专家教你缩短医疗内窥镜系统的开发时间

医疗内窥镜的市场发展带来了各种挑战，例如，要求增强功能，更高的精度，更好的处理性能，以及更小的体积等。本文介绍Altera高级医疗内窥镜系统解决方案，它使用了1080p视频设计工作台、DSP 构建模块、参考设计，以及 Stratix® V、Cyclone® V 和 Arria® V FPGA 等。通过下文介绍，资深专家向您支招，教你懂得如何通过采用基于FPGA的方法来缩短高级医疗内窥镜系统的开发时间。

引言

对内窥镜检查的需求在不断增长，同时还需要不断改进检查过程，增强医疗设备的功能。全球竞争不断加剧，导致各种新功能的出现，新市场的变化也非常快，开发周期越来越短，工程团队必须集中精力提高核心竞争力，加强系统知识。工程师需要灵活的硬件平台和支持各种平台的工作台工具，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。此外，设计团队必须更高效的进行开发工作。Altera® 1080p 视频设计工作台和28-nm FPGA提供了灵活的系统方法来满足当前以及不断发展的功能需求。

不断增长的全球需求

很多因素导致对内窥镜检查的需求越来越强。今后数十年内，世界60岁以上的人口数量将会大幅度增长，对医疗卫生服务的需求也会随之增长。而且，胃肠道患病人口在不断增加，需要进行检查和治疗。越来越多的医生采用内窥镜检查方法。很多政府报销政策鼓励非置入式治疗，这有利于患者更快的恢复，从而降低了治疗总成本，患者的体验会更好。

很多国家增加了在医疗基础设施上的投入，特别是加大了医疗设备的采购。反过来，这些新市场需求也扩大了对下一代内窥镜系统的需求。设计团队体验到需求的不断增长，而全球竞争导致他们推迟其产品发布计划。

设备发展趋势

内窥镜系统需要越来越多的功能。很多内窥镜平台都是高清晰 (HD)系统。然而，随着技术创新的不断深入，外科医生还是不断要求更清晰的平台。分辨率对图像传感器有很强的依赖性;而处理引擎和内插方法对于确定有效的分辨率非常重要。今后的平台将需要更高的分辨率，例如，4K x 2K。

平台差异化还体现在多数据流操作上。系统需要画中画、多路摄像机输入的并排视图或者录像回放，以及多路图像视图 (同时播放四路或者更多的图像)。用户友好的GUI应支持从一种模式向另一种模式的切换。在手术室中，内窥镜系统会包括多个外科手术级监视器，以便外科医生和护士查看。在这些环境中，存档图像或者透视图像会与输入的内窥镜视频并排显示。视频路由器和监视器的视频传送必须支持各种接口标准，例如，SDI 和 HDMI，以及 DisplayPort、CameraLink 和 GigE Vision 等新出现的标准。设备平台将支持多种标准，包括已有的和今后的，以及修订更新或者更高级的算法。

其他增强功能包括越来越强的亮度、聚焦度、光学变焦能力，以及更好的高清晰数字变焦等。为支持更高效的设备和手术室应用，设备应具有较短的设置时间(例如，更快的白平衡)。其他的创新领域包括透镜起雾解决方案等。

最后，和其他医疗设备一样，也需要进一步减小外形体积。更高的集成度可以实现更小的便携式车载系统，而更小的塔式系统使得更容易完成检查后的清理工作。

技术要求

很多内窥镜系统设备趋向于进一步提高处理性能，从而支持更高级的图像算法。随着图像传感器技术的进步，可以采集分辨率更高的数据流，进行预处理和后处理。系统需要处理来自摄像头的大量图像数据，在处理引擎中实现越来越复杂的处理功能。

设计人员需要在高性能处理器件中实现这些功能，例如，FPGA等，从而在多个平台上实现灵活的性能。由于每一代器件能够集成更多的处理资源(例如，逻辑单元(LE)、支持浮点的数字信号处理(DSP)资源、管芯存储器以及更快的I/O支持等 )，因此，FPGA将成为技术节点的首选工艺。此外，FPGA固有结构使其能够进行并行处理，这是图像算法的优势所在。

灵活的可编程 FPGA是图像传感器集成电路很好的辅助器件，这是因为此类器件能够进行非线性处理。而且，FPGA 具有高性能 I/O 功能，支持 SDI、DVI、SAS/SATA 和 USB 等接口标准。

医疗视频开发环境

Altera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，提高设计效能。如图1 所示，它包括1080p视频设计工作台，这一工作台集成了Altera、Altera合作伙伴或者定制视频处理知识产权(IP)模块和流接口，连接所需的视频显示、传送和存储外部接口。在这一工作台中，Altera提供的视频开发套件含有各种参考设计。Altera 还提供 DSP Builder 软件，这一高级设计工具集成了 MathWorks MATLAB 和Simulink软件。设计人员可以使用这一软件对各种算法进行建模，集成 1080p视频设计工作台。

图 1 Altera的医疗视频开发环境

利用这一设计方法，医疗设备设计人员能够将精力集中在增值功能上，更快的将概念构思变为产品。从低成本模型到高性能产品线，它还实现了更灵活的系统，可以将设计移植到不同的 Altera 器件中，突出产品优势。

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。通过手控装置，外科医生可以操纵内窥镜(刚性的或者柔性的)，它包括透镜、光通路、工具以及水 /气出口等。通过光纤透镜将内窥镜探头连接光源，产生受控的强光照明，外科医生可以在手术过程中控制它。内窥镜还连接摄像头，它含有图像传感器(单芯片或者三芯片阵列)和视频预处理器电子器件。由于摄像头是手持式的，因此，它通常要求更小的外形。摄像头连接至视频处理盒，完成产生高质量视频的处理功能。它还完成显示和视频传送功能，将手术视频传送至本地显示器，或者通过视频路由器将视频传送至操作室的医疗级监视器上。内窥镜塔还包括视频录像机或者存储设备，因此，以后可以查看手术过程。最后，内窥镜塔含有吹入器，将CO2 注入体内，以保持身体的压力平衡。这种压力使得医疗专家能够查看或者对体内的器官和组织进行手术。