專家教你縮短醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開發(fā)時間

醫(yī)療內(nèi)窺鏡的市場發(fā)展帶來了各種挑戰(zhàn)，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(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案，它使用了1080p視頻設(shè)計工作臺、DSP 構(gòu)建模塊、參考設(shè)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(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開發(fā)時間。

引言

對內(nèi)窺鏡檢查的需求在不斷增長，同時還需要不斷改進(jìn)檢查過程，增強醫(yī)療設(shè)備的功能。全球競爭不斷加劇，導(dǎo)致各種新功能的出現(xiàn)，新市場的變化也非?？欤_發(fā)周期越來越短，工程團(tuán)隊必須集中精力提高核心競爭力，加強系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)或者標(biāo)準(zhǔn)的變化而對產(chǎn)品進(jìn)行更新。此外，設(shè)計團(tuán)隊必須更高效的進(jìn)行開發(fā)工作。Altera® 1080p 視頻設(shè)計工作臺和28-nm FPGA提供了靈活的系統(tǒng)方法來滿足當(dāng)前以及不斷發(fā)展的功能需求。

不斷增長的全球需求

很多因素導(dǎo)致對內(nèi)窺鏡檢查的需求越來越強。今后數(shù)十年內(nèi)，世界60歲以上的人口數(shù)量將會大幅度增長，對醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)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(jìn)行檢查和治療。越來越多的醫(yī)生采用內(nèi)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(fù)，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(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。反過來，這些新市場需求也擴大了對下一代內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的需求。設(shè)計團(tuán)隊體驗到需求的不斷增長，而全球競爭導(dǎo)致他們推遲其產(chǎn)品發(fā)布計劃。

設(shè)備發(fā)展趨勢

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)需要越來越多的功能。很多內(nèi)窺鏡平臺都是高清晰 (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。分辨率對圖像傳感器有很強的依賴性;而處理引擎和內(nèi)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(xiàn)在多數(shù)據(jù)流操作上。系統(tǒng)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(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)會包括多個外科手術(shù)級監(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的算法。

其他增強功能包括越來越強的亮度、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現(xiàn)更小的便攜式車載系統(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)需要處理來自攝像頭的大量圖像數(shù)據(jù)，在處理引擎中實現(xiàn)越來越復(fù)雜的處理功能。

設(shè)計人員需要在高性能處理器件中實現(xiàn)這些功能，例如，F(xiàn)PGA等，從而在多個平臺上實現(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)、支持浮點的數(shù)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，F(xiàn)PGA將成為技術(shù)節(jié)點的首選工藝。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(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)療視頻開發(fā)環(huán)境

Altera提供全面的設(shè)計環(huán)境，支持工程師迅速開發(fā)醫(yī)療內(nèi)窺鏡圖像應(yīng)用，提高設(shè)計效能。如圖1 所示，它包括1080p視頻設(shè)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(chǎn)權(quán)(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(fā)套件含有各種參考設(shè)計。Altera 還提供 DSP Builder 軟件，這一高級設(shè)計工具集成了 MathWorks MATLAB 和Simulink軟件。設(shè)計人員可以使用這一軟件對各種算法進(jìn)行建模，集成 1080p視頻設(shè)計工作臺。

圖 1 Altera的醫(yī)療視頻開發(fā)環(huán)境

利用這一設(shè)計方法，醫(yī)療設(shè)備設(shè)計人員能夠?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，它還實現(xiàn)了更靈活的系統(tǒng)，可以將設(shè)計移植到不同的 Altera 器件中，突出產(chǎn)品優(yōu)勢。

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

圖2 顯示了物理設(shè)備：含有多個系統(tǒng)組件的內(nèi)窺鏡塔。通過手控裝置，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。通過光纖透鏡將內(nèi)窺鏡探頭連接光源，產(chǎn)生受控的強光照明，外科醫(yī)生可以在手術(shù)過程中控制它。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，或者通過視頻路由器將視頻傳送至操作室的醫(yī)療級監(jiān)視器上。內(nèi)窺鏡塔還包括視頻錄像機或者存儲設(shè)備，因此，以后可以查看手術(shù)過程。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)療專家能夠查看或者對體內(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)劃人員使用高級軟件工具對各種算法和結(jié)果進(jìn)行建模。設(shè)計人員可以使用開放源工具箱進(jìn)行圖像寄存和分段處理。這些工具通過軟件對圖像應(yīng)用和算法開發(fā)進(jìn)行了優(yōu)化，但并不在 FPGA 中實現(xiàn)。Altera 的定點和浮點設(shè)計方法、在 MATLAB 軟件中開發(fā)的算法，以及Simulink軟件中的系統(tǒng)級設(shè)計為設(shè)計人員提供了高效的DSP設(shè)計方法，實現(xiàn)了高性能FPGA。Altera還與業(yè)界經(jīng)驗豐富的設(shè)計公司合作，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 滿足了這一視頻處理級的設(shè)計需求：

Cyclone V器件實現(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)勢的理想選擇。

對于中端應(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)計人員可以將精力放在某些目標(biāo)市場的增值功能上。1080p工作臺可以采用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中開發(fā)的用戶定義的算法。采用Qsys系統(tǒng)集成工具，很容易在設(shè)計中集成標(biāo)準(zhǔn)流協(xié)議。

視頻顯示、傳送和存儲

Altera的 1080p視頻設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。作為這一工作臺的一部分，Altera提供完整的上、下和交叉轉(zhuǎn)換 (UDX)參考設(shè)計，它具有雙通道視頻處理流水線，您可以迅速啟動設(shè)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(zhuǎn)換格式轉(zhuǎn)換參考設(shè)計通過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)計工作臺以及 4k參考設(shè)計能夠提高設(shè)計效能，有利于滿足醫(yī)療內(nèi)窺鏡設(shè)備的設(shè)計需求。

28 nm 的精度可調(diào) DSP

在任何高級醫(yī)療成像解決方案中，需要高性能DSP資源和高效的設(shè)計工具才能滿足系統(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或者定點DSP設(shè)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(shè)計人員可以在MATLAB/Simulink 設(shè)計中進(jìn)行高級Simulink 綜合以及時序驅(qū)動優(yōu)化。采用 Simulink 等高級工具，滿足用戶設(shè)定的 fMAX 或者延時來進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，這一功能在Altera和一些供應(yīng)商工具中是獨一無二的?；旧?，這表明設(shè)計人員可以設(shè)定一個 “表盤”，為您的系統(tǒng)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(guān)鍵通路進(jìn)行并行處理，以滿足延時約束要求，避免了花費數(shù)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(xiàn)。Altera 的Stratix V FPGA 具有獨特的精度可調(diào) DSP 體系結(jié)構(gòu)，性能高達(dá)每秒萬億次浮點操作(teraFLOPS)。

1080p 視頻設(shè)計工作臺

提高醫(yī)療設(shè)計團(tuán)隊的效能需要使用高性能工作臺工具，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)商提供一些單獨的視頻功能，而Altera是唯一提供包括20個視頻功能設(shè)計工作臺的供應(yīng)商，支持流視頻接口標(biāo)準(zhǔn)，提供6個經(jīng)過硬件驗證的參考設(shè)計，以及多種視頻開發(fā)套件。采用 Altera 的 1080p 視頻設(shè)計工作臺，設(shè)計人員開始已有的工作設(shè)計，在常見功能上重新使用經(jīng)過預(yù)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(nèi)部IP中，與從頭開發(fā)新設(shè)計相比，在更短的時間內(nèi)完成設(shè)計。

VIP 套裝

1080p視頻設(shè)計工作臺的關(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個常用的構(gòu)建模塊功能，從簡單的顏色空間轉(zhuǎn)換器和alpha混合合成器，到多相縮放和運動自適應(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)行開發(fā)，以降低噪聲，進(jìn)行邊沿探測和局部處理，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

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)計實現(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。這些參考設(shè)計軟件和硬件可配置，支持快速系統(tǒng)配置和設(shè)計。設(shè)計面向典型的廣播應(yīng)用，可以用于醫(yī)療視頻應(yīng)用中，實現(xiàn)高分辨率顯示、視頻交換機、多視角查看、轉(zhuǎn)換器以及遠(yuǎn)程醫(yī)療會議等應(yīng)用。請參考圖6。高性能 Stratix IV GX 和低成本 Arria V GX開發(fā)套件都提供這些參考設(shè)計。

圖 6. 廣播質(zhì)量參考設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

4K 視頻格式上轉(zhuǎn)換參考設(shè)計

在選擇設(shè)備時，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，因此，迅速成為今后主要的視頻增強功能。Altera減少了系統(tǒng)芯片總數(shù)，降低了最終產(chǎn)品的材料 (BOM)成本以及開發(fā)成本，簡化了電路板設(shè)計，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個商用芯片來進(jìn)行 4K格式轉(zhuǎn)換 (4 個 1080p 格式轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換參考設(shè)計(參見圖7) 使用了一片 Stratix V FPGA (5SGXEA7) 中 20% 的資源。設(shè)計很容易集成，有足夠的余量從現(xiàn)有或者其他視頻源中實現(xiàn)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(shè)計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)計結(jié)構(gòu)圖

結(jié)論

在內(nèi)窺鏡系統(tǒng)市場全球化發(fā)展背景下，需要更多的產(chǎn)品型號，同時還要縮短開發(fā)新平臺的時間。工程團(tuán)隊?wèi)?yīng)采用省時而又高效的設(shè)計方法。Altera 1080p 視頻設(shè)計工作臺提供了靈活的系統(tǒng)方法來處理當(dāng)前以及不斷發(fā)展的功能需求。Altera 的 28-nm FPGA 增強了浮點DSP特性，高效的實現(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)計團(tuán)隊能夠?qū)⒕性陂_發(fā)增值業(yè)務(wù)上，加速各種產(chǎn)品型號的面市。