專家教你縮短醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開發(fā)時間

醫(yī)療內(nèi)窺鏡的市場發(fā)展帶來了各種挑戰(zhàn)，例如，要求增強功能，更高的精度，更好的處理性能，以及更小的體積等。本文介紹Altera高級醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案，它使用了1080p視頻設計工作臺、DSP 構建模塊、參考設計，以及 Stratix® V、Cyclone® V 和 Arria® V FPGA 等。通過下文介紹，資深專家向您支招，教你懂得如何通過采用基于FPGA的方法來縮短高級醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開發(fā)時間。

引言

對內(nèi)窺鏡檢查的需求在不斷增長，同時還需要不斷改進檢查過程，增強醫(yī)療設備的功能。全球競爭不斷加劇，導致各種新功能的出現(xiàn)，新市場的變化也非常快，開發(fā)周期越來越短，工程團隊必須集中精力提高核心競爭力，加強系統(tǒng)知識。工程師需要靈活的硬件平臺和支持各種平臺的工作臺工具，使他們能夠針對新標準或者標準的變化而對產(chǎn)品進行更新。此外，設計團隊必須更高效的進行開發(fā)工作。Altera® 1080p 視頻設計工作臺和28-nm FPGA提供了靈活的系統(tǒng)方法來滿足當前以及不斷發(fā)展的功能需求。

不斷增長的全球需求

很多因素導致對內(nèi)窺鏡檢查的需求越來越強。今后數(shù)十年內(nèi)，世界60歲以上的人口數(shù)量將會大幅度增長，對醫(yī)療衛(wèi)生服務的需求也會隨之增長。而且，胃腸道患病人口在不斷增加，需要進行檢查和治療。越來越多的醫(yī)生采用內(nèi)窺鏡檢查方法。很多政府報銷政策鼓勵非置入式治療，這有利于患者更快的恢復，從而降低了治療總成本，患者的體驗會更好。

很多國家增加了在醫(yī)療基礎設施上的投入，特別是加大了醫(yī)療設備的采購。反過來，這些新市場需求也擴大了對下一代內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的需求。設計團隊體驗到需求的不斷增長，而全球競爭導致他們推遲其產(chǎn)品發(fā)布計劃。

設備發(fā)展趨勢

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)需要越來越多的功能。很多內(nèi)窺鏡平臺都是高清晰 (HD)系統(tǒng)。然而，隨著技術創(chuàng)新的不斷深入，外科醫(yī)生還是不斷要求更清晰的平臺。分辨率對圖像傳感器有很強的依賴性;而處理引擎和內(nèi)插方法對于確定有效的分辨率非常重要。今后的平臺將需要更高的分辨率，例如，4K x 2K。

平臺差異化還體現(xiàn)在多數(shù)據(jù)流操作上。系統(tǒng)需要畫中畫、多路攝像機輸入的并排視圖或者錄像回放，以及多路圖像視圖 (同時播放四路或者更多的圖像)。用戶友好的GUI應支持從一種模式向另一種模式的切換。在手術室中，內(nèi)窺鏡系統(tǒng)會包括多個外科手術級監(jiān)視器，以便外科醫(yī)生和護士查看。在這些環(huán)境中，存檔圖像或者透視圖像會與輸入的內(nèi)窺鏡視頻并排顯示。視頻路由器和監(jiān)視器的視頻傳送必須支持各種接口標準，例如，SDI 和 HDMI，以及 DisplayPort、CameraLink 和 GigE Vision 等新出現(xiàn)的標準。設備平臺將支持多種標準，包括已有的和今后的，以及修訂更新或者更高級的算法。

其他增強功能包括越來越強的亮度、聚焦度、光學變焦能力，以及更好的高清晰數(shù)字變焦等。為支持更高效的設備和手術室應用，設備應具有較短的設置時間(例如，更快的白平衡)。其他的創(chuàng)新領域包括透鏡起霧解決方案等。

最后，和其他醫(yī)療設備一樣，也需要進一步減小外形體積。更高的集成度可以實現(xiàn)更小的便攜式車載系統(tǒng)，而更小的塔式系統(tǒng)使得更容易完成檢查后的清理工作。

技術要求

很多內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設備趨向于進一步提高處理性能，從而支持更高級的圖像算法。隨著圖像傳感器技術的進步，可以采集分辨率更高的數(shù)據(jù)流，進行預處理和后處理。系統(tǒng)需要處理來自攝像頭的大量圖像數(shù)據(jù)，在處理引擎中實現(xiàn)越來越復雜的處理功能。

設計人員需要在高性能處理器件中實現(xiàn)這些功能，例如，F(xiàn)PGA等，從而在多個平臺上實現(xiàn)靈活的性能。由于每一代器件能夠集成更多的處理資源(例如，邏輯單元(LE)、支持浮點的數(shù)字信號處理(DSP)資源、管芯存儲器以及更快的I/O支持等 )，因此，F(xiàn)PGA將成為技術節(jié)點的首選工藝。此外，F(xiàn)PGA固有結構使其能夠進行并行處理，這是圖像算法的優(yōu)勢所在。

靈活的可編程 FPGA是圖像傳感器集成電路很好的輔助器件，這是因為此類器件能夠進行非線性處理。而且，F(xiàn)PGA 具有高性能 I/O 功能，支持 SDI、DVI、SAS/SATA 和 USB 等接口標準。

醫(yī)療視頻開發(fā)環(huán)境

Altera提供全面的設計環(huán)境，支持工程師迅速開發(fā)醫(yī)療內(nèi)窺鏡圖像應用，提高設計效能。如圖1 所示，它包括1080p視頻設計工作臺，這一工作臺集成了Altera、Altera合作伙伴或者定制視頻處理知識產(chǎn)權(IP)模塊和流接口，連接所需的視頻顯示、傳送和存儲外部接口。在這一工作臺中，Altera提供的視頻開發(fā)套件含有各種參考設計。Altera 還提供 DSP Builder 軟件，這一高級設計工具集成了 MathWorks MATLAB 和Simulink軟件。設計人員可以使用這一軟件對各種算法進行建模，集成 1080p視頻設計工作臺。

圖 1 Altera的醫(yī)療視頻開發(fā)環(huán)境

利用這一設計方法，醫(yī)療設備設計人員能夠?qū)⒕性谠鲋倒δ苌?，更快的將概念構思變?yōu)楫a(chǎn)品。從低成本模型到高性能產(chǎn)品線，它還實現(xiàn)了更靈活的系統(tǒng)，可以將設計移植到不同的 Altera 器件中，突出產(chǎn)品優(yōu)勢。

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

圖2 顯示了物理設備：含有多個系統(tǒng)組件的內(nèi)窺鏡塔。通過手控裝置，外科醫(yī)生可以操縱內(nèi)窺鏡(剛性的或者柔性的)，它包括透鏡、光通路、工具以及水 /氣出口等。通過光纖透鏡將內(nèi)窺鏡探頭連接光源，產(chǎn)生受控的強光照明，外科醫(yī)生可以在手術過程中控制它。內(nèi)窺鏡還連接攝像頭，它含有圖像傳感器(單芯片或者三芯片陣列)和視頻預處理器電子器件。由于攝像頭是手持式的，因此，它通常要求更小的外形。攝像頭連接至視頻處理盒，完成產(chǎn)生高質(zhì)量視頻的處理功能。它還完成顯示和視頻傳送功能，將手術視頻傳送至本地顯示器，或者通過視頻路由器將視頻傳送至操作室的醫(yī)療級監(jiān)視器上。內(nèi)窺鏡塔還包括視頻錄像機或者存儲設備，因此，以后可以查看手術過程。最后，內(nèi)窺鏡塔含有吹入器，將CO2 注入體內(nèi)，以保持身體的壓力平衡。這種壓力使得醫(yī)療專家能夠查看或者對體內(nèi)的器官和組織進行手術。