利用賽靈思FPGA輕松應(yīng)對(duì)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)架構(gòu)挑戰(zhàn)

光源

光源通過(guò)光纜連接到攝像頭，而光則隨后通過(guò)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(jìn)行檢查和治療的過(guò)程中進(jìn)行對(duì)象照明。

部分光源可通過(guò)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(jìn)行遠(yuǎn)程控制。FPGA可用單芯片解決方案來(lái)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(shì)，非常適用于管理光源中的邏輯要求。

顯示

顯示設(shè)備是一個(gè)關(guān)鍵性的組件，能夠影響內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的診斷準(zhǔn)確性。醫(yī)用顯示器具有獨(dú)特的專用需求，如：異的灰階和黑階性能、廠內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)、與可實(shí)現(xiàn)診斷和校準(zhǔn)的PC通信、可將多臺(tái)監(jiān)控器連接在一起顯示單幅圖像、長(zhǎng)線纜情況下可進(jìn)行圖像增強(qiáng)、抗強(qiáng)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(yán)格的醫(yī)療安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。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(tái)顯示監(jiān)控器，其中一臺(tái)或者數(shù)臺(tái)連接至CCU，以供醫(yī)生或者助理觀察之用，同時(shí)將另外的監(jiān)控器連接到圖像管理單元，以供其他人進(jìn)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(shù)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(gè)產(chǎn)品線的低成本且上市進(jìn)程快的可擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)，而且還能執(zhí)行所需的圖像增強(qiáng)、伽瑪校正、降噪處理功能，從而構(gòu)成協(xié)調(diào)一致的整體。

如何降低內(nèi)窺鏡系統(tǒng)功耗?

對(duì)于內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，如何降低功耗是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。在醫(yī)療系統(tǒng)中，這項(xiàng)要求源自必須遵從的非常嚴(yán)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(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜性會(huì)隨功耗的上升而大幅度增加。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員一直努力采用最新的技術(shù)和設(shè)計(jì)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(gè)推動(dòng)功耗降低的因素。集成了大量系統(tǒng)門的半導(dǎo)體器件在以高時(shí)鐘頻率工作時(shí)，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(duì)散熱片、風(fēng)扇、封裝以及PCB進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。熱量管理系統(tǒng)會(huì)增加系統(tǒng)的總體重量、大小和成本，而增加風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也會(huì)進(jìn)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(lái)處理各種各樣的互聯(lián)和處理任務(wù)。每個(gè)器件都具有獨(dú)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(duì)高帶寬的需求來(lái)自多個(gè)方面，其中包括高分辨率圖像傳感器、大型顯示器以及通過(guò)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(fù)雜接口問(wèn)題時(shí)，F(xiàn)PGA能夠在合理的價(jià)格水平中提供最高數(shù)量的I/O，并支持大多數(shù)接口標(biāo)準(zhǔn)。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(gòu)師可以準(zhǔn)確判定，為USB等最復(fù)雜的功能提供專用的接口器件是最具性價(jià)比的做法。

賽靈思FPGA在內(nèi)窺鏡中的應(yīng)用

賽靈思FPGA不僅僅是一個(gè)芯片器件，更是一個(gè)設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)，其配套提供設(shè)計(jì)工具和全面的IP庫(kù)，能幫助用戶迅速開展設(shè)計(jì)工作。由于該芯片器件是賽靈思設(shè)計(jì)的，故對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，無(wú)NRE和生產(chǎn)成本，只需開發(fā)設(shè)計(jì)，下載設(shè)計(jì)文件到器件，就能完成特定設(shè)計(jì)的配置工作。

賽靈思FPGA的功耗優(yōu)勢(shì)

高功耗要求會(huì)增加內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的成本、尺寸和噪聲，同時(shí)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(guò)利用最先進(jìn)的工藝，賽靈思實(shí)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(dòng)每個(gè)產(chǎn)品系列的技術(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)步，輕松將芯片器件升級(jí)到新一代工藝技術(shù)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(shì)，從而穩(wěn)固賽靈思的性能領(lǐng)先地位。賽靈思FPGA還提供了局部存儲(chǔ)器和邏輯資源，能夠充分滿足內(nèi)窺鏡應(yīng)用的性能要求。同時(shí)結(jié)合嵌入式處理、標(biāo)準(zhǔn)化I/O和業(yè)經(jīng)驗(yàn)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(fēng)險(xiǎn)、成本，縮短開發(fā)周期的捷徑。

采用可擴(kuò)展設(shè)計(jì)實(shí)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(gòu)。這樣實(shí)現(xiàn)了跨器件的IP移植性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以上/下擴(kuò)展設(shè)計(jì)，通過(guò)單個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)就能高效實(shí)現(xiàn)整條產(chǎn)品線。對(duì)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這樣做非常有價(jià)值，因?yàn)榫哂胁煌匦约蛨D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(gòu)較將RTL從一個(gè)FPGA架構(gòu)移植到另一個(gè)FPGA架構(gòu)的典型做法，讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在重新編碼的成本和時(shí)間上均實(shí)現(xiàn)了顯著的節(jié)約。

總結(jié)

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(shí)還具有低偶生工程總成本(NRE)、大幅縮短產(chǎn)品上市時(shí)間、可擴(kuò)展設(shè)計(jì)和高I/O數(shù)量的優(yōu)勢(shì)。另外，賽靈思的定制低功耗工藝，結(jié)合先進(jìn)的功耗優(yōu)化工具，較同類競(jìng)爭(zhēng)解決方案實(shí)現(xiàn)了功耗的大幅降低。所有這些優(yōu)勢(shì)綜合在一起，讓內(nèi)窺鏡系統(tǒng)開發(fā)人員能夠在預(yù)算和功耗約束范圍內(nèi)迅速部署采用最先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)，從而改善患者的護(hù)理。