專(zhuān)家教你縮短醫療內窺鏡系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間

醫療內窺鏡的市場(chǎng)發(fā)展帶來(lái)了各種挑戰，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高級醫療內窺鏡系統解決方案，它使用了1080p視頻設計工作臺、DSP 構建模塊、參考設計，以及 Stratix® V、Cyclone® V 和 Arria® V FPGA 等。通過(guò)下文介紹，資深專(zhuān)家向您支招，教你懂得如何通過(guò)采用基于FPGA的方法來(lái)縮短高級醫療內窺鏡系統的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

引言

對內窺鏡檢查的需求在不斷增長(cháng)，同時(shí)還需要不斷改進(jìn)檢查過(guò)程，增強醫療設備的功能。全球競爭不斷加劇，導致各種新功能的出現，新市場(chǎng)的變化也非?？?，開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，工程團隊必須集中精力提高核心競爭力，加強系統知識。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準或者標準的變化而對產(chǎn)品進(jìn)行更新。此外，設計團隊必須更高效的進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作。Altera® 1080p 視頻設計工作臺和28-nm FPGA提供了靈活的系統方法來(lái)滿(mǎn)足當前以及不斷發(fā)展的功能需求。

不斷增長(cháng)的全球需求

很多因素導致對內窺鏡檢查的需求越來(lái)越強。今后數十年內，世界60歲以上的人口數量將會(huì )大幅度增長(cháng)，對醫療衛生服務(wù)的需求也會(huì )隨之增長(cháng)。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(lái)越多的醫生采用內窺鏡檢查方法。很多政府報銷(xiāo)政策鼓勵非置入式治療，這有利于患者更快的恢復，從而降低了治療總成本，患者的體驗會(huì )更好。

很多國家增加了在醫療基礎設施上的投入，特別是加大了醫療設備的采購。反過(guò)來(lái)，這些新市場(chǎng)需求也擴大了對下一代內窺鏡系統的需求。設計團隊體驗到需求的不斷增長(cháng)，而全球競爭導致他們推遲其產(chǎn)品發(fā)布計劃。

設備發(fā)展趨勢

內窺鏡系統需要越來(lái)越多的功能。很多內窺鏡平臺都是高清晰 (HD)系統。然而，隨著(zhù)技術(shù)創(chuàng )新的不斷深入，外科醫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(lài)性;而處理引擎和內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。

平臺差異化還體現在多數據流操作上。系統需要畫(huà)中畫(huà)、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(shí)播放四路或者更多的圖像)。用戶(hù)友好的GUI應支持從一種模式向另一種模式的切換。在手術(shù)室中，內窺鏡系統會(huì )包括多個(gè)外科手術(shù)級監視器，以便外科醫生和護士查看。在這些環(huán)境中，存檔圖像或者透視圖像會(huì )與輸入的內窺鏡視頻并排顯示。視頻路由器和監視器的視頻傳送必須支持各種接口標準，例如，SDI 和 HDMI，以及 DisplayPort、CameraLink 和 GigE Vision 等新出現的標準。設備平臺將支持多種標準，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(lái)越強的亮度、聚焦度、光學(xué)變焦能力，以及更好的高清晰數字變焦等。為支持更高效的設備和手術(shù)室應用，設備應具有較短的設置時(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，和其他醫療設備一樣，也需要進(jìn)一步減小外形體積。更高的集成度可以實(shí)現更小的便攜式車(chē)載系統，而更小的塔式系統使得更容易完成檢查后的清理工作。

技術(shù)要求

很多內窺鏡系統設備趨向于進(jìn)一步提高處理性能，從而支持更高級的圖像算法。隨著(zhù)圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步，可以采集分辨率更高的數據流，進(jìn)行預處理和后處理。系統需要處理來(lái)自攝像頭的大量圖像數據，在處理引擎中實(shí)現越來(lái)越復雜的處理功能。

設計人員需要在高性能處理器件中實(shí)現這些功能，例如，FPGA等，從而在多個(gè)平臺上實(shí)現靈活的性能。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，FPGA將成為技術(shù)節點(diǎn)的首選工藝。此外，FPGA固有結構使其能夠進(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(lèi)器件能夠進(jìn)行非線(xiàn)性處理。而且，FPGA 具有高性能 I/O 功能，支持 SDI、DVI、SAS/SATA 和 USB 等接口標準。

醫療視頻開(kāi)發(fā)環(huán)境

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

圖 1 Altera的醫療視頻開(kāi)發(fā)環(huán)境

利用這一設計方法，醫療設備設計人員能夠將精力集中在增值功能上，更快的將概念構思變?yōu)楫a(chǎn)品。從低成本模型到高性能產(chǎn)品線(xiàn)，它還實(shí)現了更靈活的系統，可以將設計移植到不同的 Altera 器件中，突出產(chǎn)品優(yōu)勢。

內窺鏡系統

圖2 顯示了物理設備：含有多個(gè)系統組件的內窺鏡塔。通過(guò)手控裝置，外科醫生可以操縱內窺鏡(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(guò)光纖透鏡將內窺鏡探頭連接光源，產(chǎn)生受控的強光照明，外科醫生可以在手術(shù)過(guò)程中控制它。內窺鏡還連接攝像頭，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(guò)視頻路由器將視頻傳送至操作室的醫療級監視器上。內窺鏡塔還包括視頻錄像機或者存儲設備，因此，以后可以查看手術(shù)過(guò)程。最后，內窺鏡塔含有吹入器，將CO2 注入體內，以保持身體的壓力平衡。這種壓力使得醫療專(zhuān)家能夠查看或者對體內的器官和組織進(jìn)行手術(shù)。