資深專家支招:如何縮短高級(jí)醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間
醫(yī)療內(nèi)窺鏡的市場(chǎng)發(fā)展帶來了各種挑戰(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(jí)醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開發(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???,開發(fā)周期越來越短,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)方法來滿足當(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。越來越多的醫(yī)生采用內(nèi)窺鏡檢查方法。很多政府報(bào)銷政策鼓勵(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(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)需要畫中畫、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)榇祟惼骷軌蜻M(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)。