利用赛灵思FPGA轻松应对内窥镜系统架构挑战

光源

光源通过光缆连接到摄像头，而光则随后通过另一组光缆传输到内窥镜的另一端，在采用内窥镜进行检查和治疗的过程中进行对象照明。

部分光源可通过以太网或者其他通信协议连接到图像管理单元，因而能够由使用图像管理接口的操作人员进行远程控制。FPGA可用单芯片解决方案来满足所有的用户接口和通信要求。Artix-7等小尺寸、低功耗FPGA由于优化组合了低功耗、高性能和高度的互连灵活性优势，非常适用于管理光源中的逻辑要求。

显示

显示设备是一个关键性的组件，能够影响内窥镜系统的诊断准确性。医用显示器具有独特的专用需求，如：异的灰阶和黑阶性能、厂内和现场校准、与可实现诊断和校准的PC通信、可将多台监控器连接在一起显示单幅图像、长线缆情况下可进行图像增强、抗强光、低反射，以及支持多路同步输入等。显示监控器必须符合严格的医疗安全和质量标准。该显示监控器可连接至CCU或者图像管理单元。另一种常见的情况是一套系统使用多台显示监控器，其中一台或者数台连接至CCU，以供医生或者助理观察之用，同时将另外的监控器连接到图像管理单元，以供其他人进行观察或者控制。图5显示了典型的方框图。

图5 医疗显示器方框图

多种不同的技术解决方案可以满足显示监控器的逻辑要求。只有FPGA能够提供可用于整个产品线的低成本且上市进程快的可扩展解决方案。此外，它们不仅能够支持显示器中多种多样的接口标准，而且还能执行所需的图像增强、伽玛校正、降噪处理功能，从而构成协调一致的整体。

如何降低内窥镜系统功耗?

对于内窥镜系统的设计来说，如何降低功耗是一个重大的挑战。在医疗系统中，这项要求源自必须遵从的非常严格的安全和质量规定。为了符合安全和质量要求，电源设计的成本和复杂性会随功耗的上升而大幅度增加。系统设计人员一直努力采用最新的技术和设计方法，以期在不牺牲性能的情况下将功耗保持在最低水平。

热量是另一个推动功耗降低的因素。集成了大量系统门的半导体器件在以高时钟频率工作时，产生的热量必须尽快从系统中散出，才能使组件的温度保持在规定的范围内。为了高效散热，必须对散热片、风扇、封装以及PCB进行精心设计。热量管理系统会增加系统的总体重量、大小和成本，而增加风扇的转速也会进一步增加功耗。

接口

内窥镜系统采用多种不同类型的逻辑器件来处理各种各样的互联和处理任务。每个器件都具有独特的接口要求，这就需要多样化的互联解决方案。内窥镜系统对高带宽的需求来自多个方面，其中包括高分辨率图像传感器、大型显示器以及通过电线在系统组件之间传输串行数据等。图6显示了用于内窥镜系统中的通用接口。

图6 内窥镜系统的通用接口

在解决复杂接口问题时，FPGA能够在合理的价格水平中提供最高数量的I/O，并支持大多数接口标准。因此，普遍将其用于处理内窥镜系统面临的接口难题。根据所采用FPGA的大小，系统架构师可以准确判定，为USB等最复杂的功能提供专用的接口器件是最具性价比的做法。

赛灵思FPGA在内窥镜中的应用

赛灵思FPGA不仅仅是一个芯片器件，更是一个设计生态系统，其配套提供设计工具和全面的IP库，能帮助用户迅速开展设计工作。由于该芯片器件是赛灵思设计的，故对系统设计人员来说，无NRE和生产成本，只需开发设计，下载设计文件到器件，就能完成特定设计的配置工作。

赛灵思FPGA的功耗优势

高功耗要求会增加内窥镜系统的成本、尺寸和噪声，同时影响可靠性和性能。赛灵思已经生产出高性能、低功耗FPGA，非常适用于内窥镜摄像头、CCU和显示器。

通过利用最先进的工艺，赛灵思实现了功耗、性能、成本和特性的最佳平衡。赛灵思赋予了客户持续推动每个产品系列的技术节点进步，轻松将芯片器件升级到新一代工艺技术的能力。

赛灵思FPGA采用的高速DSP模块可以充分发挥专用高性能处理Slice的优势，从而稳固赛灵思的性能领先地位。赛灵思FPGA还提供了局部存储器和逻辑资源，能够充分满足内窥镜应用的性能要求。同时结合嵌入式处理、标准化I/O和业经验证的软IP生态系统，为客户提供了一条降低产品开发风险、成本，缩短开发周期的捷径。

采用可扩展设计实现成本节约

赛灵思Artix-7、Kintex-7和Virtex-7三大7系列FPGA产品采用近乎相同的逻辑架构。这样实现了跨器件的IP移植性，系统设计人员可以上/下扩展设计，通过单个基础设计就能高效实现整条产品线。对内窥镜系统来说，这样做非常有价值，因为具有不同特性集和图像分辨率的不同系统往往采用各自专有的图像处理IP或功能。赛灵思的通用器件架构较将RTL从一个FPGA架构移植到另一个FPGA架构的典型做法，让系统设计人员在重新编码的成本和时间上均实现了显著的节约。

总结

FPGA理想适用于要求小尺寸、低功耗和高性能的内窥镜系统。赛灵思Spartan-6、Virtex-6和7系列FPGA除了提供与ASIC相媲美的卓越性能外，同时还具有低偶生工程总成本(NRE)、大幅缩短产品上市时间、可扩展设计和高I/O数量的优势。另外，赛灵思的定制低功耗工艺，结合先进的功耗优化工具，较同类竞争解决方案实现了功耗的大幅降低。所有这些优势综合在一起，让内窥镜系统开发人员能够在预算和功耗约束范围内迅速部署采用最先进技术的系统，从而改善患者的护理。