利用賽靈思FPGA輕松應對內窺鏡系統架構挑戰

本文將對賽靈思FPGA進(jìn)行全面論述，介紹其如何幫助內窺鏡制造商克服復雜的設計約束，生產(chǎn)出極具競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品;如何幫助他們成功構建外形小巧的低功耗內窺鏡攝像頭、高性?xún)r(jià)比的攝像機控制單元(CCU)，以及多功能、低成本的圖像管理設備。

內窺鏡系統介紹

在某些疾病的診斷中，內窺鏡擁有當今其他技術(shù)不可匹敵的卓越性能，如在結腸和潰瘍息肉或消化道真菌的檢查中。采用內窺鏡診斷不僅可以避免輻射，而且對患者造成的痛苦也是最少的。由于具備這些與生俱來(lái)的固有優(yōu)勢，醫生紛紛采用內窺鏡技術(shù)，并不斷要求實(shí)現技術(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(guò)實(shí)現微創(chuàng )手術(shù)技術(shù)，內窺鏡極大地提高了患者的護理質(zhì)量。醫療機構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。醫生希望設備具有尺寸小、靈活性好、重量輕等優(yōu)異特性，這樣他們就能在擺放設備的時(shí)候在盡量長(cháng)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)內窺操作中，醫生需要通過(guò)小切口插入內窺鏡，以獲得可用的目標圖像。在使用纖維內窺鏡的診斷過(guò)程中，醫生需要手持內窺鏡一段時(shí)間。在手術(shù)過(guò)程中，雖然可將設備安裝在機械裝置上，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(lái)了難度。

由于系統尺寸小，電子產(chǎn)品的發(fā)熱量必須低，因為可用于熱耗散的空間非常小，而且手持產(chǎn)品的外殼耐熱性也非常低。這就要求供應商既要最大限度地縮小電子系統的機械尺寸，同時(shí)又要克服低功耗設計約束帶來(lái)的更大挑戰。

內窺鏡系統架構

典型的內窺鏡系統擁有五大組件(圖1)。

圖1 內窺鏡系統組件

攝像頭

攝像頭是一套物理設備，其內置CCD或CMOS圖像傳感器、預處理電子系統、光源接線(xiàn)以及水管、空氣、真空和活組織檢查工具等各種機械構件。

在纖維內窺鏡中，圖像傳感器位于插管的遠端;而在硬管內窺鏡中，傳感器位于插管的近端，往往就在攝像頭的內部?？赏ㄟ^(guò)向攝像頭輸送電力和在兩個(gè)單元之間傳輸數據的電纜將該攝像頭連接至攝像頭的控制單元。

攝像頭的主要設計難題之一是要最大限度地縮小機械外形和電子線(xiàn)路的尺寸，以實(shí)現更高的易用性。為了進(jìn)一步縮小外形尺寸，系統設計人員還可以減少攝像頭所執行處理功能的數量，這就需要將絕大多數的圖像處理功能讓CCU來(lái)承擔。圖2顯示了內窺鏡攝像頭典型的系統級功能方框圖。

圖2 內窺鏡攝像頭方框圖

可在CMOS/CCD圖像傳感器上生成原始圖像，隨后再傳輸到下游的圖像處理鏈中，最后傳輸給CCU。圖像傳感器采用標準的拜爾模板，通過(guò)鏡頭陰影和失真模塊來(lái)最大程度地減少噪聲并實(shí)現均勻一致的圖像。色彩過(guò)濾器陣列(CFA)能夠完成像素之間的插補，并將拜爾圖像轉換到RGB色域。隨后再用RGB圖像對自動(dòng)曝光、增益、白平衡以及對焦等其他參數自動(dòng)進(jìn)行控制。

攝像頭設計挑戰

內窺鏡所用圖像傳感器和模擬電路系統的電源噪聲容限較低。雖然電源是通過(guò)CCU的長(cháng)電纜輸送到攝像頭上的，但攝像頭中另安排有電源穩壓和濾波電路，以保持攝像頭系統實(shí)現無(wú)尖峰的穩定供電。電源穩壓必須精心設計，因為電流通過(guò)長(cháng)電纜所產(chǎn)生的阻抗會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生電壓尖峰。在典型的系統中，電壓尖峰可通過(guò)穩壓來(lái)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(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的噪音。但是，在內窺鏡攝像頭這樣的小型系統中，在PCB上安置大電容顯然不適合，也沒(méi)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(kāi)關(guān)電流的大小，從而降低系統的本地噪聲。

在選擇內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，FPGA技術(shù)能以最佳的性?xún)r(jià)比為內窺鏡系統的開(kāi)發(fā)人員提供低功耗的單芯片解決方案。