利用賽靈思FPGA輕松應(yīng)對(duì)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)架構(gòu)挑戰(zhàn)

本文將對(duì)賽靈思FPGA進(jìn)行全面論述，介紹其如何幫助內(nèi)窺鏡制造商克服復(fù)雜的設(shè)計(jì)約束，生產(chǎn)出極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品;如何幫助他們成功構(gòu)建外形小巧的低功耗內(nèi)窺鏡攝像頭、高性價(jià)比的攝像機(jī)控制單元(CCU)，以及多功能、低成本的圖像管理設(shè)備。

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)介紹

在某些疾病的診斷中，內(nèi)窺鏡擁有當(dāng)今其他技術(shù)不可匹敵的卓越性能，如在結(jié)腸和潰瘍息肉或消化道真菌的檢查中。采用內(nèi)窺鏡診斷不僅可以避免輻射，而且對(duì)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(shì)，醫(yī)生紛紛采用內(nèi)窺鏡技術(shù)，并不斷要求實(shí)現(xiàn)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(yīng)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(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)，內(nèi)窺鏡極大地提高了患者的護(hù)理質(zhì)量。醫(yī)療機(jī)構(gòu)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(yī)生希望設(shè)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(shè)備的時(shí)候在盡量長(zhǎng)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(nèi)窺操作中，醫(yī)生需要通過(guò)小切口插入內(nèi)窺鏡，以獲得可用的目標(biāo)圖像。在使用纖維內(nèi)窺鏡的診斷過(guò)程中，醫(yī)生需要手持內(nèi)窺鏡一段時(shí)間。在手術(shù)過(guò)程中，雖然可將設(shè)備安裝在機(jī)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(tǒng)尺寸小，電子產(chǎn)品的發(fā)熱量必須低，因?yàn)榭捎糜跓岷纳⒌目臻g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(yīng)商既要最大限度地縮小電子系統(tǒng)的機(jī)械尺寸，同時(shí)又要克服低功耗設(shè)計(jì)約束帶來(lái)的更大挑戰(zhàn)。

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)架構(gòu)

典型的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)擁有五大組件(圖1)。

圖1 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)組件

攝像頭

攝像頭是一套物理設(shè)備，其內(nèi)置CCD或CMOS圖像傳感器、預(yù)處理電子系統(tǒng)、光源接線以及水管、空氣、真空和活組織檢查工具等各種機(jī)械構(gòu)件。

在纖維內(nèi)窺鏡中，圖像傳感器位于插管的遠(yuǎn)端;而在硬管內(nèi)窺鏡中，傳感器位于插管的近端，往往就在攝像頭的內(nèi)部?？赏ㄟ^(guò)向攝像頭輸送電力和在兩個(gè)單元之間傳輸數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)難題之一是要最大限度地縮小機(jī)械外形和電子線路的尺寸，以實(shí)現(xiàn)更高的易用性。為了進(jìn)一步縮小外形尺寸，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可以減少攝像頭所執(zhí)行處理功能的數(shù)量，這就需要將絕大多數(shù)的圖像處理功能讓CCU來(lái)承擔(dān)。圖2顯示了內(nèi)窺鏡攝像頭典型的系統(tǒng)級(jí)功能方框圖。

圖2 內(nèi)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?shù)较掠蔚膱D像處理鏈中，最后傳輸給CCU。圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(bǔ)，并將拜爾圖像轉(zhuǎn)換到RGB色域。隨后再用RGB圖像對(duì)自動(dòng)曝光、增益、白平衡以及對(duì)焦等其他參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行控制。

攝像頭設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

內(nèi)窺鏡所用圖像傳感器和模擬電路系統(tǒng)的電源噪聲容限較低。雖然電源是通過(guò)CCU的長(zhǎng)電纜輸送到攝像頭上的，但攝像頭中另安排有電源穩(wěn)壓和濾波電路，以保持?jǐn)z像頭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)尖峰的穩(wěn)定供電。電源穩(wěn)壓必須精心設(shè)計(jì)，因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)長(zhǎng)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(tǒng)中，電壓尖峰可通過(guò)穩(wěn)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(nèi)窺鏡攝像頭這樣的小型系統(tǒng)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(tǒng)的本地噪聲。

在選擇內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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)能以最佳的性價(jià)比為內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)人員提供低功耗的單芯片解決方案。