Enclustra瑞苏盈科FPGA核心板在4K医疗内窥镜中的应用

前言

随着技术的发展，医学影像作为科学技术的主要成就之一，在无创诊断和治疗领域已经有了多种应用。其中一个应用是内窥镜，在20世纪90年代，当利用电荷耦合装置将图像传输到显示器上成为可能时，内窥镜变得更加广泛。为了帮助医生更好地识别和定位病灶，厂商不断提高内窥镜的分辨率，人体医疗内窥镜的分辨率从1080P逐渐发展到如今的4K。除此之外，荧光和3D技术都被创造性地加入，以进一步帮助医生更准确地诊断人体并进行手术。日前，工信部在《医疗装备产业发展规划 (2021-2025年) 》中，对医疗装备重点发展、突破方向作了详细规划，其中包含了要重点突破医用内窥镜等影像诊断设备的战略目标。
 

 

技术挑战

在临床环节中，内窥镜应用允许的最大图像延迟在50至150毫秒之间。然而，对于外科手术来说，内窥镜需要实时或接近实时地做出反应，同时执行图像校正、色彩噪声修复、边缘增强、缩放等功能。此外该应用的终端应该尽量小巧，显示具备4K清晰度，3D，荧光并支持SDI/HDMI接口。4K只需要一个高清摄像头，而荧光和3D分别需要额外的一个高清摄像头，这也对核心板资源、数据传输和处理速率、算法效率提出了挑战。
 

 

解决方案

以Enclustra FPGA SoC为核心技术的内窥镜系统可以做到实时4K视频流。4K图像传感器负责捕捉图像信息，而图像的信号处理则由Enclustra的Mercury+ XU8 FPGA（SoC）模块完成。捕获的视频流被送入Mercury+ XU8 FPGA（SoC）模块进行图像预处理，然后通过图像管理和存储单元，将处理后的高清图像通过显示接口呈现在高清显示器上供外科医生观看。瑞苏盈科长期占据赛灵思首页的Mercury+ XU8核心板提供XCZU4CG、XCZU5EV、XCZU7EV三个型号，用户在需要更多资源时可选择更高端的型号，升级换代简单便捷。
 

 

水星Mercury+ XU8核心板
 

结构框图

 
除了Enclustra Mercury+ XU8 FPGA (SoC)，还有其他的SoC可以考虑用来实现这一应用，例如Mercury+ XU5, Mercury+ XU9。使用Enclustra Mercury+ XU8 FPGA (SoC)模块可以实现硬件系统的高度集成，大大缩短开发时间。同时，通过支持各种外围接口，可以更加快速方便的实现未来的功能更新和扩展。由于瑞苏盈科庞大的产品序列，用户可在Xilinx Kintex-7、Zynq-7000、Zynq Ultrascale+ MPSoC等系列的多款核心板模块中进行选择。瑞苏盈科的核心板模块在其系列（火星Mars、水星Mercury、仙女座Andromeda）内与其他大部分核心板管脚兼容，这意味着用户还可以规划明确的升级路径，升级换代时所付出的工程量大大减小，甚至可以在项目开发的过程中临时更改核心板型号。瑞苏盈科的FPGA核心板模块最低预期生命周期为10年以上，同时在设计硬件时着重考虑产品前瞻的可用性和性能，所有产品均可长期交付。
 

核心板模块系列