采用FPGA方法的内窥镜系统解决方案

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。

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。

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。

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。

IP 内核VIP 套装