静态图像捕获 - 利用赛灵思FPGA轻松应对内窥镜系统架构挑战

　　静态图像捕获

　　医生使用静态图像能够迅速捕获并共享对象组织的图像。内置于某些图像传感器中的传感器控制电路包含一个静态图像捕获电路。在其他系统中，这项功能通常由下游执行，即在执行图像增强功能之后进行。静态图像捕获功能既可用硬件、也可用软件执行，图像一般在由医生保存到磁盘上之前都保存在本地存储器中。

　　摄像机控制单元的设计挑战

　　在内窥镜手术中，医生眼疲劳是需要纳入考虑范围的一个问题。因此需要可减少视频滞后和实现最高帧速率的高速图像处理功能，来提供流畅的视频。

　　内窥镜供应商常常会在CCU中采用独特的图像增强功能来实现产品的差异化，而且不断地提升处理功能，在不牺牲处理速度的情况下交付新的图像增强方案。CCU也受到功耗预算、上市进程以及成本的限制。而将FPGA用作主图像处理器能够在性价比、功耗以及开发周期之间实现最佳平衡。同时，还可将多个接口集成到单个器件中以提供接口桥接，从而既可减少组件数量，又能降低系统的成本和功耗。

　　图像管理

　　在内窥镜系统中，图像管理单元功能很多，如：图像文件管理、网络连接及后处理图像增强功能等。在紧凑型系统中，可将图像管理功能融合成CCU的一个单元；在大型系统中，则可以用作独立单元。图像管理单元一般采用PC风格的架构，基于处理器系统而构建。该单元可采用如Windows或Linux等操作系统，同时为内窥镜提供定制的GUI。其可有多路视频输入，以从不同角度或者用不同缩放水平同时显示图像。此外，该单元还可以通过鼠标和键盘进行控制，并拥有自己的监控器。

　　

　　图4 图像管理单元

　　高端系统，特别是采用高清视频的系统，往往会把视频接口和视频处理任务交由赛灵思FPGA执行。在这种情况下，图像管理的各种功能均由FPGA硬件处理，而非由处理器中的软件执行。该架构能确保视频流仅由高性能逻辑电路处理，从而生成不会给同步运行在处理器中的其他进程造成影响的低滞后视频。此外，系统设计人员还可充分利用FPGA提供的高引脚数和多功能I/O接口标准来实现数据、网络、存储和用户接口，从而有助于减少系统的总器件数。

　　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。