医疗内窥镜的市场发展带来了各种挑战，像是开发团队必须使用灵活的硬体平台和支援各种平台的开发工具，来提高核心竞争力，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。 FPGA业者对此提供了灵活的解决方案，它们主要是中高阶产品，使用了1080P视讯设计平台、DSP构建模组与参考设计。

不断增长的全球需求

老龄人口比例及胃肠道患病人口的增加，以及对医疗服务需求的增长等很多因素，导致了对内窥镜检查的需求的增强。同时，医生更倾向采用内窥镜等非置入式治疗检查方法，在提升患者体验的同时降低总成本。随着很多国家增加在医疗基础设施上的投入，新的市场机遇扩大了对下一代内窥镜系统的需求。然而，设计团队面对需求的不断增长，全球竞争的加剧也导致了其产品发布计画的推迟。

设备发展趋势

目前很多内窥镜平台基于高解析（HD）系统，医生也不断要求更清晰的成像（如4K x 2K）。解析度对图像感应器有很强的依赖性；而处理引擎和内插方法对于确定有效的解析度非常重要。平台差异化还体现在多资料流程操作上。系统需要画中画、多路摄影机输入的视图或重播，以及友好的GUI支援。在手术室中，系统会包括多个外科手术级监视器。 因此视讯路由和监视器的视讯传送必须支援各种介面标准，如SDI和HDMI、DisplayPort、CameraLink和GigE Vision等；设备平台也应灵活支援多种标准，和处理更新更高级演算法的能力。其它增强功能包括更高亮度、聚焦度、更强的光学变焦、更好的高清晰数位变焦、较短的设置时间等。如同其它医疗设备一样，需要进一步减小体积；其它创新领域还包括透镜起雾解决方案等。

很多内窥镜系统装置趋向进一步提高处理性能，从而支援更高级的图像演算法。随着图像感应器技术的进步，可以采集解析度更高的资料流程，进行预处理和后处理。系统需要处理来自摄影镜头的大量图像资料，在处理引擎中实现越来越复杂的处理功能。设计人员需要高性能处理器件来实现这些功能，从而在多个平台上实现灵活的性能；​​由于能够整合更多的处理资源，FPGA成为技术节点的首选工具。此外，FPGA的平行处理能力是图像演算法的优势所在。非线性处理性能也使其成为图像感应器积体电路优秀的辅助器件；而且，FPGA高性能IO介面具有多种介面标准。

医疗视讯开发环境

所以，对Altera而言，就必须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，其1080P视讯设计平台（图1）整合了Altera及其合作伙伴或者制定视讯处理知识产权( IP)模组和串流接口，连接所需的视讯显示、传送和存储外部接口。在这一平台中，Altera提供的视讯开发套件含有各种参考设计，并提供高级设计工具DSP Builder，整合了MathWorks MATLAB和Simulink，方便设计人员对各种算法进行建模。利用这一设计方法，医疗设备设计人员能够将精力集中在加值功能上，更快地将概念构思变为产品；它还实现了更灵活的设计系统，可以将设计移植到不同的Altera元件中，突出产品优势。

图1 : Altera的医疗视讯开发环境

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。医生可通过手控装置操纵内窥镜；内窥镜探头通过光纤透镜连接光源，产生受控的强光照明，同时还连接摄影镜头。手持式摄影镜头完成产生高质量视讯的处理，和显示与视讯传送功能，通常要求更小的外形。除录影机或储存设备外，内窥镜塔还含有吹入器，将CO2 注入体内以保持压力平衡。

图2 : 内窥镜塔（系统）图

图像数据通路和相应的处理功能在逻辑上可以分成三部分(图3)：视讯处理、视讯后处理、视讯显示和传输。

图3 : 内窥镜系统功能图

摄影镜头视讯预处理

在原始视讯图像的采集和处理阶段，内窥镜摄影镜头视讯采用了不同的图像处理算法。 Altera的定点和浮点设计方法、MATLAB算法及Simulink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 FPGA满足了视讯处理级的设计需求，Cyclone V和Arria V产品在成本和性能上分别适用于大批量和中端应用；Altera还与经验丰富的设计公司合作，提供摄影镜头处理流水线算法解决方案和预处理功能。

视讯后处理

视讯处理，特别是1080p或​​4K等高解析度非常适合采用FPGA实现。使用Altera现有的解决方案，设计人员可将精力放在某些目标市场的增值功能上。 1080p平台提供了在HDL或Simulink中开发的用户定义的算法，可以采用Altera的IP内核视讯和图像处理(VIP)套装。采用Qsys系统整合工具，很容易在设计中整合标准流协议。

视讯显示、传送和储存

Altera的1080P讯设计平台支持各种视讯和储存，包括，SDI、DVI、HDMI、DisplayPort、CameraLink、SAS/SATA、USB、定制和专有标准。作为平台的一部分，Altera提供具有双通道视讯处理流水线的完整上、下及交叉转换(UDX)参考设计。 4K视讯上转换格式转换参考设计通过3G-SDI接口接收1080p视讯格式，将其转换为4K x 2K解析度，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视讯设计平台以及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 奈米的精度可调DSP

任何高级医疗成像解决方案都需要高性能DSP和高效设计工具才能满足系统要求。 Altera所提供的DSP Builder工具结合精度可调DSP为视讯算法提供了高效的浮点或定点DSP设计（图4）。

图4 : 定制定点或者浮点演算法DSP解决方案

利用DSP Builder高级模组库，设计人员可在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，能够避免通常手动处理得到HDL代码所需的大量时间。

而进入到28奈米制程，其产品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视讯设计平台

提高医疗设计团队的效能需要使用高性能、使用方便、支持各种功能和IP的平台工具。 Altera是唯一提供包括20个视讯功能设计平台的供应商，支持流视讯接口标准，提供6个经过硬件验证的参考设计，以及多种视讯开发套件。采用Altera的1080p视讯设计平台，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，大幅缩短设计时间。

VIP套装

IP内核VIP套装（图5）是1080P视讯设计平台的关键组成，其包括20个常用的构建模组功能。此外，Altera合作伙伴提供图像IP帮助您进行开发，以降低讯号干扰、进行边沿探测和局部处理、使图像稳定，或旋转图像。

图5 : IP内核VIP套装

广播质量参考设计

在现有设备或老一代视讯路由设备和医疗级监视器上安装新的内窥镜系统，要求新内窥镜系统支持新的和已有的视讯标准。 Altera的HD参考设计（高性能Stratix IV GX和低成本Arria V GX开发套件均有提供）支援快速系统配置和设计，面向典型的广播应用，可以用于医疗视讯应用，实现高解析度显示、视讯交换、多视角查看等应用（图6）。

图6 : 广播质量参考设计结构图

4K视讯格式上转换参考设计

图像解析度是医生在选择设备时考虑的主要因素；4K解析度将迅速成为今后主要的视讯增强功能。 Altera减少了系统晶片总数，降低了物料及开发成本，简化了电路板设计，更好地支持下一代应用。以前的系统需要多达9个晶片来进行4K格式转换。 Altera的4K视讯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。设计很容易整合，并有足够的余量从现有或其它视讯源中实现画中画等功能。此外，Stratix V还提供了Altera FPGA新器件系列的移植途径。

图7 : 4K视讯格式上转换参考设计结构图

结论

内窥镜系统全球市场的快速发展，需要更丰富的产品和更短的开发时间，要求开发者更高效的设计方法。 Altera 1080p视讯设计平台提供了灵活的系统方法来处理不断发展的功能需求。 Altera的28nm FPGA增强了浮点DSP特性，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加值业务的开发上，加速各种产品的面市。

（本文作者John Sotir、杨浚丞分别为Altera医疗业务部高级经理与战略营销经理）