《電子技術(shù)應(yīng)用》
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采用FPGA方法的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案

2017-08-25
關(guān)鍵詞: 內(nèi)窺鏡 FPGA

  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(shè)備的功能。全球競爭不斷加劇,導(dǎo)致各種新功能的出現(xiàn),新市場的變化也非???,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(biāo)準(zhǔn)或者標(biāo)準(zhǔn)的變化而對產(chǎn)品進行更新。此外,設(shè)計團隊必須更高效的進行開發(fā)工作。Altera? 1080p 視頻設(shè)計工作臺和28-nm FPGA 提供了靈活的系統(tǒng)方法來滿足當(dāng)前以及不斷發(fā)展的功能需求。

  設(shè)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(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。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(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)會包括多個外科手術(shù)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(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的算法。

  其他增強功能包括越來越強的亮度、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。

  Altera 的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)解決方案

  Altera 的精度可調(diào)DSP、1080p 視頻設(shè)計工作臺以及4k 參考設(shè)計能夠提高設(shè)計效能,有利于滿足醫(yī)療內(nèi)窺鏡設(shè)備的設(shè)計需求。

  28 nm 的精度可調(diào)DSP

  在任何高級醫(yī)療成像解決方案中,需要高性能DSP 資源和高效的設(shè)計工具才能滿足系統(tǒng)要求。如圖4 所示,Altera 的DSP Builder 工具結(jié)合精度可調(diào)DSP 為視頻算法提供了高效的浮點或者定點DSP 設(shè)計。

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  定制定點或者浮點算法DSP 解決方案

  利用DSP Builder 高級模塊庫,設(shè)計人員可以在MATLAB/Simulink 設(shè)計中進行高級Simulink 綜合以及時序驅(qū)動優(yōu)化。采用Simulink 等高級工具,滿足用戶設(shè)定的fMAX 或者延時來進行設(shè)計優(yōu)化,這一功能在Altera 和一些供應(yīng)商工具中是獨一無二的?;旧?,這表明設(shè)計人員可以設(shè)定一個“ 表盤”,為您的系統(tǒng)選擇合適的fMAX 和延時,DSP Builder 工具會完成剩余的工作。工具會加入寄存器,以提高fMAX,或者對某些關(guān)鍵通路進行并行處理,以滿足延時約束要求,避免了花費數(shù)星期手動處理得到的HDL代碼。

  Altera 的28-nm FPGA 自然支持單精度乘法器,非常適合定點和浮點實現(xiàn)。Altera 的Stratix V FPGA 具有獨特的精度可調(diào)DSP 體系結(jié)構(gòu),性能高達每秒萬億次浮點操作(teraFLOPS)。

  1080p 視頻設(shè)計工作臺

  提高醫(yī)療設(shè)計團隊的效能需要使用高性能工作臺工具,這一工具應(yīng)使用方便,支持各種功能和IP。雖然其他FPGA 供應(yīng)商提供一些單獨的視頻功能,而Altera 是唯一提供包括20 個視頻功能設(shè)計工作臺的供應(yīng)商,支持流視頻接口標(biāo)準(zhǔn),提供6 個經(jīng)過硬件驗證的參考設(shè)計,以及多種視頻開發(fā)套件。采用Altera 的1080p 視頻設(shè)計工作臺,設(shè)計人員開始已有的工作設(shè)計,在常見功能上重新使用經(jīng)過預(yù)驗證的IP,例如,縮放、去隔行和合成,加入到定制功能或者OEM 的內(nèi)部IP 中,與從頭開發(fā)新設(shè)計相比,在更短的時間內(nèi)完成設(shè)計。

  VIP 套裝

  1080p 視頻設(shè)計工作臺的關(guān)鍵組成是IP 內(nèi)核VIP 套裝,如圖5 所示,用在各種圖像數(shù)據(jù)通路上。VIP 套裝包括20 個常用的構(gòu)建模塊功能,從簡單的顏色空間轉(zhuǎn)換器和alpha 混合合成器,到多相縮放和運動自適應(yīng)去隔行等非常復(fù)雜的功能。此外,Altera合作伙伴提供圖像IP 幫助您進行開發(fā),以降低噪聲,進行邊沿探測和局部處理,使圖像穩(wěn)定,或者旋轉(zhuǎn)圖像。

  IP 內(nèi)核VIP 套裝

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