资深专家支招:如何缩短高级医疗内窥镜系统的开发时间

　　电子发烧友网核心提示：医疗内窥镜的市场发展带来了各种挑战，例如，要求增强功能，更高的精度，更好的处理性能，以及更小的体积等。本文介绍Altera高级医疗内窥镜系统解决方案，它使用了1080p视频设计工作台、DSP 构建模块、参考设计，以及 Stratix® V、Cyclone® V 和 Arria® V FPGA 等。通过下文介绍，资深专家向您支招，教你懂得如何通过采用基于FPGA的方法来缩短高级医疗内窥镜系统的开发时间。

　　引言

　　对内窥镜检查的需求在不断增长，同时还需要不断改进检查过程，增强医疗设备的功能。全球竞争不断加剧，导致各种新功能的出现，新市场的变化也非常快，开发周期越来越短，工程团队必须集中精力提高核心竞争力，加强系统知识。工程师需要灵活的硬件平台和支持各种平台的工作台工具，使他们能够针对新标准或者标准的变化而对产品进行更新。此外，设计团队必须更高效的进行开发工作。Altera® 1080p 视频设计工作台和28-nm FPGA提供了灵活的系统方法来满足当前以及不断发展的功能需求。

　　不断增长的全球需求

　　很多因素导致对内窥镜检查的需求越来越强。今后数十年内，世界60岁以上的人口数量将会大幅度增长，对医疗卫生服务的需求也会随之增长。而且，胃肠道患病人口在不断增加，需要进行检查和治疗。越来越多的医生采用内窥镜检查方法。很多政府报销政策鼓励非置入式治疗，这有利于患者更快的恢复，从而降低了治疗总成本，患者的体验会更好。

　　很多国家增加了在医疗基础设施上的投入，特别是加大了医疗设备的采购。反过来，这些新市场需求也扩大了对下一代内窥镜系统的需求。设计团队体验到需求的不断增长，而全球竞争导致他们推迟其产品发布计划。

　　设备发展趋势

　　内窥镜系统需要越来越多的功能。很多内窥镜平台都是高清晰 （HD）系统。然而，随着技术创新的不断深入，外科医生还是不断要求更清晰的平台。分辨率对图像传感器有很强的依赖性；而处理引擎和内插方法对于确定有效的分辨率非常重要。今后的平台将需要更高的分辨率，例如，4K x 2K。

　　平台差异化还体现在多数据流操作上。系统需要画中画、多路摄像机输入的并排视图或者录像回放，以及多路图像视图 （同时播放四路或者更多的图像）。用户友好的GUI应支持从一种模式向另一种模式的切换。在手术室中，内窥镜系统会包括多个外科手术级监视器，以便外科医生和护士查看。在这些环境中，存档图像或者透视图像会与输入的内窥镜视频并排显示。视频路由器和监视器的视频传送必须支持各种接口标准，例如，SDI 和 HDMI，以及 DisplayPort、CameraLink 和 GigE Vision 等新出现的标准。设备平台将支持多种标准，包括已有的和今后的，以及修订更新或者更高级的算法。

　　其他增强功能包括越来越强的亮度、聚焦度、光学变焦能力，以及更好的高清晰数字变焦等。为支持更高效的设备和手术室应用，设备应具有较短的设置时间（例如，更快的白平衡）。其他的创新领域包括透镜起雾解决方案等。

　　最后，和其他医疗设备一样，也需要进一步减小外形体积。更高的集成度可以实现更小的便携式车载系统，而更小的塔式系统使得更容易完成检查后的清理工作。

　　技术要求

　　很多内窥镜系统设备趋向于进一步提高处理性能，从而支持更高级的图像算法。随着图像传感器技术的进步，可以采集分辨率更高的数据流，进行预处理和后处理。系统需要处理来自摄像头的大量图像数据，在处理引擎中实现越来越复杂的处理功能。

　　设计人员需要在高性能处理器件中实现这些功能，例如，FPGA等，从而在多个平台上实现灵活的性能。由于每一代器件能够集成更多的处理资源（例如，逻辑单元（LE）、支持浮点的数字信号处理（DSP）资源、管芯存储器以及更快的I/O支持等 ），因此，FPGA将成为技术节点的首选工艺。此外，FPGA固有结构使其能够进行并行处理，这是图像算法的优势所在。

　　灵活的可编程 FPGA是图像传感器集成电路很好的辅助器件，这是因为此类器件能够进行非线性处理。而且，FPGA 具有高性能 I/O 功能，支持 SDI、DVI、SAS/SATA 和 USB 等接口标准。

　　医疗视频开发环境

　　Altera提供全面的设计环境，支持工程师迅速开发医疗内窥镜图像应用，提高设计效能。如图1 所示，它包括1080p视频设计工作台，这一工作台集成了Altera、Altera合作伙伴或者定制视频处理知识产权（IP）模块和流接口，连接所需的视频显示、传送和存储外部接口。在这一工作台中，Altera提供的视频开发套件含有各种参考设计。Altera 还提供 DSP Builder 软件，这一高级设计工具集成了 MathWorks MATLAB 和Simulink软件。设计人员可以使用这一软件对各种算法进行建模，集成 1080p视频设计工作台。

　　
图 1 Altera的医疗视频开发环境

　　利用这一设计方法，医疗设备设计人员能够将精力集中在增值功能上，更快的将概念构思变为产品。从低成本模型到高性能产品线，它还实现了更灵活的系统，可以将设计移植到不同的 Altera 器件中，突出产品优势。

　　内窥镜系统

　　图2 显示了物理设备：含有多个系统组件的内窥镜塔。通过手控装置，外科医生可以操纵内窥镜（刚性的或者柔性的），它包括透镜、光通路、工具以及水 /气出口等。通过光纤透镜将内窥镜探头连接光源，产生受控的强光照明，外科医生可以在手术过程中控制它。内窥镜还连接摄像头，它含有图像传感器（单芯片或者三芯片阵列）和视频预处理器电子器件。由于摄像头是手持式的，因此，它通常要求更小的外形。摄像头连接至视频处理盒，完成产生高质量视频的处理功能。它还完成显示和视频传送功能，将手术视频传送至本地显示器，或者通过视频路由器将视频传送至操作室的医疗级监视器上。内窥镜塔还包括视频录像机或者存储设备，因此，以后可以查看手术过程。最后，内窥镜塔含有吹入器，将CO2 注入体内，以保持身体的压力平衡。这种压力使得医疗专家能够查看或者对体内的器官和组织进行手术。

　　
图2.内窥镜塔（系统）图

　　图像数据通路和相应的处理功能可以在逻辑上分成三部分（参见图3）：视频处理；视频后处理；视频显示和传输。

　　
图 3. 内窥镜系统功能图

　　摄像头视频预处理

　　在原始视频图像的视频采集和处理阶段，内窥镜摄像头视频采用了不同的图像处理算法。图像规划人员使用高级软件工具对各种算法和结果进行建模。设计人员可以使用开放源工具箱进行图像寄存和分段处理。这些工具通过软件对图像应用和算法开发进行了优化，但并不在 FPGA 中实现。Altera 的定点和浮点设计方法、在 MATLAB 软件中开发的算法，以及Simulink软件中的系统级设计为设计人员提供了高效的DSP设计方法，实现了高性能FPGA。Altera还与业界经验丰富的设计公司合作，提供摄像头处理流水线算法解决方案和预处理功能。Altera Cyclone V 和 Arria V FPGA 满足了这一视频处理级的设计需求：

　　Cyclone V器件实现了业界最低的系统成本和功耗，其性能水平使得该器件系列成为突出您大批量应用优势的理想选择。

　　对于中端应用，Arria V FPGA 在成本和性能上达到均衡，总功耗也是最低的。

　　视频后处理

　　视频处理非常适合采用FPGA实现，特别是向1080p HD或者4K分辨率发展。使用Altera现有的视频后处理解决方案，设计人员可以将精力放在某些目标市场的增值功能上。1080p工作台可以采用Altera的IP内核视频和图像处理（VIP）套装，它提供了在HDL或者 Simulink中开发的用户定义的算法。采用Qsys系统集成工具，很容易在设计中集成标准流协议。

　　视频显示、传送和存储

　　Altera的 1080p视频设计工作台支持各种视频和存储接口，包括，SDI、DVI、HDMI、DisplayPort、CameraLink、SAS/SATA、USB、定制和专有标准。作为这一工作台的一部分，Altera提供完整的上、下和交叉转换 （UDX）参考设计，它具有双通道视频处理流水线，您可以迅速启动设计。4K分辨率画面清晰真实，是必须的视频增强功能。4K视频上转换格式转换参考设计通过3G-SDI接口接收1080p视频格式，将其上转换为4K x 2K分辨率，通过四路 3G-SDI接口进行输出。

　　Altera 的内窥镜系统解决方案

　　Altera的精度可调DSP、1080p视频设计工作台以及 4k参考设计能够提高设计效能，有利于满足医疗内窥镜设备的设计需求。

　　28 nm 的精度可调 DSP

　　在任何高级医疗成像解决方案中，需要高性能DSP资源和高效的设计工具才能满足系统要求。如图4 所示，Altera 的 DSP Builder 工具结合精度可调 DSP 为视频算法提供了高效的浮点或者定点DSP设计。

　　
图 4. 定制定点或者浮点算法 DSP 解决方案

　　利用DSP Builder高级模块库，设计人员可以在MATLAB/Simulink 设计中进行高级Simulink 综合以及时序驱动优化。采用 Simulink 等高级工具，满足用户设定的 fMAX 或者延时来进行设计优化，这一功能在Altera和一些供应商工具中是独一无二的。基本上，这表明设计人员可以设定一个 “表盘”，为您的系统选择合适的 fMAX 和延时，DSP Builder 工具会完成剩余的工作。工具会加入寄存器，以提高 fMAX，或者对某些关键通路进行并行处理，以满足延时约束要求，避免了花费数星期手动处理得到的HDL代码。

　　Altera 的 28-nm FPGA 自然支持单精度乘法器，非常适合定点和浮点实现。Altera 的Stratix V FPGA 具有独特的精度可调 DSP 体系结构，性能高达每秒万亿次浮点操作（teraFLOPS）。

　　1080p 视频设计工作台

　　提高医疗设计团队的效能需要使用高性能工作台工具，这一工具应使用方便，支持各种功能和IP。虽然其他FPGA供应商提供一些单独的视频功能，而Altera是唯一提供包括20个视频功能设计工作台的供应商，支持流视频接口标准，提供6个经过硬件验证的参考设计，以及多种视频开发套件。采用 Altera 的 1080p 视频设计工作台，设计人员开始已有的工作设计，在常见功能上重新使用经过预验证的IP，例如，缩放、去隔行和合成，加入到定制功能或者 OEM的内部IP中，与从头开发新设计相比，在更短的时间内完成设计。

　　VIP 套装

　　1080p视频设计工作台的关键组成是IP内核 VIP套装，如图5 所示，用在各种图像数据通路上。VIP套装包括20个常用的构建模块功能，从简单的颜色空间转换器和alpha混合合成器，到多相缩放和运动自适应去隔行等非常复杂的功能。此外，Altera合作伙伴提供图像IP帮助您进行开发，以降低噪声，进行边沿探测和局部处理，使图像稳定，或者旋转图像。

　　
图 5. IP内核 VIP 套装

　　广播质量参考设计

　　可以在现有设备或者其他供应商的老一代视频路由设备和医疗级监视器上安装新的内窥镜系统。这一设置要求新内窥镜系统支持新的和已有的视频标准。Altera的HD参考设计实现了隔行和逐行格式视频标准清晰 （SD）、HD和3-Gbps视频流的高质量UDX设计。这些参考设计软件和硬件可配置，支持快速系统配置和设计。设计面向典型的广播应用，可以用于医疗视频应用中，实现高分辨率显示、视频交换机、多视角查看、转换器以及远程医疗会议等应用。请参考图6。高性能 Stratix IV GX 和低成本 Arria V GX开发套件都提供这些参考设计。

　　
图 6. 广播质量参考设计结构图

　　4K 视频格式上转换参考设计

　　在选择设备时，内窥镜外科医生考虑的主要因素是较高的图像分辨率。4K分辨率具有图像更清晰、更逼真等优势，因此，迅速成为今后主要的视频增强功能。Altera减少了系统芯片总数，降低了最终产品的材料 （BOM）成本以及开发成本，简化了电路板设计，从而更好的支持下一代应用。以前的系统需要多达 9个商用芯片来进行 4K格式转换 （4 个 1080p 格式转换芯片和 5 个用于 SDI 输入输出的芯片 ）。Altera 的 4K 视频格式上转换参考设计（参见图7） 使用了一片 Stratix V FPGA （5SGXEA7） 中 20% 的资源。设计很容易集成，有足够的余量从现有或者其他视频源中实现画中画功能，以及其他视频功能，例如，DisplayPort、HDMI 和视频压缩 （ 编码 / 解码 ） 处理等。使用Stratix V 器件还提供了 Altera FPGA新器件系列的移植途径，支持设计人员使用新器件特性和功能。

　　
图 7. 4K视频格式上转换参考设计结构图

　　结论

　　在内窥镜系统市场全球化发展背景下，需要更多的产品型号，同时还要缩短开发新平台的时间。工程团队应采用省时而又高效的设计方法。Altera 1080p 视频设计工作台提供了灵活的系统方法来处理当前以及不断发展的功能需求。Altera 的 28-nm FPGA 增强了浮点DSP特性，高效的实现了高性能图像功能。采用这些解决方案，医疗设备设计团队能够将精力集中在开发增值业务上，加速各种产品型号的面市。