利用賽靈思FPGA輕松應(yīng)對(duì)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)架構(gòu)挑戰(zhàn)

　　作者：賽靈思公司Jon Alexander

　　本文將對(duì)賽靈思FPGA進(jìn)行全面論述，介紹其如何幫助內(nèi)窺鏡制造商克服復(fù)雜的設(shè)計(jì)約束，生產(chǎn)出極具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品；如何幫助他們成功構(gòu)建外形小巧的低功耗內(nèi)窺鏡攝像頭、高性價(jià)比的攝像機(jī)控制單元（CCU），以及多功能、低成本的圖像管理設(shè)備。

　　內(nèi)窺鏡系統(tǒng)介紹

　　在某些疾病的診斷中，內(nèi)窺鏡擁有當(dāng)今其他技術(shù)不可匹敵的卓越性能，如在結(jié)腸和潰瘍息肉或消化道真菌的檢查中。采用內(nèi)窺鏡診斷不僅可以避免輻射，而且對(duì)患者造成的痛苦也是最少的。由于具備這些與生俱來(lái)的固有優(yōu)勢(shì)，醫(yī)生紛紛采用內(nèi)窺鏡技術(shù)，并不斷要求實(shí)現(xiàn)技術(shù)的改良創(chuàng)新，以進(jìn)一步提升成像能力。這種需求促使供應(yīng)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(shù)。

　　通過(guò)實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)，內(nèi)窺鏡極大地提高了患者的護(hù)理質(zhì)量。醫(yī)療機(jī)構(gòu)一直在尋求能以更高效率和更低成本進(jìn)行手術(shù)治療的創(chuàng)新途徑。醫(yī)生希望設(shè)備具有尺寸小、靈活性好、重量輕等優(yōu)異特性，這樣他們就能在擺放設(shè)備的時(shí)候在盡量長(zhǎng)的時(shí)間里既讓患者感到舒適，又不會(huì)讓手術(shù)操作人員感到疲倦。在診斷和手術(shù)內(nèi)窺操作中，醫(yī)生需要通過(guò)小切口插入內(nèi)窺鏡，以獲得可用的目標(biāo)圖像。在使用纖維內(nèi)窺鏡的診斷過(guò)程中，醫(yī)生需要手持內(nèi)窺鏡一段時(shí)間。在手術(shù)過(guò)程中，雖然可將設(shè)備安裝在機(jī)械裝置上，但需要在狹小的空間里同時(shí)使用多個(gè)腹腔鏡和手術(shù)工具，這給手術(shù)的安排帶來(lái)了難度。

　　由于系統(tǒng)尺寸小，電子產(chǎn)品的發(fā)熱量必須低，因?yàn)榭捎糜跓岷纳⒌目臻g非常小，而且手持產(chǎn)品的外殼耐熱性也非常低。這就要求供應(yīng)商既要最大限度地縮小電子系統(tǒng)的機(jī)械尺寸，同時(shí)又要克服低功耗設(shè)計(jì)約束帶來(lái)的更大挑戰(zhàn)。

　　內(nèi)窺鏡系統(tǒng)架構(gòu)

　　典型的內(nèi)窺鏡系統(tǒng)擁有五大組件（圖1）。

　　圖1 內(nèi)窺鏡系統(tǒng)組件

　　攝像頭

　　攝像頭是一套物理設(shè)備，其內(nèi)置CCD或CMOS圖像傳感器、預(yù)處理電子系統(tǒng)、光源接線以及水管、空氣、真空和活組織檢查工具等各種機(jī)械構(gòu)件。

　　在纖維內(nèi)窺鏡中，圖像傳感器位于插管的遠(yuǎn)端；而在硬管內(nèi)窺鏡中，傳感器位于插管的近端，往往就在攝像頭的內(nèi)部。可通過(guò)向攝像頭輸送電力和在兩個(gè)單元之間傳輸數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)難題之一是要最大限度地縮小機(jī)械外形和電子線路的尺寸，以實(shí)現(xiàn)更高的易用性。為了進(jìn)一步縮小外形尺寸，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可以減少攝像頭所執(zhí)行處理功能的數(shù)量，這就需要將絕大多數(shù)的圖像處理功能讓CCU來(lái)承擔(dān)。圖2顯示了內(nèi)窺鏡攝像頭典型的系統(tǒng)級(jí)功能方框圖。

　　圖2 內(nèi)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?shù)较掠蔚膱D像處理鏈中，最后傳輸給CCU。圖像傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的拜爾模板，通過(guò)鏡頭陰影和失真模塊來(lái)最大程度地減少噪聲并實(shí)現(xiàn)均勻一致的圖像。色彩過(guò)濾器陣列（CFA）能夠完成像素之間的插補(bǔ)，并將拜爾圖像轉(zhuǎn)換到RGB色域。隨后再用RGB圖像對(duì)自動(dòng)曝光、增益、白平衡以及對(duì)焦等其他參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行控制。