專(zhuān)家教你縮短醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間

醫(yī)療內(nèi)窺鏡的市場(chǎng)發(fā)展帶來(lái)了各種挑戰(zhàn)，例如，要求增強(qiáng)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(jí)醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案，它使用了1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)、DSP 構(gòu)建模塊、參考設(shè)計(jì)，以及 Stratix® V、Cyclone® V 和 Arria® V FPGA 等。通過(guò)下文介紹，資深專(zhuān)家向您支招，教你懂得如何通過(guò)采用基于FPGA的方法來(lái)縮短高級(jí)醫(yī)療內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。

引言

對(duì)內(nèi)窺鏡檢查的需求在不斷增長(zhǎng)，同時(shí)還需要不斷改進(jìn)檢查過(guò)程，增強(qiáng)醫(yī)療設(shè)備的功能。全球競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，導(dǎo)致各種新功能的出現(xiàn)，新市場(chǎng)的變化也非?？?，開(kāi)發(fā)周期越來(lái)越短，工程團(tuán)隊(duì)必須集中精力提高核心競(jìng)爭(zhēng)力，加強(qiáng)系統(tǒng)知識(shí)。工程師需要靈活的硬件平臺(tái)和支持各種平臺(tái)的工作臺(tái)工具，使他們能夠針對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)或者標(biāo)準(zhǔn)的變化而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行更新。此外，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須更高效的進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作。Altera® 1080p 視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)和28-nm FPGA提供了靈活的系統(tǒng)方法來(lái)滿(mǎn)足當(dāng)前以及不斷發(fā)展的功能需求。

不斷增長(zhǎng)的全球需求

很多因素導(dǎo)致對(duì)內(nèi)窺鏡檢查的需求越來(lái)越強(qiáng)。今后數(shù)十年內(nèi)，世界60歲以上的人口數(shù)量將會(huì)大幅度增長(zhǎng)，對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)的需求也會(huì)隨之增長(zhǎng)。而且，胃腸道患病人口在不斷增加，需要進(jìn)行檢查和治療。越來(lái)越多的醫(yī)生采用內(nèi)窺鏡檢查方法。很多政府報(bào)銷(xiāo)政策鼓勵(lì)非置入式治療，這有利于患者更快的恢復(fù)，從而降低了治療總成本，患者的體驗(yàn)會(huì)更好。

很多國(guó)家增加了在醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施上的投入，特別是加大了醫(yī)療設(shè)備的采購(gòu)。反過(guò)來(lái)，這些新市場(chǎng)需求也擴(kuò)大了對(duì)下一代內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的需求。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)體驗(yàn)到需求的不斷增長(zhǎng)，而全球競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致他們推遲其產(chǎn)品發(fā)布計(jì)劃。

設(shè)備發(fā)展趨勢(shì)

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)需要越來(lái)越多的功能。很多內(nèi)窺鏡平臺(tái)都是高清晰 (HD)系統(tǒng)。然而，隨著技術(shù)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(tái)。分辨率對(duì)圖像傳感器有很強(qiáng)的依賴(lài)性;而處理引擎和內(nèi)插方法對(duì)于確定有效的分辨率非常重要。今后的平臺(tái)將需要更高的分辨率，例如，4K x 2K。

平臺(tái)差異化還體現(xiàn)在多數(shù)據(jù)流操作上。系統(tǒng)需要畫(huà)中畫(huà)、多路攝像機(jī)輸入的并排視圖或者錄像回放，以及多路圖像視圖 (同時(shí)播放四路或者更多的圖像)。用戶(hù)友好的GUI應(yīng)支持從一種模式向另一種模式的切換。在手術(shù)室中，內(nèi)窺鏡系統(tǒng)會(huì)包括多個(gè)外科手術(shù)級(jí)監(jiān)視器，以便外科醫(yī)生和護(hù)士查看。在這些環(huán)境中，存檔圖像或者透視圖像會(huì)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(biāo)準(zhǔn)，例如，SDI 和 HDMI，以及 DisplayPort、CameraLink 和 GigE Vision 等新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備平臺(tái)將支持多種標(biāo)準(zhǔn)，包括已有的和今后的，以及修訂更新或者更高級(jí)的算法。

其他增強(qiáng)功能包括越來(lái)越強(qiáng)的亮度、聚焦度、光學(xué)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(shè)備和手術(shù)室應(yīng)用，設(shè)備應(yīng)具有較短的設(shè)置時(shí)間(例如，更快的白平衡)。其他的創(chuàng)新領(lǐng)域包括透鏡起霧解決方案等。

最后，和其他醫(yī)療設(shè)備一樣，也需要進(jìn)一步減小外形體積。更高的集成度可以實(shí)現(xiàn)更小的便攜式車(chē)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(shù)要求

很多內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)備趨向于進(jìn)一步提高處理性能，從而支持更高級(jí)的圖像算法。隨著圖像傳感器技術(shù)的進(jìn)步，可以采集分辨率更高的數(shù)據(jù)流，進(jìn)行預(yù)處理和后處理。系統(tǒng)需要處理來(lái)自攝像頭的大量圖像數(shù)據(jù)，在處理引擎中實(shí)現(xiàn)越來(lái)越復(fù)雜的處理功能。

設(shè)計(jì)人員需要在高性能處理器件中實(shí)現(xiàn)這些功能，例如，F(xiàn)PGA等，從而在多個(gè)平臺(tái)上實(shí)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(diǎn)的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)資源、管芯存儲(chǔ)器以及更快的I/O支持等 )，因此，F(xiàn)PGA將成為技術(shù)節(jié)點(diǎn)的首選工藝。此外，F(xiàn)PGA固有結(jié)構(gòu)使其能夠進(jìn)行并行處理，這是圖像算法的優(yōu)勢(shì)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?yàn)榇祟?lèi)器件能夠進(jìn)行非線(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)。

醫(yī)療視頻開(kāi)發(fā)環(huán)境

Altera提供全面的設(shè)計(jì)環(huán)境，支持工程師迅速開(kāi)發(fā)醫(yī)療內(nèi)窺鏡圖像應(yīng)用，提高設(shè)計(jì)效能。如圖1 所示，它包括1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)，這一工作臺(tái)集成了Altera、Altera合作伙伴或者定制視頻處理知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)模塊和流接口，連接所需的視頻顯示、傳送和存儲(chǔ)外部接口。在這一工作臺(tái)中，Altera提供的視頻開(kāi)發(fā)套件含有各種參考設(shè)計(jì)。Altera 還提供 DSP Builder 軟件，這一高級(jí)設(shè)計(jì)工具集成了 MathWorks MATLAB 和Simulink軟件。設(shè)計(jì)人員可以使用這一軟件對(duì)各種算法進(jìn)行建模，集成 1080p視頻設(shè)計(jì)工作臺(tái)。

圖 1 Altera的醫(yī)療視頻開(kāi)發(fā)環(huán)境

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

內(nèi)窺鏡系統(tǒng)

圖2 顯示了物理設(shè)備：含有多個(gè)系統(tǒng)組件的內(nèi)窺鏡塔。通過(guò)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(guò)光纖透鏡將內(nèi)窺鏡探頭連接光源，產(chǎn)生受控的強(qiáng)光照明，外科醫(yī)生可以在手術(shù)過(guò)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(yù)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(shù)視頻傳送至本地顯示器，或者通過(guò)視頻路由器將視頻傳送至操作室的醫(yī)療級(jí)監(jiān)視器上。內(nèi)窺鏡塔還包括視頻錄像機(jī)或者存儲(chǔ)設(shè)備，因此，以后可以查看手術(shù)過(guò)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(zhuān)家能夠查看或者對(duì)體內(nèi)的器官和組織進(jìn)行手術(shù)。