備發展趨勢

　　內窺鏡系統需要越來越多的功能。很多內窺鏡平臺都是高清晰 （HD）系統。然而，隨著技術創新的不斷深入，外科醫生還是不斷要求更清晰的平臺。分辨率對圖像傳感器有很強的依賴性；而處理引擎和內插方法對于確定有效的分辨率非常重要。今后的平臺將需要更高的分辨率，例如，4K x 2K。

　　平臺差異化還體現在多數據流操作上。系統需要畫中畫、多路攝像機輸入的并排視圖或者錄像回放，以及多路圖像視圖 （同時播放四路或者更多的圖像）。用戶友好的GUI應支持從一種模式向另一種模式的切換。在手術室中，內窺鏡系統會包括多個外科手術級監視器，以便外科醫生和護士查看。在這些環境中，存檔圖像或者透視圖像會與輸入的內窺鏡視頻并排顯示。視頻路由器和監視器的視頻傳送必須支持各種接口標準，例如，SDI 和 HDMI，以及 DisplayPort、CameraLink 和 GigE Vision 等新出現的標準。設備平臺將支持多種標準，包括已有的和今后的，以及修訂更新或者更高級的算法。

　　其他增強功能包括越來越強的亮度、聚焦度、光學變焦能力，以及更好的高清晰數字變焦等。為支持更高效的設備和手術室應用，設備應具有較短的設置時間（例如，更快的白平衡）。其他的創新領域包括透鏡起霧解決方案等。

　　最后，和其他醫療設備一樣，也需要進一步減小外形體積。更高的集成度可以實現更小的便攜式車載系統，而更小的塔式系統使得更容易完成檢查后的清理工作。

　　技術要求

　　很多內窺鏡系統設備趨向于進一步提高處理性能，從而支持更高級的圖像算法。隨著圖像傳感器技術的進步，可以采集分辨率更高的數據流，進行預處理和后處理。系統需要處理來自攝像頭的大量圖像數據，在處理引擎中實現越來越復雜的處理功能。

　　設計人員需要在高性能處理器件中實現這些功能，例如，FPGA等，從而在多個平臺上實現靈活的性能。由于每一代器件能夠集成更多的處理資源（例如，邏輯單元（LE）、支持浮點的數字信號處理（DSP）資源、管芯存儲器以及更快的I/O支持等 ），因此，FPGA將成為技術節點的首選工藝。此外，FPGA固有結構使其能夠進行并行處理，這是圖像算法的優勢所在。

　　靈活的可編程 FPGA是圖像傳感器集成電路很好的輔助器件，這是因為此類器件能夠進行非線性處理。而且，FPGA 具有高性能 I/O 功能，支持 SDI、DVI、SAS/SATA 和 USB 等接口標準。

　　醫療視頻開發環境

　　Altera提供全面的設計環境，支持工程師迅速開發醫療內窺鏡圖像應用，提高設計效能。如圖1 所示，它包括1080p視頻設計工作臺，這一工作臺集成了Altera、Altera合作伙伴或者定制視頻處理知識產權（IP）模塊和流接口，連接所需的視頻顯示、傳送和存儲外部接口。在這一工作臺中，Altera提供的視頻開發套件含有各種參考設計。Altera 還提供 DSP Builder 軟件，這一高級設計工具集成了 MathWorks MATLAB 和Simulink軟件。設計人員可以使用這一軟件對各種算法進行建模，集成 1080p視頻設計工作臺。

　　
圖 1 Altera的醫療視頻開發環境

　　利用這一設計方法，醫療設備設計人員能夠將精力集中在增值功能上，更快的將概念構思變為產品。從低成本模型到高性能產品線，它還實現了更靈活的系統，可以將設計移植到不同的 Altera 器件中，突出產品優勢。

　　內窺鏡系統

　　圖2 顯示了物理設備：含有多個系統組件的內窺鏡塔。通過手控裝置，外科醫生可以操縱內窺鏡（剛性的或者柔性的），它包括透鏡、光通路、工具以及水 /氣出口等。通過光纖透鏡將內窺鏡探頭連接光源，產生受控的強光照明，外科醫生可以在手術過程中控制它。內窺鏡還連接攝像頭，它含有圖像傳感器（單芯片或者三芯片陣列）和視頻預處理器電子器件。由于攝像頭是手持式的，因此，它通常要求更小的外形。攝像頭連接至視頻處理盒，完成產生高質量視頻的處理功能。它還完成顯示和視頻傳送功能，將手術視頻傳送至本地顯示器，或者通過視頻路由器將視頻傳送至操作室的醫療級監視器上。內窺鏡塔還包括視頻錄像機或者存儲設備，因此，以后可以查看手術過程。最后，內窺鏡塔含有吹入器，將CO2 注入體內，以保持身體的壓力平衡。這種壓力使得醫療專家能夠查看或者對體內的器官和組織進行手術。

　　
圖2.內窺鏡塔（系統）圖

　　圖像數據通路和相應的處理功能可以在邏輯上分成三部分（參見圖3）：視頻處理；視頻后處理；視頻顯示和傳輸。

　　
圖 3. 內窺鏡系統功能圖

　　攝像頭視頻預處理

　　在原始視頻圖像的視頻采集和處理階段，內窺鏡攝像頭視頻采用了不同的圖像處理算法。圖像規劃人員使用高級軟件工具對各種算法和結果進行建模。設計人員可以使用開放源工具箱進行圖像寄存和分段處理。這些工具通過軟件對圖像應用和算法開發進行了優化，但并不在 FPGA 中實現。Altera 的定點和浮點設計方法、在 MATLAB 軟件中開發的算法，以及Simulink軟件中的系統級設計為設計人員提供了高效的DSP設計方法，實現了高性能FPGA。Altera還與業界經驗豐富的設計公司合作，提供攝像頭處理流水線算法解決方案和預處理功能。Altera Cyclone V 和 Arria V FPGA 滿足了這一視頻處理級的設計需求：

　　Cyclone V器件實現了業界最低的系統成本和功耗，其性能水平使得該器件系列成為突出您大批量應用優勢的理想選擇。

　　對于中端應用，Arria V FPGA 在成本和性能上達到均衡，總功耗也是最低的。

　　視頻后處理

　　視頻處理非常適合采用FPGA實現，特別是向1080p HD或者4K分辨率發展。使用Altera現有的視頻后處理解決方案，設計人員可以將精力放在某些目標市場的增值功能上。1080p工作臺可以采用Altera的IP內核視頻和圖像處理（VIP）套裝，它提供了在HDL或者 Simulink中開發的用戶定義的算法。采用Qsys系統集成工具，很容易在設計中集成標準流協議。

　　視頻顯示、傳送和存儲

　　Altera的 1080p視頻設計工作臺支持各種視頻和存儲接口，包括，SDI、DVI、HDMI、DisplayPort、CameraLink、SAS/SATA、USB、定制和專有標準。作為這一工作臺的一部分，Altera提供完整的上、下和交叉轉換 （UDX）參考設計，它具有雙通道視頻處理流水線，您可以迅速啟動設計。4K分辨率畫面清晰真實，是必須的視頻增強功能。4K視頻上轉換格式轉換參考設計通過3G-SDI接口接收1080p視頻格式，將其上轉換為4K x 2K分辨率，通過四路 3G-SDI接口進行輸出。

　　Altera 的內窺鏡系統解決方案

　　Altera的精度可調DSP、1080p視頻設計工作臺以及 4k參考設計能夠提高設計效能，有利于滿足醫療內窺鏡設備的設計需求。

　　28 nm 的精度可調 DSP

　　在任何高級醫療成像解決方案中，需要高性能DSP資源和高效的設計工具才能滿足系統要求。如圖4 所示，Altera 的 DSP Builder 工具結合精度可調 DSP 為視頻算法提供了高效的浮點或者定點DSP設計。

　　
圖 4. 定制定點或者浮點算法 DSP 解決方案

　　利用DSP Builder高級模塊庫，設計人員可以在MATLAB/Simulink 設計中進行高級Simulink 綜合以及時序驅動優化。采用 Simulink 等高級工具，滿足用戶設定的 fMAX 或者延時來進行設計優化，這一功能在Altera和一些供應商工具中是獨一無二的。基本上，這表明設計人員可以設定一個 “表盤”，為您的系統選擇合適的 fMAX 和延時，DSP Builder 工具會完成剩余的工作。工具會加入寄存器，以提高 fMAX，或者對某些關鍵通路進行并行處理，以滿足延時約束要求，避免了花費數星期手動處理得到的HDL代碼。

　　Altera 的 28-nm FPGA 自然支持單精度乘法器，非常適合定點和浮點實現。Altera 的Stratix V FPGA 具有獨特的精度可調 DSP 體系結構，性能高達每秒萬億次浮點操作（teraFLOPS）。

　　1080p 視頻設計工作臺

　　提高醫療設計團隊的效能需要使用高性能工作臺工具，這一工具應使用方便，支持各種功能和IP。雖然其他FPGA供應商提供一些單獨的視頻功能，而Altera是唯一提供包括20個視頻功能設計工作臺的供應商，支持流視頻接口標準，提供6個經過硬件驗證的參考設計，以及多種視頻開發套件。采用 Altera 的 1080p 視頻設計工作臺，設計人員開始已有的工作設計，在常見功能上重新使用經過預驗證的IP，例如，縮放、去隔行和合成，加入到定制功能或者 OEM的內部IP中，與從頭開發新設計相比，在更短的時間內完成設計。

　　VIP 套裝

　　1080p視頻設計工作臺的關鍵組成是IP內核 VIP套裝，如圖5 所示，用在各種圖像數據通路上。VIP套裝包括20個常用的構建模塊功能，從簡單的顏色空間轉換器和alpha混合合成器，到多相縮放和運動自適應去隔行等非常復雜的功能。此外，Altera合作伙伴提供圖像IP幫助您進行開發，以降低噪聲，進行邊沿探測和局部處理，使圖像穩定，或者旋轉圖像。

　　
圖 5. IP內核 VIP 套裝

　　廣播質量參考設計

　　可以在現有設備或者其他供應商的老一代視頻路由設備和醫療級監視器上安裝新的內窺鏡系統。這一設置要求新內窺鏡系統支持新的和已有的視頻標準。Altera的HD參考設計實現了隔行和逐行格式視頻標準清晰 （SD）、HD和3-Gbps視頻流的高質量UDX設計。這些參考設計軟件和硬件可配置，支持快速系統配置和設計。設計面向典型的廣播應用，可以用于醫療視頻應用中，實現高分辨率顯示、視頻交換機、多視角查看、轉換器以及遠程醫療會議等應用。請參考圖6。高性能 Stratix IV GX 和低成本 Arria V GX開發套件都提供這些參考設計。

　　
圖 6. 廣播質量參考設計結構圖

　　4K 視頻格式上轉換參考設計

　　在選擇設備時，內窺鏡外科醫生考慮的主要因素是較高的圖像分辨率。4K分辨率具有圖像更清晰、更逼真等優勢，因此，迅速成為今后主要的視頻增強功能。Altera減少了系統芯片總數，降低了最終產品的材料 （BOM）成本以及開發成本，簡化了電路板設計，從而更好的支持下一代應用。以前的系統需要多達 9個商用芯片來進行 4K格式轉換 （4 個 1080p 格式轉換芯片和 5 個用于 SDI 輸入輸出的芯片 ）。Altera 的 4K 視頻格式上轉換參考設計（參見圖7） 使用了一片 Stratix V FPGA （5SGXEA7） 中 20% 的資源。設計很容易集成，有足夠的余量從現有或者其他視頻源中實現畫中畫功能，以及其他視頻功能，例如，DisplayPort、HDMI 和視頻壓縮 （ 編碼 / 解碼 ） 處理等。使用Stratix V 器件還提供了 Altera FPGA新器件系列的移植途徑，支持設計人員使用新器件特性和功能。

　　
圖 7. 4K視頻格式上轉換參考設計結構圖

　　結論

　　在內窺鏡系統市場全球化發展背景下，需要更多的產品型號，同時還要縮短開發新平臺的時間。工程團隊應采用省時而又高效的設計方法。Altera 1080p 視頻設計工作臺提供了靈活的系統方法來處理當前以及不斷發展的功能需求。Altera 的 28-nm FPGA 增強了浮點DSP特性，高效的實現了高性能圖像功能。采用這些解決方案，醫療設備設計團隊能夠將精力集中在開發增值業務上，加速各種產品型號的面市。