電子發(fā)燒友網(wǎng)核心提示：醫(yī)療內(nèi)窺鏡的市場(chǎng)發(fā)展帶來(lái)了各種挑戰(zhàn)，例如，要求增強(qiáng)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(jí)醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案，它使用了1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)、DSP 構(gòu)建模塊、參考設(shè)計(jì)，以及 Stratix? V、Cyclone? V 和 Arria? V FPGA 等。通過(guò)下文介紹，資深專(zhuān)家向您支招，教你懂得如何通過(guò)采用基于FPGA的方法來(lái)縮短高級(jí)醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

　　引言

　　對(duì)內(nèi)窺鏡檢查的需求在不斷增長(zhǎng)，同時(shí)還需要不斷改進(jìn)檢查過(guò)程，增強(qiáng)醫(yī)療設(shè)備的功能。全球競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，導(dǎo)致各種新功能的出現(xiàn)，新市場(chǎng)的變化也非?？?，開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，工程團(tuán)隊(duì)必須集中精力提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)系統(tǒng)知識(shí)。工程師需要靈活的硬件平臺(tái)和支持各種平臺(tái)的工作臺(tái)工具，使他們能夠針對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)或者標(biāo)準(zhǔn)的變化而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更新。此外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須更高效的進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作。Altera? 1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)和28-nm FPGA提供了靈活的系統(tǒng)方法來(lái)滿(mǎn)足當(dāng)前以及不斷發(fā)展的功能需求。

　　不斷增長(zhǎng)的全球需求

　　很多因素導(dǎo)致對(duì)內(nèi)窺鏡檢查的需求越來(lái)越強(qiáng)。今后數(shù)十年內(nèi)，世界60歲以上的人口數(shù)量將會(huì)大幅度增長(zhǎng)，對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)的需求也會(huì)隨之增長(zhǎng)。而且，胃腸道患病人口在不斷增加，需要進(jìn)行檢查和治療。越來(lái)越多的醫(yī)生采用內(nèi)窺鏡檢查方法。很多政府報(bào)銷(xiāo)政策鼓勵(lì)非置入式治療，這有利于患者更快的恢復(fù)，從而降低了治療總成本，患者的體驗(yàn)會(huì)更好。

　　很多國(guó)家增加了在醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施上的投入，特別是加大了醫(yī)療設(shè)備的采購(gòu)。反過(guò)來(lái)，這些新市場(chǎng)需求也擴(kuò)大了對(duì)下一代內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的需求。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)體驗(yàn)到需求的不斷增長(zhǎng)，而全球競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致他們推遲其產(chǎn)品發(fā)布計(jì)劃。

　　設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

　　內(nèi)窺鏡系統(tǒng)需要越來(lái)越多的功能。很多內(nèi)窺鏡平臺(tái)都是高清晰 （HD）系統(tǒng)。然而，隨著技術(shù)創(chuàng)新的不斷深入，外科醫(yī)生還是不斷要求更清晰的平臺(tái)。分辨率對(duì)圖像傳感器有很強(qiáng)的依賴(lài)性；而處理引擎和內(nèi)插方法對(duì)于確定有效的分辨率非常重要。今后的平臺(tái)將需要更高的分辨率，例如，4K x 2K。

　　平臺(tái)差異化還體現(xiàn)在多數(shù)據(jù)流操作上。系統(tǒng)需要畫(huà)中畫(huà)、多路攝像機(jī)輸入的并排視圖或者錄像回放，以及多路圖像視圖 （同時(shí)播放四路或者更多的圖像）。用戶(hù)友好的GUI應(yīng)支持從一種模式向另一種模式的切換。在手術(shù)室中，內(nèi)窺鏡系統(tǒng)會(huì)包括多個(gè)外科手術(shù)級(jí)監(jiān)視器，以便外科醫(yī)生和護(hù)士查看。在這些環(huán)境中，存檔圖像或者透視圖像會(huì)與輸入的內(nèi)窺鏡視頻并排顯示。視頻路由器和監(jiān)視器的視頻傳送必須支持各種接口標(biāo)準(zhǔn)，例如，SDI 和 HDMI，以及 DisplayPort、CameraLink 和 GigE Vision 等新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備平臺(tái)將支持多種標(biāo)準(zhǔn)，包括已有的和今后的，以及修訂更新或者更高級(jí)的算法。

　　其他增強(qiáng)功能包括越來(lái)越強(qiáng)的亮度、聚焦度、光學(xué)變焦能力，以及更好的高清晰數(shù)字變焦等。為支持更高效的設(shè)備和手術(shù)室應(yīng)用，設(shè)備應(yīng)具有較短的設(shè)置時(shí)間（例如，更快的白平衡）。其他的創(chuàng)新領(lǐng)域包括透鏡起霧解決方案等。

　　最后，和其他醫(yī)療設(shè)備一樣，也需要進(jìn)一步減小外形體積。更高的集成度可以實(shí)現(xiàn)更小的便攜式車(chē)載系統(tǒng)，而更小的塔式系統(tǒng)使得更容易完成檢查后的清理工作。

　　技術(shù)要求

　　很多內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)備趨向于進(jìn)一步提高處理性能，從而支持更高級(jí)的圖像算法。隨著圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步，可以采集分辨率更高的數(shù)據(jù)流，進(jìn)行預(yù)處理和后處理。系統(tǒng)需要處理來(lái)自攝像頭的大量圖像數(shù)據(jù)，在處理引擎中實(shí)現(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜的處理功能。

　　設(shè)計(jì)人員需要在高性能處理器件中實(shí)現(xiàn)這些功能，例如，F(xiàn)PGA等，從而在多個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)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(diǎn)的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）資源、管芯存儲(chǔ)器以及更快的I/O支持等 ），因此，F(xiàn)PGA將成為技術(shù)節(jié)點(diǎn)的首選工藝。此外，F(xiàn)PGA固有結(jié)構(gòu)使其能夠進(jìn)行并行處理，這是圖像算法的優(yōu)勢(shì)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?yàn)榇祟?lèi)器件能夠進(jìn)行非線性處理。而且，F(xiàn)PGA 具有高性能 I/O 功能，支持 SDI、DVI、SAS/SATA 和 USB 等接口標(biāo)準(zhǔn)。

　　醫(yī)療視頻開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　Altera提供全面的設(shè)計(jì)環(huán)境，支持工程師迅速開(kāi)發(fā)醫(yī)療內(nèi)窺鏡圖像應(yīng)用，提高設(shè)計(jì)效能。如圖1 所示，它包括1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)，這一工作臺(tái)集成了Altera、Altera合作伙伴或者定制視頻處理知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）模塊和流接口，連接所需的視頻顯示、傳送和存儲(chǔ)外部接口。在這一工作臺(tái)中，Altera提供的視頻開(kāi)發(fā)套件含有各種參考設(shè)計(jì)。Altera 還提供 DSP Builder 軟件，這一高級(jí)設(shè)計(jì)工具集成了 MathWorks MATLAB 和Simulink軟件。設(shè)計(jì)人員可以使用這一軟件對(duì)各種算法進(jìn)行建模，集成 1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)。

　　
圖 1 Altera的醫(yī)療視頻開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　利用這一設(shè)計(jì)方法，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒕性谠鲋倒δ苌?，更快的將概念?gòu)思變?yōu)楫a(chǎn)品。從低成本模型到高性能產(chǎn)品線，它還實(shí)現(xiàn)了更靈活的系統(tǒng)，可以將設(shè)計(jì)移植到不同的 Altera 器件中，突出產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。

　　內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

　　圖2 顯示了物理設(shè)備：含有多個(gè)系統(tǒng)組件的內(nèi)窺鏡塔。通過(guò)手控裝置，外科醫(yī)生可以操縱內(nèi)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(guò)光纖透鏡將內(nèi)窺鏡探頭連接光源，產(chǎn)生受控的強(qiáng)光照明，外科醫(yī)生可以在手術(shù)過(guò)程中控制它。內(nèi)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(yù)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(chǎn)生高質(zhì)量視頻的處理功能。它還完成顯示和視頻傳送功能，將手術(shù)視頻傳送至本地顯示器，或者通過(guò)視頻路由器將視頻傳送至操作室的醫(yī)療級(jí)監(jiān)視器上。內(nèi)窺鏡塔還包括視頻錄像機(jī)或者存儲(chǔ)設(shè)備，因此，以后可以查看手術(shù)過(guò)程。最后，內(nèi)窺鏡塔含有吹入器，將CO2 注入體內(nèi)，以保持身體的壓力平衡。這種壓力使得醫(yī)療專(zhuān)家能夠查看或者對(duì)體內(nèi)的器官和組織進(jìn)行手術(shù)。

　　
圖2.內(nèi)窺鏡塔（系統(tǒng)）圖

　　圖像數(shù)據(jù)通路和相應(yīng)的處理功能可以在邏輯上分成三部分（參見(jiàn)圖3）：視頻處理；視頻后處理；視頻顯示和傳輸。

　　
圖 3. 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)功能圖

　　攝像頭視頻預(yù)處理

　　在原始視頻圖像的視頻采集和處理階段，內(nèi)窺鏡攝像頭視頻采用了不同的圖像處理算法。圖像規(guī)劃人員使用高級(jí)軟件工具對(duì)各種算法和結(jié)果進(jìn)行建模。設(shè)計(jì)人員可以使用開(kāi)放源工具箱進(jìn)行圖像寄存和分段處理。這些工具通過(guò)軟件對(duì)圖像應(yīng)用和算法開(kāi)發(fā)進(jìn)行了優(yōu)化，但并不在 FPGA 中實(shí)現(xiàn)。Altera 的定點(diǎn)和浮點(diǎn)設(shè)計(jì)方法、在 MATLAB 軟件中開(kāi)發(fā)的算法，以及Simulink軟件中的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)人員提供了高效的DSP設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了高性能FPGA。Altera還與業(yè)界經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)公司合作，提供攝像頭處理流水線算法解決方案和預(yù)處理功能。Altera Cyclone V 和 Arria V FPGA 滿(mǎn)足了這一視頻處理級(jí)的設(shè)計(jì)需求：

　　Cyclone V器件實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最低的系統(tǒng)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(yīng)用優(yōu)勢(shì)的理想選擇。

　　對(duì)于中端應(yīng)用，Arria V FPGA 在成本和性能上達(dá)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(shí)現(xiàn)，特別是向1080p HD或者4K分辨率發(fā)展。使用Altera現(xiàn)有的視頻后處理解決方案，設(shè)計(jì)人員可以將精力放在某些目標(biāo)市場(chǎng)的增值功能上。1080p工作臺(tái)可以采用Altera的IP內(nèi)核視頻和圖像處理（VIP）套裝，它提供了在HDL或者 Simulink中開(kāi)發(fā)的用戶(hù)定義的算法。采用Qsys系統(tǒng)集成工具，很容易在設(shè)計(jì)中集成標(biāo)準(zhǔn)流協(xié)議。

　　視頻顯示、傳送和存儲(chǔ)

　　Altera的 1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)支持各種視頻和存儲(chǔ)接口，包括，SDI、DVI、HDMI、DisplayPort、CameraLink、SAS/SATA、USB、定制和專(zhuān)有標(biāo)準(zhǔn)。作為這一工作臺(tái)的一部分，Altera提供完整的上、下和交叉轉(zhuǎn)換 （UDX）參考設(shè)計(jì)，它具有雙通道視頻處理流水線，您可以迅速啟動(dòng)設(shè)計(jì)。4K分辨率畫(huà)面清晰真實(shí)，是必須的視頻增強(qiáng)功能。4K視頻上轉(zhuǎn)換格式轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)通過(guò)3G-SDI接口接收1080p視頻格式，將其上轉(zhuǎn)換為4K x 2K分辨率，通過(guò)四路 3G-SDI接口進(jìn)行輸出。

　　Altera 的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案

　　Altera的精度可調(diào)DSP、1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)以及 4k參考設(shè)計(jì)能夠提高設(shè)計(jì)效能，有利于滿(mǎn)足醫(yī)療內(nèi)窺鏡設(shè)備的設(shè)計(jì)需求。

　　28 nm 的精度可調(diào) DSP

　　在任何高級(jí)醫(yī)療成像解決方案中，需要高性能DSP資源和高效的設(shè)計(jì)工具才能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。如圖4 所示，Altera 的 DSP Builder 工具結(jié)合精度可調(diào) DSP 為視頻算法提供了高效的浮點(diǎn)或者定點(diǎn)DSP設(shè)計(jì)。

　　
圖 4. 定制定點(diǎn)或者浮點(diǎn)算法 DSP 解決方案

　　利用DSP Builder高級(jí)模塊庫(kù)，設(shè)計(jì)人員可以在MATLAB/Simulink 設(shè)計(jì)中進(jìn)行高級(jí)Simulink 綜合以及時(shí)序驅(qū)動(dòng)優(yōu)化。采用 Simulink 等高級(jí)工具，滿(mǎn)足用戶(hù)設(shè)定的 fMAX 或者延時(shí)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，這一功能在Altera和一些供應(yīng)商工具中是獨(dú)一無(wú)二的。基本上，這表明設(shè)計(jì)人員可以設(shè)定一個(gè) “表盤(pán)”，為您的系統(tǒng)選擇合適的 fMAX 和延時(shí)，DSP Builder 工具會(huì)完成剩余的工作。工具會(huì)加入寄存器，以提高 fMAX，或者對(duì)某些關(guān)鍵通路進(jìn)行并行處理，以滿(mǎn)足延時(shí)約束要求，避免了花費(fèi)數(shù)星期手動(dòng)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(diǎn)和浮點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。Altera 的Stratix V FPGA 具有獨(dú)特的精度可調(diào) DSP 體系結(jié)構(gòu)，性能高達(dá)每秒萬(wàn)億次浮點(diǎn)操作（teraFLOPS）。

　　1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)

　　提高醫(yī)療設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的效能需要使用高性能工作臺(tái)工具，這一工具應(yīng)使用方便，支持各種功能和IP。雖然其他FPGA供應(yīng)商提供一些單獨(dú)的視頻功能，而Altera是唯一提供包括20個(gè)視頻功能設(shè)計(jì)工作臺(tái)的供應(yīng)商，支持流視頻接口標(biāo)準(zhǔn)，提供6個(gè)經(jīng)過(guò)硬件驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)，以及多種視頻開(kāi)發(fā)套件。采用 Altera 的 1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)，設(shè)計(jì)人員開(kāi)始已有的工作設(shè)計(jì)，在常見(jiàn)功能上重新使用經(jīng)過(guò)預(yù)驗(yàn)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(nèi)部IP中，與從頭開(kāi)發(fā)新設(shè)計(jì)相比，在更短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)。

　　VIP 套裝

　　1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)的關(guān)鍵組成是IP內(nèi)核 VIP套裝，如圖5 所示，用在各種圖像數(shù)據(jù)通路上。VIP套裝包括20個(gè)常用的構(gòu)建模塊功能，從簡(jiǎn)單的顏色空間轉(zhuǎn)換器和alpha混合合成器，到多相縮放和運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行等非常復(fù)雜的功能。此外，Altera合作伙伴提供圖像IP幫助您進(jìn)行開(kāi)發(fā)，以降低噪聲，進(jìn)行邊沿探測(cè)和局部處理，使圖像穩(wěn)定，或者旋轉(zhuǎn)圖像。

　　
圖 5. IP內(nèi)核 VIP 套裝

　　廣播質(zhì)量參考設(shè)計(jì)

　　可以在現(xiàn)有設(shè)備或者其他供應(yīng)商的老一代視頻路由設(shè)備和醫(yī)療級(jí)監(jiān)視器上安裝新的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。這一設(shè)置要求新內(nèi)窺鏡系統(tǒng)支持新的和已有的視頻標(biāo)準(zhǔn)。Altera的HD參考設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了隔行和逐行格式視頻標(biāo)準(zhǔn)清晰 （SD）、HD和3-Gbps視頻流的高質(zhì)量UDX設(shè)計(jì)。這些參考設(shè)計(jì)軟件和硬件可配置，支持快速系統(tǒng)配置和設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)面向典型的廣播應(yīng)用，可以用于醫(yī)療視頻應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)高分辨率顯示、視頻交換機(jī)、多視角查看、轉(zhuǎn)換器以及遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)議等應(yīng)用。請(qǐng)參考圖6。高性能 Stratix IV GX 和低成本 Arria V GX開(kāi)發(fā)套件都提供這些參考設(shè)計(jì)。

　　
圖 6. 廣播質(zhì)量參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

　　4K 視頻格式上轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)

　　在選擇設(shè)備時(shí)，內(nèi)窺鏡外科醫(yī)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(yōu)勢(shì)，因此，迅速成為今后主要的視頻增強(qiáng)功能。Altera減少了系統(tǒng)芯片總數(shù)，降低了最終產(chǎn)品的材料 （BOM）成本以及開(kāi)發(fā)成本，簡(jiǎn)化了電路板設(shè)計(jì)，從而更好的支持下一代應(yīng)用。以前的系統(tǒng)需要多達(dá) 9個(gè)商用芯片來(lái)進(jìn)行 4K格式轉(zhuǎn)換 （4 個(gè) 1080p 格式轉(zhuǎn)換芯片和 5 個(gè)用于 SDI 輸入輸出的芯片 ）。Altera 的 4K 視頻格式上轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)（參見(jiàn)圖7） 使用了一片 Stratix V FPGA （5SGXEA7） 中 20% 的資源。設(shè)計(jì)很容易集成，有足夠的余量從現(xiàn)有或者其他視頻源中實(shí)現(xiàn)畫(huà)中畫(huà)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(shè)計(jì)人員使用新器件特性和功能。

　　
圖 7. 4K視頻格式上轉(zhuǎn)換參考設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

　　結(jié)論

　　在內(nèi)窺鏡系統(tǒng)市場(chǎng)全球化發(fā)展背景下，需要更多的產(chǎn)品型號(hào)，同時(shí)還要縮短開(kāi)發(fā)新平臺(tái)的時(shí)間。工程團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)采用省時(shí)而又高效的設(shè)計(jì)方法。Altera 1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)提供了靈活的系統(tǒng)方法來(lái)處理當(dāng)前以及不斷發(fā)展的功能需求。Altera 的 28-nm FPGA 增強(qiáng)了浮點(diǎn)DSP特性，高效的實(shí)現(xiàn)了高性能圖像功能。采用這些解決方案，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒕性陂_(kāi)發(fā)增值業(yè)務(wù)上，加速各種產(chǎn)品型號(hào)的面市。