利用賽靈思FPGA輕松應(yīng)對(duì)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)架構(gòu)挑戰(zhàn)

本文將對(duì)賽靈思FPGA進(jìn)行全面論述，介紹其如何幫助內(nèi)窺鏡制造商克服復(fù)雜的設(shè)計(jì)約束，生產(chǎn)出極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品;如何幫助他們成功構(gòu)建外形小巧的低功耗內(nèi)窺鏡攝像頭、高性價(jià)比的攝像機(jī)控制單元(CCU)，以及多功能、低成本的圖像管理設(shè)備。

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)介紹

在某些疾病的診斷中，內(nèi)窺鏡擁有當(dāng)今其他技術(shù)不可匹敵的卓越性能，如在結(jié)腸和潰瘍息肉或消化道真菌的檢查中。采用內(nèi)窺鏡診斷不僅可以避免輻射，而且對(duì)患者造成的痛苦也是最少的。由于具備這些與生俱來的固有優(yōu)勢(shì)，醫(yī)生紛紛采用內(nèi)窺鏡技術(shù)，并不斷要求實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改良創(chuàng)新，以進(jìn)一步提升成像能力。這種需求促使供應(yīng)商采用窄帶成像(Narrow Band Imaging)、自體熒光成像(Auto fluorescence Imaging)以及多帶成像等最新技術(shù)。

通過實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)，內(nèi)窺鏡極大地提高了患者的護(hù)理質(zhì)量。醫(yī)療機(jī)構(gòu)一直在尋求能以更高效率和更低成本進(jìn)行手術(shù)治療的創(chuàng)新途徑。醫(yī)生希望設(shè)備具有尺寸小、靈活性好、重量輕等優(yōu)異特性，這樣他們就能在擺放設(shè)備的時(shí)候在盡量長(zhǎng)的時(shí)間里既讓患者感到舒適，又不會(huì)讓手術(shù)操作人員感到疲倦。在診斷和手術(shù)內(nèi)窺操作中，醫(yī)生需要通過小切口插入內(nèi)窺鏡，以獲得可用的目標(biāo)圖像。在使用纖維內(nèi)窺鏡的診斷過程中，醫(yī)生需要手持內(nèi)窺鏡一段時(shí)間。在手術(shù)過程中，雖然可將設(shè)備安裝在機(jī)械裝置上，但需要在狹小的空間里同時(shí)使用多個(gè)腹腔鏡和手術(shù)工具，這給手術(shù)的安排帶來了難度。

由于系統(tǒng)尺寸小，電子產(chǎn)品的發(fā)熱量必須低，因?yàn)榭捎糜跓岷纳⒌目臻g非常小，而且手持產(chǎn)品的外殼耐熱性也非常低。這就要求供應(yīng)商既要最大限度地縮小電子系統(tǒng)的機(jī)械尺寸，同時(shí)又要克服低功耗設(shè)計(jì)約束帶來的更大挑戰(zhàn)。

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)架構(gòu)

典型的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)擁有五大組件(圖1)。

圖1 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)組件

攝像頭

攝像頭是一套物理設(shè)備，其內(nèi)置CCD或CMOS圖像傳感器、預(yù)處理電子系統(tǒng)、光源接線以及水管、空氣、真空和活組織檢查工具等各種機(jī)械構(gòu)件。

在纖維內(nèi)窺鏡中，圖像傳感器位于插管的遠(yuǎn)端;而在硬管內(nèi)窺鏡中，傳感器位于插管的近端，往往就在攝像頭的內(nèi)部。可通過向攝像頭輸送電力和在兩個(gè)單元之間傳輸數(shù)據(jù)的電纜將該攝像頭連接至攝像頭的控制單元。

攝像頭的主要設(shè)計(jì)難題之一是要最大限度地縮小機(jī)械外形和電子線路的尺寸，以實(shí)現(xiàn)更高的易用性。為了進(jìn)一步縮小外形尺寸，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可以減少攝像頭所執(zhí)行處理功能的數(shù)量，這就需要將絕大多數(shù)的圖像處理功能讓CCU來承擔(dān)。圖2顯示了內(nèi)窺鏡攝像頭典型的系統(tǒng)級(jí)功能方框圖。

圖2 內(nèi)窺鏡攝像頭方框圖

可在CMOS/CCD圖像傳感器上生成原始圖像，隨后再傳輸?shù)较掠蔚膱D像處理鏈中，最后傳輸給CCU。圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的拜爾模板，通過鏡頭陰影和失真模塊來最大程度地減少噪聲并實(shí)現(xiàn)均勻一致的圖像。色彩過濾器陣列(CFA)能夠完成像素之間的插補(bǔ)，并將拜爾圖像轉(zhuǎn)換到RGB色域。隨后再用RGB圖像對(duì)自動(dòng)曝光、增益、白平衡以及對(duì)焦等其他參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行控制。

攝像頭設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

內(nèi)窺鏡所用圖像傳感器和模擬電路系統(tǒng)的電源噪聲容限較低。雖然電源是通過CCU的長(zhǎng)電纜輸送到攝像頭上的，但攝像頭中另安排有電源穩(wěn)壓和濾波電路，以保持?jǐn)z像頭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無尖峰的穩(wěn)定供電。電源穩(wěn)壓必須精心設(shè)計(jì)，因?yàn)殡娏魍ㄟ^長(zhǎng)電纜所產(chǎn)生的阻抗會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生電壓尖峰。在典型的系統(tǒng)中，電壓尖峰可通過穩(wěn)壓來減輕，方法是在PCB板上安置大電容和在PCB板上增加大電容和旁路電容。此外，增加電容量還有助于減少邏輯器件等板載本地開關(guān)電路產(chǎn)生的噪音。但是，在內(nèi)窺鏡攝像頭這樣的小型系統(tǒng)中，在PCB上安置大電容顯然不適合，也沒有足夠的空間在組件周邊安置更多的電容。

最小化電源噪聲的最佳解決方案是和減少攝像頭中邏輯器件消耗的電量，這樣就能限制電源突波和流經(jīng)電源電纜中開關(guān)電流的大小，從而降低系統(tǒng)的本地噪聲。

在選擇內(nèi)窺鏡攝像頭中采用的中央圖像處理器時(shí)，一種解決方案需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)ASSP和/或DSP處理器才能支持這些功能;但是，該些實(shí)現(xiàn)方案難以充分利用PCB板的板面布局。但單芯片解決方案是更好的解決方案，F(xiàn)PGA技術(shù)能以最佳的性價(jià)比為內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開發(fā)人員提供低功耗的單芯片解決方案。

攝像機(jī)控制單元

CCU通過DVI或者SDI接口從攝像頭接收RGB或YUV格式的圖像數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行可增強(qiáng)圖像質(zhì)量的任意組合的處理步驟。專用圖像處理器件通常用于在最低延遲水平下以高分辨率提供優(yōu)化的圖像質(zhì)量。

圖3典型CCU的功能方框圖

第一階段的圖像增強(qiáng)特性一般包括：(1)降噪;(2)邊緣增強(qiáng);(3)寬泛的動(dòng)態(tài)范圍校正。

在圖像增強(qiáng)階段之后是用戶控制的圖像調(diào)整，一般包括：(1)數(shù)字縮放;(2)視頻轉(zhuǎn)換器;(3)靜態(tài)圖像捕獲。

通常情況下，不僅可將處理器用來管理數(shù)據(jù)流和控制CCU的算法和功能，而且還能監(jiān)控至攝像頭、圖像管理單元和顯示器的通信。

降噪：保持視頻的清晰對(duì)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)而言至關(guān)重要。在CCU中使用降噪算法，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。在使用較低幀速率的小型應(yīng)用中，降噪算法在提升圖像質(zhì)量方面發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用。時(shí)間降噪即基于運(yùn)動(dòng)的降噪技術(shù)通常最適合于需要解決運(yùn)動(dòng)問題的內(nèi)窺鏡應(yīng)用。如，在某些特定應(yīng)用領(lǐng)域，我們可采用空間降噪技術(shù)。在空間降噪中，可對(duì)噪聲進(jìn)行逐幀檢測(cè)和糾正，但這項(xiàng)技術(shù)會(huì)降低圖像的清晰度，因此可能需要混合采用空間/時(shí)間濾波器。

邊緣增強(qiáng)

對(duì)于內(nèi)窺鏡而言，邊緣增強(qiáng)是一種非常重要的圖像處理技術(shù)，因?yàn)槠淠軒椭t(yī)生更全面地查看組織中的非正常現(xiàn)象。內(nèi)窺鏡可充分利用各種邊緣增強(qiáng)技術(shù)。索貝爾算子和雙邊濾波器是兩種最常用的實(shí)現(xiàn)方案。

寬動(dòng)態(tài)范圍校正

寬動(dòng)態(tài)范圍(WDR)是指影像系統(tǒng)在各影像內(nèi)明暗度差別很大的情況下提供清晰影像的能力。由于內(nèi)窺鏡一般采用的設(shè)置是在亮前景和暗背景下采集圖像。WDR處理算法構(gòu)成了系統(tǒng)的關(guān)鍵性組件。WDR處理器模塊越接近傳感器，對(duì)最終圖像質(zhì)量的影響就越大。但是為了克服攝像頭在功耗和器件密度方面受到的制約，設(shè)計(jì)人員需要考慮將WDR處理放置在CCU中。

數(shù)字縮放

在內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，縮放功能是一項(xiàng)非常重要的功能，可以讓醫(yī)生更加清晰地查看對(duì)象。數(shù)字縮放會(huì)以犧牲部分分辨率為代價(jià)而增大圖像的尺寸。

視頻轉(zhuǎn)換器

視頻轉(zhuǎn)換器的作用是把視頻流映射為對(duì)接收設(shè)備適合的深度位寬比和分辨率。如圖3所示，CCU可將視頻流輸出到本地顯示器和圖像管理單元。本地顯示器的分辨率和深度位寬比可以比原始視頻格式低得多，這樣視頻轉(zhuǎn)換器就可以根據(jù)顯示設(shè)備的要求相應(yīng)調(diào)整視頻，并將視頻流直接傳輸至圖像管理單元。

靜態(tài)圖像捕獲

醫(yī)生使用靜態(tài)圖像能夠迅速捕獲并共享對(duì)象組織的圖像。內(nèi)置于某些圖像傳感器中的傳感器控制電路包含一個(gè)靜態(tài)圖像捕獲電路。在其他系統(tǒng)中，這項(xiàng)功能通常由下游執(zhí)行，即在執(zhí)行圖像增強(qiáng)功能之后進(jìn)行。靜態(tài)圖像捕獲功能既可用硬件、也可用軟件執(zhí)行，圖像一般在由醫(yī)生保存到磁盤上之前都保存在本地存儲(chǔ)器中。

攝像機(jī)控制單元的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在內(nèi)窺鏡手術(shù)中，醫(yī)生眼疲勞是需要納入考慮范圍的一個(gè)問題。因此需要可減少視頻滯后和實(shí)現(xiàn)最高幀速率的高速圖像處理功能，來提供流暢的視頻。

內(nèi)窺鏡供應(yīng)商常常會(huì)在CCU中采用獨(dú)特的圖像增強(qiáng)功能來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的差異化，而且不斷地提升處理功能，在不犧牲處理速度的情況下交付新的圖像增強(qiáng)方案。CCU也受到功耗預(yù)算、上市進(jìn)程以及成本的限制。而將FPGA用作主圖像處理器能夠在性價(jià)比、功耗以及開發(fā)周期之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。同時(shí)，還可將多個(gè)接口集成到單個(gè)器件中以提供接口橋接，從而既可減少組件數(shù)量，又能降低系統(tǒng)的成本和功耗。

圖像管理

在內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，圖像管理單元功能很多，如：圖像文件管理、網(wǎng)絡(luò)連接及后處理圖像增強(qiáng)功能等。在緊湊型系統(tǒng)中，可將圖像管理功能融合成CCU的一個(gè)單元;在大型系統(tǒng)中，則可以用作獨(dú)立單元。圖像管理單元一般采用PC風(fēng)格的架構(gòu)，基于處理器系統(tǒng)而構(gòu)建。該單元可采用如Windows或Linux等操作系統(tǒng)，同時(shí)為內(nèi)窺鏡提供定制的GUI。其可有多路視頻輸入，以從不同角度或者用不同縮放水平同時(shí)顯示圖像。此外，該單元還可以通過鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行控制，并擁有自己的監(jiān)控器。

圖4 圖像管理單元

高端系統(tǒng)，特別是采用高清視頻的系統(tǒng)，往往會(huì)把視頻接口和視頻處理任務(wù)交由賽靈思FPGA執(zhí)行。在這種情況下，圖像管理的各種功能均由FPGA硬件處理，而非由處理器中的軟件執(zhí)行。該架構(gòu)能確保視頻流僅由高性能邏輯電路處理，從而生成不會(huì)給同步運(yùn)行在處理器中的其他進(jìn)程造成影響的低滯后視頻。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可充分利用FPGA提供的高引腳數(shù)和多功能I/O接口標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和用戶接口，從而有助于減少系統(tǒng)的總器件數(shù)。

光源

光源通過光纜連接到攝像頭，而光則隨后通過另一組光纜傳輸?shù)絻?nèi)窺鏡的另一端，在采用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查和治療的過程中進(jìn)行對(duì)象照明。

部分光源可通過以太網(wǎng)或者其他通信協(xié)議連接到圖像管理單元，因而能夠由使用圖像管理接口的操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。FPGA可用單芯片解決方案來滿足所有的用戶接口和通信要求。Artix-7等小尺寸、低功耗FPGA由于優(yōu)化組合了低功耗、高性能和高度的互連靈活性優(yōu)勢(shì)，非常適用于管理光源中的邏輯要求。

顯示

顯示設(shè)備是一個(gè)關(guān)鍵性的組件，能夠影響內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的診斷準(zhǔn)確性。醫(yī)用顯示器具有獨(dú)特的專用需求，如：異的灰階和黑階性能、廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、與可實(shí)現(xiàn)診斷和校準(zhǔn)的PC通信、可將多臺(tái)監(jiān)控器連接在一起顯示單幅圖像、長(zhǎng)線纜情況下可進(jìn)行圖像增強(qiáng)、抗強(qiáng)光、低反射，以及支持多路同步輸入等。顯示監(jiān)控器必須符合嚴(yán)格的醫(yī)療安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該顯示監(jiān)控器可連接至CCU或者圖像管理單元。另一種常見的情況是一套系統(tǒng)使用多臺(tái)顯示監(jiān)控器，其中一臺(tái)或者數(shù)臺(tái)連接至CCU，以供醫(yī)生或者助理觀察之用，同時(shí)將另外的監(jiān)控器連接到圖像管理單元，以供其他人進(jìn)行觀察或者控制。圖5顯示了典型的方框圖。

圖5 醫(yī)療顯示器方框圖

多種不同的技術(shù)解決方案可以滿足顯示監(jiān)控器的邏輯要求。只有FPGA能夠提供可用于整個(gè)產(chǎn)品線的低成本且上市進(jìn)程快的可擴(kuò)展解決方案。此外，它們不僅能夠支持顯示器中多種多樣的接口標(biāo)準(zhǔn)，而且還能執(zhí)行所需的圖像增強(qiáng)、伽瑪校正、降噪處理功能，從而構(gòu)成協(xié)調(diào)一致的整體。

如何降低內(nèi)窺鏡系統(tǒng)功耗?

對(duì)于內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，如何降低功耗是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。在醫(yī)療系統(tǒng)中，這項(xiàng)要求源自必須遵從的非常嚴(yán)格的安全和質(zhì)量規(guī)定。為了符合安全和質(zhì)量要求，電源設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜性會(huì)隨功耗的上升而大幅度增加。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直努力采用最新的技術(shù)和設(shè)計(jì)方法，以期在不犧牲性能的情況下將功耗保持在最低水平。

熱量是另一個(gè)推動(dòng)功耗降低的因素。集成了大量系統(tǒng)門的半導(dǎo)體器件在以高時(shí)鐘頻率工作時(shí)，產(chǎn)生的熱量必須盡快從系統(tǒng)中散出，才能使組件的溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為了高效散熱，必須對(duì)散熱片、風(fēng)扇、封裝以及PCB進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。熱量管理系統(tǒng)會(huì)增加系統(tǒng)的總體重量、大小和成本，而增加風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也會(huì)進(jìn)一步增加功耗。

接口

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)采用多種不同類型的邏輯器件來處理各種各樣的互聯(lián)和處理任務(wù)。每個(gè)器件都具有獨(dú)特的接口要求，這就需要多樣化的互聯(lián)解決方案。內(nèi)窺鏡系統(tǒng)對(duì)高帶寬的需求來自多個(gè)方面，其中包括高分辨率圖像傳感器、大型顯示器以及通過電線在系統(tǒng)組件之間傳輸串行數(shù)據(jù)等。圖6顯示了用于內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中的通用接口。

圖6 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的通用接口

在解決復(fù)雜接口問題時(shí)，F(xiàn)PGA能夠在合理的價(jià)格水平中提供最高數(shù)量的I/O，并支持大多數(shù)接口標(biāo)準(zhǔn)。因此，普遍將其用于處理內(nèi)窺鏡系統(tǒng)面臨的接口難題。根據(jù)所采用FPGA的大小，系統(tǒng)架構(gòu)師可以準(zhǔn)確判定，為USB等最復(fù)雜的功能提供專用的接口器件是最具性價(jià)比的做法。

賽靈思FPGA在內(nèi)窺鏡中的應(yīng)用

賽靈思FPGA不僅僅是一個(gè)芯片器件，更是一個(gè)設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)，其配套提供設(shè)計(jì)工具和全面的IP庫，能幫助用戶迅速開展設(shè)計(jì)工作。由于該芯片器件是賽靈思設(shè)計(jì)的，故對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，無NRE和生產(chǎn)成本，只需開發(fā)設(shè)計(jì)，下載設(shè)計(jì)文件到器件，就能完成特定設(shè)計(jì)的配置工作。

賽靈思FPGA的功耗優(yōu)勢(shì)

高功耗要求會(huì)增加內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的成本、尺寸和噪聲，同時(shí)影響可靠性和性能。賽靈思已經(jīng)生產(chǎn)出高性能、低功耗FPGA，非常適用于內(nèi)窺鏡攝像頭、CCU和顯示器。

通過利用最先進(jìn)的工藝，賽靈思實(shí)現(xiàn)了功耗、性能、成本和特性的最佳平衡。賽靈思賦予了客戶持續(xù)推動(dòng)每個(gè)產(chǎn)品系列的技術(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)步，輕松將芯片器件升級(jí)到新一代工藝技術(shù)的能力。

賽靈思FPGA采用的高速DSP模塊可以充分發(fā)揮專用高性能處理Slice的優(yōu)勢(shì)，從而穩(wěn)固賽靈思的性能領(lǐng)先地位。賽靈思FPGA還提供了局部存儲(chǔ)器和邏輯資源，能夠充分滿足內(nèi)窺鏡應(yīng)用的性能要求。同時(shí)結(jié)合嵌入式處理、標(biāo)準(zhǔn)化I/O和業(yè)經(jīng)驗(yàn)證的軟IP生態(tài)系統(tǒng)，為客戶提供了一條降低產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)、成本，縮短開發(fā)周期的捷徑。

采用可擴(kuò)展設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約

賽靈思Artix-7、Kintex-7和Virtex-7三大7系列FPGA產(chǎn)品采用近乎相同的邏輯架構(gòu)。這樣實(shí)現(xiàn)了跨器件的IP移植性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以上/下擴(kuò)展設(shè)計(jì)，通過單個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)就能高效實(shí)現(xiàn)整條產(chǎn)品線。對(duì)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)來說，這樣做非常有價(jià)值，因?yàn)榫哂胁煌匦约蛨D像分辨率的不同系統(tǒng)往往采用各自專有的圖像處理IP或功能。賽靈思的通用器件架構(gòu)較將RTL從一個(gè)FPGA架構(gòu)移植到另一個(gè)FPGA架構(gòu)的典型做法，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在重新編碼的成本和時(shí)間上均實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)約。

總結(jié)

FPGA理想適用于要求小尺寸、低功耗和高性能的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。賽靈思Spartan-6、Virtex-6和7系列FPGA除了提供與ASIC相媲美的卓越性能外，同時(shí)還具有低偶生工程總成本(NRE)、大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、可擴(kuò)展設(shè)計(jì)和高I/O數(shù)量的優(yōu)勢(shì)。另外，賽靈思的定制低功耗工藝，結(jié)合先進(jìn)的功耗優(yōu)化工具，較同類競(jìng)爭(zhēng)解決方案實(shí)現(xiàn)了功耗的大幅降低。所有這些優(yōu)勢(shì)綜合在一起，讓內(nèi)窺鏡系統(tǒng)開發(fā)人員能夠在預(yù)算和功耗約束范圍內(nèi)迅速部署采用最先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)，從而改善患者的護(hù)理。