利用賽靈思FPGA輕松應對內窺鏡系統架構挑戰

光源

光源通過(guò)光纜連接到攝像頭，而光則隨后通過(guò)另一組光纜傳輸到內窺鏡的另一端，在采用內窺鏡進(jìn)行檢查和治療的過(guò)程中進(jìn)行對象照明。

部分光源可通過(guò)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)行遠程控制。FPGA可用單芯片解決方案來(lái)滿(mǎn)足所有的用戶(hù)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?xún)?yōu)勢，非常適用于管理光源中的邏輯要求。

顯示

顯示設備是一個(gè)關(guān)鍵性的組件，能夠影響內窺鏡系統的診斷準確性。醫用顯示器具有獨特的專(zhuān)用需求，如：異的灰階和黑階性能、廠(chǎng)內和現場(chǎng)校準、與可實(shí)現診斷和校準的PC通信、可將多臺監控器連接在一起顯示單幅圖像、長(cháng)線(xiàn)纜情況下可進(jìn)行圖像增強、抗強光、低反射，以及支持多路同步輸入等。顯示監控器必須符合嚴格的醫療安全和質(zhì)量標準。該顯示監控器可連接至CCU或者圖像管理單元。另一種常見(jiàn)的情況是一套系統使用多臺顯示監控器，其中一臺或者數臺連接至CCU，以供醫生或者助理觀(guān)察之用，同時(shí)將另外的監控器連接到圖像管理單元，以供其他人進(jìn)行觀(guān)察或者控制。圖5顯示了典型的方框圖。

圖5 醫療顯示器方框圖

多種不同的技術(shù)解決方案可以滿(mǎn)足顯示監控器的邏輯要求。只有FPGA能夠提供可用于整個(gè)產(chǎn)品線(xiàn)的低成本且上市進(jìn)程快的可擴展解決方案。此外，它們不僅能夠支持顯示器中多種多樣的接口標準，而且還能執行所需的圖像增強、伽瑪校正、降噪處理功能，從而構成協(xié)調一致的整體。

如何降低內窺鏡系統功耗?

對于內窺鏡系統的設計來(lái)說(shuō)，如何降低功耗是一個(gè)重大的挑戰。在醫療系統中，這項要求源自必須遵從的非常嚴格的安全和質(zhì)量規定。為了符合安全和質(zhì)量要求，電源設計的成本和復雜性會(huì )隨功耗的上升而大幅度增加。系統設計人員一直努力采用最新的技術(shù)和設計方法，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。集成了大量系統門(mén)的半導體器件在以高時(shí)鐘頻率工作時(shí)，產(chǎn)生的熱量必須盡快從系統中散出，才能使組件的溫度保持在規定的范圍內。為了高效散熱，必須對散熱片、風(fēng)扇、封裝以及PCB進(jìn)行精心設計。熱量管理系統會(huì )增加系統的總體重量、大小和成本，而增加風(fēng)扇的轉速也會(huì )進(jìn)一步增加功耗。

接口

內窺鏡系統采用多種不同類(lèi)型的邏輯器件來(lái)處理各種各樣的互聯(lián)和處理任務(wù)。每個(gè)器件都具有獨特的接口要求，這就需要多樣化的互聯(lián)解決方案。內窺鏡系統對高帶寬的需求來(lái)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(guò)電線(xiàn)在系統組件之間傳輸串行數據等。圖6顯示了用于內窺鏡系統中的通用接口。

圖6 內窺鏡系統的通用接口

在解決復雜接口問(wèn)題時(shí)，FPGA能夠在合理的價(jià)格水平中提供最高數量的I/O，并支持大多數接口標準。因此，普遍將其用于處理內窺鏡系統面臨的接口難題。根據所采用FPGA的大小，系統架構師可以準確判定，為USB等最復雜的功能提供專(zhuān)用的接口器件是最具性?xún)r(jià)比的做法。

賽靈思FPGA在內窺鏡中的應用

賽靈思FPGA不僅僅是一個(gè)芯片器件，更是一個(gè)設計生態(tài)系統，其配套提供設計工具和全面的IP庫，能幫助用戶(hù)迅速開(kāi)展設計工作。由于該芯片器件是賽靈思設計的，故對系統設計人員來(lái)說(shuō)，無(wú)NRE和生產(chǎn)成本，只需開(kāi)發(fā)設計，下載設計文件到器件，就能完成特定設計的配置工作。

賽靈思FPGA的功耗優(yōu)勢

高功耗要求會(huì )增加內窺鏡系統的成本、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，非常適用于內窺鏡攝像頭、CCU和顯示器。

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

賽靈思FPGA采用的高速DSP模塊可以充分發(fā)揮專(zhuān)用高性能處理Slice的優(yōu)勢，從而穩固賽靈思的性能領(lǐng)先地位。賽靈思FPGA還提供了局部存儲器和邏輯資源，能夠充分滿(mǎn)足內窺鏡應用的性能要求。同時(shí)結合嵌入式處理、標準化I/O和業(yè)經(jīng)驗證的軟IP生態(tài)系統，為客戶(hù)提供了一條降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)風(fēng)險、成本，縮短開(kāi)發(fā)周期的捷徑。

采用可擴展設計實(shí)現成本節約

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。這樣實(shí)現了跨器件的IP移植性，系統設計人員可以上/下擴展設計，通過(guò)單個(gè)基礎設計就能高效實(shí)現整條產(chǎn)品線(xiàn)。對內窺鏡系統來(lái)說(shuō)，這樣做非常有價(jià)值，因為具有不同特性集和圖像分辨率的不同系統往往采用各自專(zhuān)有的圖像處理IP或功能。賽靈思的通用器件架構較將RTL從一個(gè)FPGA架構移植到另一個(gè)FPGA架構的典型做法，讓系統設計人員在重新編碼的成本和時(shí)間上均實(shí)現了顯著(zhù)的節約。

總結

FPGA理想適用于要求小尺寸、低功耗和高性能的內窺鏡系統。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、可擴展設計和高I/O數量的優(yōu)勢。另外，賽靈思的定制低功耗工藝，結合先進(jìn)的功耗優(yōu)化工具，較同類(lèi)競爭解決方案實(shí)現了功耗的大幅降低。所有這些優(yōu)勢綜合在一起，讓內窺鏡系統開(kāi)發(fā)人員能夠在預算和功耗約束范圍內迅速部署采用最先進(jìn)技術(shù)的系統，從而改善患者的護理。