作者：賽靈思公司Jon Alexander

　　本文將對賽靈思FPGA進行全面論述，介紹其如何幫助內窺鏡制造商克服復雜的設計約束，生產出極具競爭優勢的產品；如何幫助他們成功構建外形小巧的低功耗內窺鏡攝像頭、高性價比的攝像機控制單元（CCU），以及多功能、低成本的圖像管理設備。

　　內窺鏡系統介紹

　　在某些疾病的診斷中，內窺鏡擁有當今其他技術不可匹敵的卓越性能，如在結腸和潰瘍息肉或消化道真菌的檢查中。采用內窺鏡診斷不僅可以避免輻射，而且對患者造成的痛苦也是最少的。由于具備這些與生俱來的固有優勢，醫生紛紛采用內窺鏡技術，并不斷要求實現技術的改良創新，以進一步提升成像能力。這種需求促使供應商采用窄帶成像（Narrow Band Imaging）、自體熒光成像（Auto fluorescence Imaging）以及多帶成像等最新技術。

　　通過實現微創手術技術，內窺鏡極大地提高了患者的護理質量。醫療機構一直在尋求能以更高效率和更低成本進行手術治療的創新途徑。醫生希望設備具有尺寸小、靈活性好、重量輕等優異特性，這樣他們就能在擺放設備的時候在盡量長的時間里既讓患者感到舒適，又不會讓手術操作人員感到疲倦。在診斷和手術內窺操作中，醫生需要通過小切口插入內窺鏡，以獲得可用的目標圖像。在使用纖維內窺鏡的診斷過程中，醫生需要手持內窺鏡一段時間。在手術過程中，雖然可將設備安裝在機械裝置上，但需要在狹小的空間里同時使用多個腹腔鏡和手術工具，這給手術的安排帶來了難度。

　　由于系統尺寸小，電子產品的發熱量必須低，因為可用于熱耗散的空間非常小，而且手持產品的外殼耐熱性也非常低。這就要求供應商既要最大限度地縮小電子系統的機械尺寸，同時又要克服低功耗設計約束帶來的更大挑戰。

　　內窺鏡系統架構

　　典型的內窺鏡系統擁有五大組件（圖1）。

　　圖1 內窺鏡系統組件

　　攝像頭

　　攝像頭是一套物理設備，其內置CCD或CMOS圖像傳感器、預處理電子系統、光源接線以及水管、空氣、真空和活組織檢查工具等各種機械構件。

　　在纖維內窺鏡中，圖像傳感器位于插管的遠端；而在硬管內窺鏡中，傳感器位于插管的近端，往往就在攝像頭的內部。可通過向攝像頭輸送電力和在兩個單元之間傳輸數據的電纜將該攝像頭連接至攝像頭的控制單元。

　　攝像頭的主要設計難題之一是要最大限度地縮小機械外形和電子線路的尺寸，以實現更高的易用性。為了進一步縮小外形尺寸，系統設計人員還可以減少攝像頭所執行處理功能的數量，這就需要將絕大多數的圖像處理功能讓CCU來承擔。圖2顯示了內窺鏡攝像頭典型的系統級功能方框圖。

　　圖2 內窺鏡攝像頭方框圖

　　可在CMOS/CCD圖像傳感器上生成原始圖像，隨后再傳輸到下游的圖像處理鏈中，最后傳輸給CCU。圖像傳感器采用標準的拜爾模板，通過鏡頭陰影和失真模塊來最大程度地減少噪聲并實現均勻一致的圖像。色彩過濾器陣列（CFA）能夠完成像素之間的插補，并將拜爾圖像轉換到RGB色域。隨后再用RGB圖像對自動曝光、增益、白平衡以及對焦等其他參數自動進行控制。

　　攝像頭設計挑戰

　　內窺鏡所用圖像傳感器和模擬電路系統的電源噪聲容限較低。雖然電源是通過CCU的長電纜輸送到攝像頭上的，但攝像頭中另安排有電源穩壓和濾波電路，以保持攝像頭系統實現無尖峰的穩定供電。電源穩壓必須精心設計，因為電流通過長電纜所產生的阻抗會自動產生電壓尖峰。在典型的系統中，電壓尖峰可通過穩壓來減輕，方法是在PCB板上安置大電容和在PCB板上增加大電容和旁路電容。此外，增加電容量還有助于減少邏輯器件等板載本地開關電路產生的噪音。但是，在內窺鏡攝像頭這樣的小型系統中，在PCB上安置大電容顯然不適合，也沒有足夠的空間在組件周邊安置更多的電容。

　　最小化電源噪聲的最佳解決方案是和減少攝像頭中邏輯器件消耗的電量，這樣就能限制電源突波和流經電源電纜中開關電流的大小，從而降低系統的本地噪聲。

　　在選擇內窺鏡攝像頭中采用的中央圖像處理器時，一種解決方案需要實現多個ASSP和/或DSP處理器才能支持這些功能；但是，該些實現方案難以充分利用PCB板的板面布局。但單芯片解決方案是更好的解決方案，FPGA技術能以最佳的性價比為內窺鏡系統的開發人員提供低功耗的單芯片解決方案。

　　攝像機控制單元

　　CCU通過DVI或者SDI接口從攝像頭接收RGB或YUV格式的圖像數據，然后執行可增強圖像質量的任意組合的處理步驟。專用圖像處理器件通常用于在最低延遲水平下以高分辨率提供優化的圖像質量。

　　
圖3典型CCU的功能方框圖

　　第一階段的圖像增強特性一般包括：（1）降噪；（2）邊緣增強；（3）寬泛的動態范圍校正。

　　在圖像增強階段之后是用戶控制的圖像調整，一般包括：（1）數字縮放；（2）視頻轉換器；（3）靜態圖像捕獲。

　　通常情況下，不僅可將處理器用來管理數據流和控制CCU的算法和功能，而且還能監控至攝像頭、圖像管理單元和顯示器的通信。

　　降噪：保持視頻的清晰對內窺鏡系統而言至關重要。在CCU中使用降噪算法，以實現進一步的改進。在使用較低幀速率的小型應用中，降噪算法在提升圖像質量方面發揮著關鍵性的作用。時間降噪即基于運動的降噪技術通常最適合于需要解決運動問題的內窺鏡應用。如，在某些特定應用領域，我們可采用空間降噪技術。在空間降噪中，可對噪聲進行逐幀檢測和糾正，但這項技術會降低圖像的清晰度，因此可能需要混合采用空間/時間濾波器。

　　邊緣增強

　　對于內窺鏡而言，邊緣增強是一種非常重要的圖像處理技術，因為其能幫助醫生更全面地查看組織中的非正常現象。內窺鏡可充分利用各種邊緣增強技術。索貝爾算子和雙邊濾波器是兩種最常用的實現方案。

　　寬動態范圍校正

　　寬動態范圍（WDR）是指影像系統在各影像內明暗度差別很大的情況下提供清晰影像的能力。由于內窺鏡一般采用的設置是在亮前景和暗背景下采集圖像。WDR處理算法構成了系統的關鍵性組件。WDR處理器模塊越接近傳感器，對最終圖像質量的影響就越大。但是為了克服攝像頭在功耗和器件密度方面受到的制約，設計人員需要考慮將WDR處理放置在CCU中。

　　數字縮放

　　在內窺鏡系統中，縮放功能是一項非常重要的功能，可以讓醫生更加清晰地查看對象。數字縮放會以犧牲部分分辨率為代價而增大圖像的尺寸。

　　視頻轉換器

　　視頻轉換器的作用是把視頻流映射為對接收設備適合的深度位寬比和分辨率。如圖3所示，CCU可將視頻流輸出到本地顯示器和圖像管理單元。本地顯示器的分辨率和深度位寬比可以比原始視頻格式低得多，這樣視頻轉換器就可以根據顯示設備的要求相應調整視頻，并將視頻流直接傳輸至圖像管理單元。

　　靜態圖像捕獲

　　醫生使用靜態圖像能夠迅速捕獲并共享對象組織的圖像。內置于某些圖像傳感器中的傳感器控制電路包含一個靜態圖像捕獲電路。在其他系統中，這項功能通常由下游執行，即在執行圖像增強功能之后進行。靜態圖像捕獲功能既可用硬件、也可用軟件執行，圖像一般在由醫生保存到磁盤上之前都保存在本地存儲器中。

　　攝像機控制單元的設計挑戰

　　在內窺鏡手術中，醫生眼疲勞是需要納入考慮范圍的一個問題。因此需要可減少視頻滯后和實現最高幀速率的高速圖像處理功能，來提供流暢的視頻。

　　內窺鏡供應商常常會在CCU中采用獨特的圖像增強功能來實現產品的差異化，而且不斷地提升處理功能，在不犧牲處理速度的情況下交付新的圖像增強方案。CCU也受到功耗預算、上市進程以及成本的限制。而將FPGA用作主圖像處理器能夠在性價比、功耗以及開發周期之間實現最佳平衡。同時，還可將多個接口集成到單個器件中以提供接口橋接，從而既可減少組件數量，又能降低系統的成本和功耗。

　　圖像管理

　　在內窺鏡系統中，圖像管理單元功能很多，如：圖像文件管理、網絡連接及后處理圖像增強功能等。在緊湊型系統中，可將圖像管理功能融合成CCU的一個單元；在大型系統中，則可以用作獨立單元。圖像管理單元一般采用PC風格的架構，基于處理器系統而構建。該單元可采用如Windows或Linux等操作系統，同時為內窺鏡提供定制的GUI。其可有多路視頻輸入，以從不同角度或者用不同縮放水平同時顯示圖像。此外，該單元還可以通過鼠標和鍵盤進行控制，并擁有自己的監控器。

　　圖4 圖像管理單元

　　高端系統，特別是采用高清視頻的系統，往往會把視頻接口和視頻處理任務交由賽靈思FPGA執行。在這種情況下，圖像管理的各種功能均由FPGA硬件處理，而非由處理器中的軟件執行。該架構能確保視頻流僅由高性能邏輯電路處理，從而生成不會給同步運行在處理器中的其他進程造成影響的低滯后視頻。此外，系統設計人員還可充分利用FPGA提供的高引腳數和多功能I/O接口標準來實現數據、網絡、存儲和用戶接口，從而有助于減少系統的總器件數。

　　光源

　　光源通過光纜連接到攝像頭，而光則隨后通過另一組光纜傳輸到內窺鏡的另一端，在采用內窺鏡進行檢查和治療的過程中進行對象照明。

　　部分光源可通過以太網或者其他通信協議連接到圖像管理單元，因而能夠由使用圖像管理接口的操作人員進行遠程控制。FPGA可用單芯片解決方案來滿足所有的用戶接口和通信要求。Artix-7等小尺寸、低功耗FPGA由于優化組合了低功耗、高性能和高度的互連靈活性優勢，非常適用于管理光源中的邏輯要求。

　　顯示

　　顯示設備是一個關鍵性的組件，能夠影響內窺鏡系統的診斷準確性。醫用顯示器具有獨特的專用需求，如：異的灰階和黑階性能、廠內和現場校準、與可實現診斷和校準的PC通信、可將多臺監控器連接在一起顯示單幅圖像、長線纜情況下可進行圖像增強、抗強光、低反射，以及支持多路同步輸入等。顯示監控器必須符合嚴格的醫療安全和質量標準。該顯示監控器可連接至CCU或者圖像管理單元。另一種常見的情況是一套系統使用多臺顯示監控器，其中一臺或者數臺連接至CCU，以供醫生或者助理觀察之用，同時將另外的監控器連接到圖像管理單元，以供其他人進行觀察或者控制。圖5顯示了典型的方框圖。

　　圖5 醫療顯示器方框圖

　　多種不同的技術解決方案可以滿足顯示監控器的邏輯要求。只有FPGA能夠提供可用于整個產品線的低成本且上市進程快的可擴展解決方案。此外，它們不僅能夠支持顯示器中多種多樣的接口標準，而且還能執行所需的圖像增強、伽瑪校正、降噪處理功能，從而構成協調一致的整體。

　　如何降低內窺鏡系統功耗？

　　對于內窺鏡系統的設計來說，如何降低功耗是一個重大的挑戰。在醫療系統中，這項要求源自必須遵從的非常嚴格的安全和質量規定。為了符合安全和質量要求，電源設計的成本和復雜性會隨功耗的上升而大幅度增加。系統設計人員一直努力采用最新的技術和設計方法，以期在不犧牲性能的情況下將功耗保持在最低水平。

　　熱量是另一個推動功耗降低的因素。集成了大量系統門的半導體器件在以高時鐘頻率工作時，產生的熱量必須盡快從系統中散出，才能使組件的溫度保持在規定的范圍內。為了高效散熱，必須對散熱片、風扇、封裝以及PCB進行精心設計。熱量管理系統會增加系統的總體重量、大小和成本，而增加風扇的轉速也會進一步增加功耗。

　　接口

　　內窺鏡系統采用多種不同類型的邏輯器件來處理各種各樣的互聯和處理任務。每個器件都具有獨特的接口要求，這就需要多樣化的互聯解決方案。內窺鏡系統對高帶寬的需求來自多個方面，其中包括高分辨率圖像傳感器、大型顯示器以及通過電線在系統組件之間傳輸串行數據等。圖6顯示了用于內窺鏡系統中的通用接口。

　　圖6 內窺鏡系統的通用接口

　　在解決復雜接口問題時，FPGA能夠在合理的價格水平中提供最高數量的I/O，并支持大多數接口標準。因此，普遍將其用于處理內窺鏡系統面臨的接口難題。根據所采用FPGA的大小，系統架構師可以準確判定，為USB等最復雜的功能提供專用的接口器件是最具性價比的做法。

　　賽靈思FPGA在內窺鏡中的應用

　　賽靈思FPGA不僅僅是一個芯片器件，更是一個設計生態系統，其配套提供設計工具和全面的IP庫，能幫助用戶迅速開展設計工作。由于該芯片器件是賽靈思設計的，故對系統設計人員來說，無NRE和生產成本，只需開發設計，下載設計文件到器件，就能完成特定設計的配置工作。

　　賽靈思FPGA的功耗優勢

　　高功耗要求會增加內窺鏡系統的成本、尺寸和噪聲，同時影響可靠性和性能。賽靈思已經生產出高性能、低功耗FPGA，非常適用于內窺鏡攝像頭、CCU和顯示器。

　　通過利用最先進的工藝，賽靈思實現了功耗、性能、成本和特性的最佳平衡。賽靈思賦予了客戶持續推動每個產品系列的技術節點進步，輕松將芯片器件升級到新一代工藝技術的能力。

　　賽靈思FPGA采用的高速DSP模塊可以充分發揮專用高性能處理Slice的優勢，從而穩固賽靈思的性能領先地位。賽靈思FPGA還提供了局部存儲器和邏輯資源，能夠充分滿足內窺鏡應用的性能要求。同時結合嵌入式處理、標準化I/O和業經驗證的軟IP生態系統，為客戶提供了一條降低產品開發風險、成本，縮短開發周期的捷徑。

　　采用可擴展設計實現成本節約

　　賽靈思Artix-7、Kintex-7和Virtex-7三大7系列FPGA產品采用近乎相同的邏輯架構。這樣實現了跨器件的IP移植性，系統設計人員可以上/下擴展設計，通過單個基礎設計就能高效實現整條產品線。對內窺鏡系統來說，這樣做非常有價值，因為具有不同特性集和圖像分辨率的不同系統往往采用各自專有的圖像處理IP或功能。賽靈思的通用器件架構較將RTL從一個FPGA架構移植到另一個FPGA架構的典型做法，讓系統設計人員在重新編碼的成本和時間上均實現了顯著的節約。

　　總結

　　FPGA理想適用于要求小尺寸、低功耗和高性能的內窺鏡系統。賽靈思Spartan-6、Virtex-6和7系列FPGA除了提供與ASIC相媲美的卓越性能外，同時還具有低偶生工程總成本（NRE）、大幅縮短產品上市時間、可擴展設計和高I/O數量的優勢。另外，賽靈思的定制低功耗工藝，結合先進的功耗優化工具，較同類競爭解決方案實現了功耗的大幅降低。所有這些優勢綜合在一起，讓內窺鏡系統開發人員能夠在預算和功耗約束范圍內迅速部署采用最先進技術的系統，從而改善患者的護理。