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新一代醫療內窺鏡需求夯
高彈性、高速設計要求 FPGA一次滿足

【作者: John Sotir/楊濬丞】   2015年09月16日 星期三

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醫療內窺鏡的市場發展帶來了各種挑戰,像是開發團隊必須使用靈活的硬體平台和支援各種平台的開發工具,來提高核心競爭力,使他們能夠針對新標準或者標準的變化而對產品進行更新。FPGA業者對此提供了靈活的解決方案,它們主要是中高階產品,使用了1080P視訊設計平台、DSP構建模組與參考設計。


不斷增長的全球需求

老齡人口比例及胃腸道患病人口的增加,以及對醫療服務需求的增長等很多因素,導致了對內窺鏡檢查的需求的增強。同時,醫生更傾向採用內窺鏡等非置入式治療檢查方法,在提升患者體驗的同時降低總成本。隨著很多國家增加在醫療基礎設施上的投入,新的市場機遇擴大了對下一代內窺鏡系統的需求。然而,設計團隊面對需求的不斷增長,全球競爭的加劇也導致了其產品發佈計畫的推遲。


設備發展趨勢

目前很多內窺鏡平台基於高解析(HD)系統,醫生也不斷要求更清晰的成像(如4K x 2K)。解析度對圖像感應器有很強的依賴性;而處理引擎和內插方法對於確定有效的解析度非常重要。平台差異化還體現在多資料流程操作上。系統需要畫中畫、多路攝影機輸入的視圖或重播,以及友好的GUI支援。在手術室中,系統會包括多個外科手術級監視器。 因此視訊路由和監視器的視訊傳送必須支援各種介面標準,如SDI和HDMI、DisplayPort、CameraLink和GigE Vision等;設備平台也應靈活支援多種標準,和處理更新更高級演算法的能力。其它增強功能包括更高亮度、聚焦度、更強的光學變焦、更好的高清晰數位變焦、較短的設置時間等。如同其它醫療設備一樣,需要進一步減小體積;其它創新領域還包括透鏡起霧解決方案等。


很多內窺鏡系統裝置趨向進一步提高處理性能,從而支援更高級的圖像演算法。隨著圖像感應器技術的進步,可以採集解析度更高的資料流程,進行預處理和後處理。系統需要處理來自攝影鏡頭的大量圖像資料,在處理引擎中實現越來越複雜的處理功能。設計人員需要高性能處理器件來實現這些功能,從而在多個平台上實現靈活的性能;由於能夠整合更多的處理資源,FPGA成為技術節點的首選工具。此外,FPGA的平行處理能力是圖像演算法的優勢所在。非線性處理性能也使其成為圖像感應器積體電路優秀的輔助器件;而且,FPGA高性能IO介面具有多種介面標準 。


醫療視訊開發環境

所以,對Altera而言,就必須提供全面的設計環境,支持工程師迅速開發醫療內窺鏡圖像應用,其1080P視訊設計平台(圖1)整合了Altera及其合作夥伴或者制定視訊處理知識產權(IP)模組和串流接口,連接所需的視訊顯示、傳送和存儲外部接口。在這一平台中,Altera提供的視訊開發套件含有各種參考設計,並提供高級設計工具DSP Builder,整合了MathWorks MATLAB和Simulink,方便設計人員對各種算法進行建模。利用這一設計方法,醫療設備設計人員能夠將精力集中在加值功能上,更快地將概念構思變為產品;它還實現了更靈活的設計系統,可以將設計移植到不同的Altera元件中,突出產品優勢。



圖1 : Altera的醫療視訊開發環境
圖1 : Altera的醫療視訊開發環境

內窺鏡系統

圖2顯示了物理設備:含有多個系統組件的內窺鏡塔。醫生可通過手控裝置操縱內窺鏡;內窺鏡探頭通過光纖透鏡連接光源,產生受控的強光照明,同時還連接攝影鏡頭。手持式攝影鏡頭完成產生高質量視訊的處理,和顯示與視訊傳送功能,通常要求更小的外形。除錄影機或儲存設備外,內窺鏡塔還含有吹入器,將CO2 注入體內以保持壓力平衡。



圖2 : 內窺鏡塔(系統)圖
圖2 : 內窺鏡塔(系統)圖

圖像數據通路和相應的處理功能在邏輯上可以分成三部分(圖3):視訊處理、視訊後處理、視訊顯示和傳輸。



圖3 : 內窺鏡系統功能圖
圖3 : 內窺鏡系統功能圖

攝影鏡頭視訊預處理

在原始視訊圖像的採集和處理階段,內窺鏡攝影鏡頭視訊採用了不同的圖像處理算法。 Altera的定點和浮點設計方法、MATLAB算法及Simulink的系統級設計為設計人員提供了高效的DSP設計方法,實現了高性能FPGA。 Altera FPGA滿足了視訊處理級的設計需求,Cyclone V和Arria V產品在成本和性能上分別適用於大批量和中端應用;Altera還與經驗豐富的設計公司合作,提供攝影鏡頭處理流水線算法解決方案和預處理功能。


視訊後處理

視訊處理,特別是1080p或4K等高解析度非常適合採用FPGA實現。使用Altera現有的解決方案,設計人員可將精力放在某些目標市場的增值功能上。 1080p平台提供了在HDL或Simulink中開發的用戶定義的算法,可以採用Altera的IP內核視訊和圖像處理(VIP)套裝。採用Qsys系統整合工具,很容易在設計中整合標準流協議。


視訊顯示、傳送和儲存

Altera的1080P訊設計平台支持各種視訊和儲存,包括,SDI、DVI、HDMI、DisplayPort、CameraLink、SAS/SATA、USB、定制和專有標準。作為平台的一部分,Altera提供具有雙通道視訊處理流水線的完整上、下及交叉轉換(UDX)參考設計。 4K視訊上轉換格式轉換參考設計通過3G-SDI接口接收1080p視訊格式,將其轉換為4K x 2K解析度,通過四路3G-SDI接口進行輸出。


Altera的內窺鏡系統解決方案

Altera的精度可調DSP、1080p視訊設計平台以及4k參考設計能夠提高設計效能,有利於滿足醫療內窺鏡設備的設計需求。


28 奈米的精度可調DSP

任何高級醫療成像解決方案都需要高性能DSP和高效設計工具才能滿足系統要求。 Altera所提供的DSP Builder工具結合精度可調DSP為視訊算法提供了高效的浮點或定點DSP設計(圖4)。



圖4 : 定制定點或者浮點演算法DSP解決方案
圖4 : 定制定點或者浮點演算法DSP解決方案

利用DSP Builder高級模組庫,設計人員可在MATLAB/Simulink設計中進行高級Simulink綜合以及時序驅動優化。採用Simulink等高級工具,滿足用戶設定的fMAX或者延時來進行設計優化,這一功能在Altera和一些供應商工具中是獨一無二的,能夠避免通常手動處理得到HDL代碼所需的大量時間。


而進入到28奈米製程,其產品自然支持單精度乘法器,非常適合定點和浮點實現。 Altera的Stratix V FPGA具有獨特的精度可調DSP體系結構,性能高達每秒萬億次浮點操作(teraFLOPS)。


1080P視訊設計平台

提高醫療設計團隊的效能需要使用高性能、使用方便、支持各種功能和IP的平台工具。 Altera是唯一提供包括20個視訊功能設計平台的供應商,支持流視訊接口標準,提供6個經過硬件驗證的參考設計,以及多種視訊開發套件。採用Altera的1080p視訊設計平台,設計人員開始已有的工作設計,在常見功能上重新使用經過預驗證的IP,大幅縮短設計時間。


VIP套裝

IP內核VIP套裝(圖5)是1080P視訊設計平台的關鍵組成,其包括20個常用的構建模組功能。此外,Altera合作夥伴提供圖像IP幫助您進行開發,以降低訊號干擾、進行邊沿探測和局部處理、使圖像穩定,或旋轉圖像。



圖5 :  IP內核VIP套裝
圖5 : IP內核VIP套裝

廣播質量參考設計

在現有設備或老一代視訊路由設備和醫療級監視器上安裝新的內窺鏡系統,要求新內窺鏡系統支持新的和已有的視訊標準。 Altera的HD參考設計(高性能Stratix IV GX和低成本Arria V GX開發套件均有提供)支援快速系統配置和設計,面向典型的廣播應用,可以用於醫療視訊應用,實現高解析度顯示、視訊交換、多視角查看等應用(圖6)。



圖6 : 廣播質量參考設計結構圖
圖6 : 廣播質量參考設計結構圖

4K視訊格式上轉換參考設計

圖像解析度是醫生在選擇設備時考慮的主要因素;4K解析度將迅速成為今後主要的視訊增強功能。 Altera減少了系統晶片總數,降低了物料及開發成本,簡化了電路板設計,更好地支持下一代應用。以前的系統需要多達9個晶片來進行4K格式轉換。 Altera的4K視訊格式上轉換參考設計(參見圖7)使用了一片Stratix V FPGA(5SGXEA7)中20%的資源。設計很容易整合,並有足夠的餘量從現有或其它視訊源中實現畫中畫等功能。此外,Stratix V還提供了Altera FPGA新器件系列的移植途徑。



圖7 : 4K視訊格式上轉換參考設計結構圖
圖7 : 4K視訊格式上轉換參考設計結構圖

結論

內窺鏡系統全球市場的快速發展,需要更豐富的產品和更短的開發時間,要求開發者更高效的設計方法。 Altera 1080p視訊設計平台提供了靈活的系統方法來處理不斷發展的功能需求。 Altera的28nm FPGA增強了浮點DSP特性,實現了高性能圖像功能。採用這些解決方案,醫療設備設計團隊能夠將精力集中在加值業務的開發上,加速各種產品的面市。


(本文作者John Sotir、楊濬丞分別為Altera醫療業務部高級經理與戰略營銷經理)


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