靜態(tài)圖像捕獲

　　醫(yī)生使用靜態(tài)圖像能夠迅速捕獲并共享對象組織的圖像。內(nèi)置于某些圖像傳感器中的傳感器控制電路包含一個(gè)靜態(tài)圖像捕獲電路。在其他系統(tǒng)中，這項(xiàng)功能通常由下游執(zhí)行，即在執(zhí)行圖像增強(qiáng)功能之后進(jìn)行。靜態(tài)圖像捕獲功能既可用硬件、也可用軟件執(zhí)行，圖像一般在由醫(yī)生保存到磁盤上之前都保存在本地存儲(chǔ)器中。

　　攝像機(jī)控制單元的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　在內(nèi)窺鏡手術(shù)中，醫(yī)生眼疲勞是需要納入考慮范圍的一個(gè)問題。因此需要可減少視頻滯后和實(shí)現(xiàn)最高幀速率的高速圖像處理功能，來提供流暢的視頻。

　　內(nèi)窺鏡供應(yīng)商常常會(huì)在CCU中采用獨(dú)特的圖像增強(qiáng)功能來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)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(qiáng)方案。CCU也受到功耗預(yù)算、上市進(jìn)程以及成本的限制。而將FPGA用作主圖像處理器能夠在性價(jià)比、功耗以及開發(fā)周期之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡。同時(shí)，還可將多個(gè)接口集成到單個(gè)器件中以提供接口橋接，從而既可減少組件數(shù)量，又能降低系統(tǒng)的成本和功耗。

　　圖像管理

　　在內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中，圖像管理單元功能很多，如：圖像文件管理、網(wǎng)絡(luò)連接及后處理圖像增強(qiáng)功能等。在緊湊型系統(tǒng)中，可將圖像管理功能融合成CCU的一個(gè)單元；在大型系統(tǒng)中，則可以用作獨(dú)立單元。圖像管理單元一般采用PC風(fēng)格的架構(gòu)，基于處理器系統(tǒng)而構(gòu)建。該單元可采用如Windows或Linux等操作系統(tǒng)，同時(shí)為內(nèi)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(shí)顯示圖像。此外，該單元還可以通過鼠標(biāo)和鍵盤進(jìn)行控制，并擁有自己的監(jiān)控器。

　　圖4 圖像管理單元

　　高端系統(tǒng)，特別是采用高清視頻的系統(tǒng)，往往會(huì)把視頻接口和視頻處理任務(wù)交由賽靈思FPGA執(zhí)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(zhí)行。該架構(gòu)能確保視頻流僅由高性能邏輯電路處理，從而生成不會(huì)給同步運(yùn)行在處理器中的其他進(jìn)程造成影響的低滯后視頻。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還可充分利用FPGA提供的高引腳數(shù)和多功能I/O接口標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)和用戶接口，從而有助于減少系統(tǒng)的總器件數(shù)。

　　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?shù)絻?nèi)窺鏡的另一端，在采用內(nèi)窺鏡進(jìn)行檢查和治療的過程中進(jìn)行對象照明。

　　部分光源可通過以太網(wǎng)或者其他通信協(xié)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(jìn)行遠(yuǎn)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(yōu)化組合了低功耗、高性能和高度的互連靈活性優(yōu)勢，非常適用于管理光源中的邏輯要求。

　　顯示

　　顯示設(shè)備是一個(gè)關(guān)鍵性的組件，能夠影響內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的診斷準(zhǔn)確性。醫(yī)用顯示器具有獨(dú)特的專用需求，如：異的灰階和黑階性能、廠內(nèi)和現(xiàn)場校準(zhǔn)、與可實(shí)現(xiàn)診斷和校準(zhǔn)的PC通信、可將多臺監(jiān)控器連接在一起顯示單幅圖像、長線纜情況下可進(jìn)行圖像增強(qiáng)、抗強(qiáng)光、低反射，以及支持多路同步輸入等。顯示監(jiān)控器必須符合嚴(yán)格的醫(yī)療安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。該顯示監(jiān)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(tǒng)使用多臺顯示監(jiān)控器，其中一臺或者數(shù)臺連接至CCU，以供醫(yī)生或者助理觀察之用，同時(shí)將另外的監(jiān)控器連接到圖像管理單元，以供其他人進(jìn)行觀察或者控制。圖5顯示了典型的方框圖。

　　圖5 醫(yī)療顯示器方框圖

　　多種不同的技術(shù)解決方案可以滿足顯示監(jiān)控器的邏輯要求。只有FPGA能夠提供可用于整個(gè)產(chǎn)品線的低成本且上市進(jìn)程快的可擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)，而且還能執(zhí)行所需的圖像增強(qiáng)、伽瑪校正、降噪處理功能，從而構(gòu)成協(xié)調(diào)一致的整體。