Enclustra瑞蘇盈科FPGA核心板在4K醫(yī)療內(nèi)窺鏡中的應(yīng)用

前言

隨著技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)影像作為科學(xué)技術(shù)的主要成就之一，在無創(chuàng)診斷和治療領(lǐng)域已經(jīng)有了多種應(yīng)用。其中一個(gè)應(yīng)用是內(nèi)窺鏡，在20世紀(jì)90年代，當(dāng)利用電荷耦合裝置將圖像傳輸?shù)斤@示器上成為可能時(shí)，內(nèi)窺鏡變得更加廣泛。為了幫助醫(yī)生更好地識(shí)別和定位病灶，廠商不斷提高內(nèi)窺鏡的分辨率，人體醫(yī)療內(nèi)窺鏡的分辨率從1080P逐漸發(fā)展到如今的4K。除此之外，熒光和3D技術(shù)都被創(chuàng)造性地加入，以進(jìn)一步幫助醫(yī)生更準(zhǔn)確地診斷人體并進(jìn)行手術(shù)。日前，工信部在《醫(yī)療裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃 (2021-2025年) 》中，對(duì)醫(yī)療裝備重點(diǎn)發(fā)展、突破方向作了詳細(xì)規(guī)劃，其中包含了要重點(diǎn)突破醫(yī)用內(nèi)窺鏡等影像診斷設(shè)備的戰(zhàn)略目標(biāo)。

技術(shù)挑戰(zhàn)

在臨床環(huán)節(jié)中，內(nèi)窺鏡應(yīng)用允許的最大圖像延遲在50至150毫秒之間。然而，對(duì)于外科手術(shù)來說，內(nèi)窺鏡需要實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)地做出反應(yīng)，同時(shí)執(zhí)行圖像校正、色彩噪聲修復(fù)、邊緣增強(qiáng)、縮放等功能。此外該應(yīng)用的終端應(yīng)該盡量小巧，顯示具備4K清晰度，3D，熒光并支持SDI/HDMI接口。4K只需要一個(gè)高清攝像頭，而熒光和3D分別需要額外的一個(gè)高清攝像頭，這也對(duì)核心板資源、數(shù)據(jù)傳輸和處理速率、算法效率提出了挑戰(zhàn)。

解決方案

以Enclustra FPGA SoC為核心技術(shù)的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)可以做到實(shí)時(shí)4K視頻流。4K圖像傳感器負(fù)責(zé)捕捉圖像信息，而圖像的信號(hào)處理則由Enclustra的Mercury+ XU8 FPGA（SoC）模塊完成。捕獲的視頻流被送入Mercury+ XU8 FPGA（SoC）模塊進(jìn)行圖像預(yù)處理，然后通過圖像管理和存儲(chǔ)單元，將處理后的高清圖像通過顯示接口呈現(xiàn)在高清顯示器上供外科醫(yī)生觀看。瑞蘇盈科長(zhǎng)期占據(jù)賽靈思首頁的Mercury+ XU8核心板提供XCZU4CG、XCZU5EV、XCZU7EV三個(gè)型號(hào)，用戶在需要更多資源時(shí)可選擇更高端的型號(hào)，升級(jí)換代簡(jiǎn)單便捷。

水星Mercury+XU8核心板

結(jié)構(gòu)框圖

除了Enclustra Mercury+ XU8 FPGA (SoC)，還有其他的SoC可以考慮用來實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用，例如Mercury+ XU5, Mercury+ XU9。使用Enclustra Mercury+ XU8 FPGA (SoC)模塊可以實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)的高度集成，大大縮短開發(fā)時(shí)間。同時(shí)，通過支持各種外圍接口，可以更加快速方便的實(shí)現(xiàn)未來的功能更新和擴(kuò)展。由于瑞蘇盈科龐大的產(chǎn)品序列，用戶可在Xilinx Kintex-7、Zynq-7000、Zynq Ultrascale+ MPSoC等系列的多款核心板模塊中進(jìn)行選擇。瑞蘇盈科的核心板模塊在其系列（火星Mars、水星Mercury、仙女座Andromeda）內(nèi)與其他大部分核心板管腳兼容，這意味著用戶還可以規(guī)劃明確的升級(jí)路徑，升級(jí)換代時(shí)所付出的工程量大大減小，甚至可以在項(xiàng)目開發(fā)的過程中臨時(shí)更改核心板型號(hào)。瑞蘇盈科的FPGA核心板模塊最低預(yù)期生命周期為10年以上，同時(shí)在設(shè)計(jì)硬件時(shí)著重考慮產(chǎn)品前瞻的可用性和性能，所有產(chǎn)品均可長(zhǎng)期交付。

核心板模塊系列