利用賽靈思FPGA輕松應對內(nèi)窺鏡系統(tǒng)架構挑戰(zhàn)

光源

光源通過光纜連接到攝像頭，而光則隨后通過另一組光纜傳輸?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/內(nèi)窺鏡">內(nèi)窺鏡的另一端，在采用內(nèi)窺鏡進行檢查和治療的過程中進行對象照明。

部分光源可通過以太網(wǎng)或者其他通信協(xié)議連接到圖像管理單元，因而能夠由使用圖像管理接口的操作人員進行遠程控制。FPGA可用單芯片解決方案來滿足所有的用戶接口和通信要求。Artix-7等小尺寸、低功耗FPGA由于優(yōu)化組合了低功耗、高性能和高度的互連靈活性優(yōu)勢，非常適用于管理光源中的邏輯要求。

顯示

顯示設備是一個關鍵性的組件，能夠影響內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的診斷準確性。醫(yī)用顯示器具有獨特的專用需求，如：異的灰階和黑階性能、廠內(nèi)和現(xiàn)場校準、與可實現(xiàn)診斷和校準的PC通信、可將多臺監(jiān)控器連接在一起顯示單幅圖像、長線纜情況下可進行圖像增強、抗強光、低反射，以及支持多路同步輸入等。顯示監(jiān)控器必須符合嚴格的醫(yī)療安全和質(zhì)量標準。該顯示監(jiān)控器可連接至CCU或者圖像管理單元。另一種常見的情況是一套系統(tǒng)使用多臺顯示監(jiān)控器，其中一臺或者數(shù)臺連接至CCU，以供醫(yī)生或者助理觀察之用，同時將另外的監(jiān)控器連接到圖像管理單元，以供其他人進行觀察或者控制。圖5顯示了典型的方框圖。

圖5 醫(yī)療顯示器方框圖

多種不同的技術解決方案可以滿足顯示監(jiān)控器的邏輯要求。只有FPGA能夠提供可用于整個產(chǎn)品線的低成本且上市進程快的可擴展解決方案。此外，它們不僅能夠支持顯示器中多種多樣的接口標準，而且還能執(zhí)行所需的圖像增強、伽瑪校正、降噪處理功能，從而構成協(xié)調(diào)一致的整體。

如何降低內(nèi)窺鏡系統(tǒng)功耗?

對于內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的設計來說，如何降低功耗是一個重大的挑戰(zhàn)。在醫(yī)療系統(tǒng)中，這項要求源自必須遵從的非常嚴格的安全和質(zhì)量規(guī)定。為了符合安全和質(zhì)量要求，電源設計的成本和復雜性會隨功耗的上升而大幅度增加。系統(tǒng)設計人員一直努力采用最新的技術和設計方法，以期在不犧牲性能的情況下將功耗保持在最低水平。

熱量是另一個推動功耗降低的因素。集成了大量系統(tǒng)門的半導體器件在以高時鐘頻率工作時，產(chǎn)生的熱量必須盡快從系統(tǒng)中散出，才能使組件的溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。為了高效散熱，必須對散熱片、風扇、封裝以及PCB進行精心設計。熱量管理系統(tǒng)會增加系統(tǒng)的總體重量、大小和成本，而增加風扇的轉(zhuǎn)速也會進一步增加功耗。

接口

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)采用多種不同類型的邏輯器件來處理各種各樣的互聯(lián)和處理任務。每個器件都具有獨特的接口要求，這就需要多樣化的互聯(lián)解決方案。內(nèi)窺鏡系統(tǒng)對高帶寬的需求來自多個方面，其中包括高分辨率圖像傳感器、大型顯示器以及通過電線在系統(tǒng)組件之間傳輸串行數(shù)據(jù)等。圖6顯示了用于內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中的通用接口。

圖6 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的通用接口

在解決復雜接口問題時，F(xiàn)PGA能夠在合理的價格水平中提供最高數(shù)量的I/O，并支持大多數(shù)接口標準。因此，普遍將其用于處理內(nèi)窺鏡系統(tǒng)面臨的接口難題。根據(jù)所采用FPGA的大小，系統(tǒng)架構師可以準確判定，為USB等最復雜的功能提供專用的接口器件是最具性價比的做法。

賽靈思FPGA在內(nèi)窺鏡中的應用

賽靈思FPGA不僅僅是一個芯片器件，更是一個設計生態(tài)系統(tǒng)，其配套提供設計工具和全面的IP庫，能幫助用戶迅速開展設計工作。由于該芯片器件是賽靈思設計的，故對系統(tǒng)設計人員來說，無NRE和生產(chǎn)成本，只需開發(fā)設計，下載設計文件到器件，就能完成特定設計的配置工作。

賽靈思FPGA的功耗優(yōu)勢

高功耗要求會增加內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的成本、尺寸和噪聲，同時影響可靠性和性能。賽靈思已經(jīng)生產(chǎn)出高性能、低功耗FPGA，非常適用于內(nèi)窺鏡攝像頭、CCU和顯示器。

通過利用最先進的工藝，賽靈思實現(xiàn)了功耗、性能、成本和特性的最佳平衡。賽靈思賦予了客戶持續(xù)推動每個產(chǎn)品系列的技術節(jié)點進步，輕松將芯片器件升級到新一代工藝技術的能力。

賽靈思FPGA采用的高速DSP模塊可以充分發(fā)揮專用高性能處理Slice的優(yōu)勢，從而穩(wěn)固賽靈思的性能領先地位。賽靈思FPGA還提供了局部存儲器和邏輯資源，能夠充分滿足內(nèi)窺鏡應用的性能要求。同時結合嵌入式處理、標準化I/O和業(yè)經(jīng)驗證的軟IP生態(tài)系統(tǒng)，為客戶提供了一條降低產(chǎn)品開發(fā)風險、成本，縮短開發(fā)周期的捷徑。

采用可擴展設計實現(xiàn)成本節(jié)約

賽靈思Artix-7、Kintex-7和Virtex-7三大7系列FPGA產(chǎn)品采用近乎相同的邏輯架構。這樣實現(xiàn)了跨器件的IP移植性，系統(tǒng)設計人員可以上/下擴展設計，通過單個基礎設計就能高效實現(xiàn)整條產(chǎn)品線。對內(nèi)窺鏡系統(tǒng)來說，這樣做非常有價值，因為具有不同特性集和圖像分辨率的不同系統(tǒng)往往采用各自專有的圖像處理IP或功能。賽靈思的通用器件架構較將RTL從一個FPGA架構移植到另一個FPGA架構的典型做法，讓系統(tǒng)設計人員在重新編碼的成本和時間上均實現(xiàn)了顯著的節(jié)約。

總結

FPGA理想適用于要求小尺寸、低功耗和高性能的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)。賽靈思Spartan-6、Virtex-6和7系列FPGA除了提供與ASIC相媲美的卓越性能外，同時還具有低偶生工程總成本(NRE)、大幅縮短產(chǎn)品上市時間、可擴展設計和高I/O數(shù)量的優(yōu)勢。另外，賽靈思的定制低功耗工藝，結合先進的功耗優(yōu)化工具，較同類競爭解決方案實現(xiàn)了功耗的大幅降低。所有這些優(yōu)勢綜合在一起，讓內(nèi)窺鏡系統(tǒng)開發(fā)人員能夠在預算和功耗約束范圍內(nèi)迅速部署采用最先進技術的系統(tǒng)，從而改善患者的護理。