采用FPGA方法的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案

引言

對(duì)內(nèi)窺鏡檢查的需求在不斷增長，同時(shí)還需要不斷改進(jìn)檢查過程，增強(qiáng)醫(yī)療設(shè)備的功能。全球競爭不斷加劇，導(dǎo)致各種新功能的出現(xiàn)，新市場的變化也非?？?，開發(fā)周期越來越短，工程團(tuán)隊(duì)必須集中精力提高核心競爭力，加強(qiáng)系統(tǒng)知識(shí)。工程師需要靈活的硬件平臺(tái)和支持各種平臺(tái)的工作臺(tái)工具，使他們能夠針對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)或者標(biāo)準(zhǔn)的變化而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更新。此外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須更高效的進(jìn)行開發(fā)工作。Altera® 1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)和28-nm FPGA 提供了靈活的系統(tǒng)方法來滿足當(dāng)前以及不斷發(fā)展的功能需求。

設(shè)備發(fā)展趨勢

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)需要越來越多的功能。很多內(nèi)窺鏡平臺(tái)都是高清晰(HD) 系統(tǒng)。然而，隨著技術(shù)創(chuàng)新的不斷深入，外科醫(yī)生還是不斷要求更清晰的平臺(tái)。分辨率對(duì)圖像傳感器有很強(qiáng)的依賴性;而處理引擎和內(nèi)插方法對(duì)于確定有效的分辨率非常重要。今后的平臺(tái)將需要更高的分辨率，例如，4K x 2K。平臺(tái)差異化還體現(xiàn)在多數(shù)據(jù)流操作上。系統(tǒng)需要畫中畫、多路攝像機(jī)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)。用戶友好的GUI應(yīng)支持從一種模式向另一種模式的切換。在手術(shù)室中，內(nèi)窺鏡系統(tǒng)會(huì)包括多個(gè)外科手術(shù)級(jí)監(jiān)視器，以便外科醫(yī)生和護(hù)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(nèi)窺鏡視頻并排顯示。視頻路由器和監(jiān)視器的視頻傳送必須支持各種接口標(biāo)準(zhǔn)，例如，SDI 和HDMI，以及DisplayPort、CameraLink 和GigE Vision 等新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備平臺(tái)將支持多種標(biāo)準(zhǔn)，包括已有的和今后的，以及修訂更新或者更高級(jí)的算法。

其他增強(qiáng)功能包括越來越強(qiáng)的亮度、聚焦度、光學(xué)變焦能力，以及更好的高清晰數(shù)字變焦等。為支持更高效的設(shè)備和手術(shù)室應(yīng)用，設(shè)備應(yīng)具有較短的設(shè)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(yī)療設(shè)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(xiàn)更小的便攜式車載系統(tǒng)，而更小的塔式系統(tǒng)使得更容易完成檢查后的清理工作。

Altera 的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案

Altera 的精度可調(diào)DSP、1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)以及4k 參考設(shè)計(jì)能夠提高設(shè)計(jì)效能，有利于滿足醫(yī)療內(nèi)窺鏡設(shè)備的設(shè)計(jì)需求。

28 nm 的精度可調(diào)DSP

在任何高級(jí)醫(yī)療成像解決方案中，需要高性能DSP 資源和高效的設(shè)計(jì)工具才能滿足系統(tǒng)要求。如圖4 所示，Altera 的DSP Builder 工具結(jié)合精度可調(diào)DSP 為視頻算法提供了高效的浮點(diǎn)或者定點(diǎn)DSP 設(shè)計(jì)。

定制定點(diǎn)或者浮點(diǎn)算法DSP 解決方案

利用DSP Builder 高級(jí)模塊庫，設(shè)計(jì)人員可以在MATLAB/Simulink 設(shè)計(jì)中進(jìn)行高級(jí)Simulink 綜合以及時(shí)序驅(qū)動(dòng)優(yōu)化。采用Simulink 等高級(jí)工具，滿足用戶設(shè)定的fMAX 或者延時(shí)來進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，這一功能在Altera 和一些供應(yīng)商工具中是獨(dú)一無二的。基本上，這表明設(shè)計(jì)人員可以設(shè)定一個(gè)“ 表盤”，為您的系統(tǒng)選擇合適的fMAX 和延時(shí)，DSP Builder 工具會(huì)完成剩余的工作。工具會(huì)加入寄存器，以提高fMAX，或者對(duì)某些關(guān)鍵通路進(jìn)行并行處理，以滿足延時(shí)約束要求，避免了花費(fèi)數(shù)星期手動(dòng)處理得到的HDL代碼。

Altera 的28-nm FPGA 自然支持單精度乘法器，非常適合定點(diǎn)和浮點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。Altera 的Stratix V FPGA 具有獨(dú)特的精度可調(diào)DSP 體系結(jié)構(gòu)，性能高達(dá)每秒萬億次浮點(diǎn)操作(teraFLOPS)。

1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)

提高醫(yī)療設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的效能需要使用高性能工作臺(tái)工具，這一工具應(yīng)使用方便，支持各種功能和IP。雖然其他FPGA 供應(yīng)商提供一些單獨(dú)的視頻功能，而Altera 是唯一提供包括20 個(gè)視頻功能設(shè)計(jì)工作臺(tái)的供應(yīng)商，支持流視頻接口標(biāo)準(zhǔn)，提供6 個(gè)經(jīng)過硬件驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)，以及多種視頻開發(fā)套件。采用Altera 的1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)，設(shè)計(jì)人員開始已有的工作設(shè)計(jì)，在常見功能上重新使用經(jīng)過預(yù)驗(yàn)證的IP，例如，縮放、去隔行和合成，加入到定制功能或者OEM 的內(nèi)部IP 中，與從頭開發(fā)新設(shè)計(jì)相比，在更短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)。

VIP 套裝

1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)的關(guān)鍵組成是IP 內(nèi)核VIP 套裝，如圖5 所示，用在各種圖像數(shù)據(jù)通路上。VIP 套裝包括20 個(gè)常用的構(gòu)建模塊功能，從簡單的顏色空間轉(zhuǎn)換器和alpha 混合合成器，到多相縮放和運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)去隔行等非常復(fù)雜的功能。此外，Altera合作伙伴提供圖像IP 幫助您進(jìn)行開發(fā)，以降低噪聲，進(jìn)行邊沿探測和局部處理，使圖像穩(wěn)定，或者旋轉(zhuǎn)圖像。

IP 內(nèi)核VIP 套裝