利用赛灵思FPGA轻松应对内窥镜系统架构挑战

本文将对赛灵思FPGA进行全面论述，介绍其如何帮助内窥镜制造商克服复杂的设计约束，生产出极具竞争优势的产品;如何帮助他们成功构建外形小巧的低功耗内窥镜摄像头、高性价比的摄像机控制单元(CCU)，以及多功能、低成本的图像管理设备。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/189608.htm
内窥镜系统介绍

在某些疾病的诊断中，内窥镜拥有当今其他技术不可匹敌的卓越性能，如在结肠和溃疡息肉或消化道真菌的检查中。采用内窥镜诊断不仅可以避免辐射，而且对患者造成的痛苦也是最少的。由于具备这些与生俱来的固有优势，医生纷纷采用内窥镜技术，并不断要求实现技术的改良创新，以进一步提升成像能力。这种需求促使供应商采用窄带成像(Narrow Band Imaging)、自体荧光成像(Auto fluorescence Imaging)以及多带成像等最新技术。

通过实现微创手术技术，内窥镜极大地提高了患者的护理质量。医疗机构一直在寻求能以更高效率和更低成本进行手术治疗的创新途径。医生希望设备具有尺寸小、灵活性好、重量轻等优异特性，这样他们就能在摆放设备的时候在尽量长的时间里既让患者感到舒适，又不会让手术操作人员感到疲倦。在诊断和手术内窥操作中，医生需要通过小切口插入内窥镜，以获得可用的目标图像。在使用纤维内窥镜的诊断过程中，医生需要手持内窥镜一段时间。在手术过程中，虽然可将设备安装在机械装置上，但需要在狭小的空间里同时使用多个腹腔镜和手术工具，这给手术的安排带来了难度。

由于系统尺寸小，电子产品的发热量必须低，因为可用于热耗散的空间非常小，而且手持产品的外壳耐热性也非常低。这就要求供应商既要最大限度地缩小电子系统的机械尺寸，同时又要克服低功耗设计约束带来的更大挑战。

内窥镜系统架构

典型的内窥镜系统拥有五大组件(图1)。

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图1 内窥镜系统组件

摄像头

摄像头是一套物理设备，其内置CCD或CMOS图像传感器、预处理电子系统、光源接线以及水管、空气、真空和活组织检查工具等各种机械构件。

在纤维内窥镜中，图像传感器位于插管的远端;而在硬管内窥镜中，传感器位于插管的近端，往往就在摄像头的内部。可通过向摄像头输送电力和在两个单元之间传输数据的电缆将该摄像头连接至摄像头的控制单元。

摄像头的主要设计难题之一是要最大限度地缩小机械外形和电子线路的尺寸，以实现更高的易用性。为了进一步缩小外形尺寸，系统设计人员还可以减少摄像头所执行处理功能的数量，这就需要将绝大多数的图像处理功能让CCU来承担。图2显示了内窥镜摄像头典型的系统级功能方框图。

利用赛灵思FPGA轻松应对内窥镜系统架构挑战
图2 内窥镜摄像头方框图

可在CMOS/CCD图像传感器上生成原始图像，随后再传输到下游的图像处理链中，最后传输给CCU。图像传感器采用标准的拜尔模板，通过镜头阴影和失真模块来最大程度地减少噪声并实现均匀一致的图像。色彩过滤器阵列(CFA)能够完成像素之间的插补，并将拜尔图像转换到RGB色域。随后再用RGB图像对自动曝光、增益、白平衡以及对焦等其他参数自动进行控制。

摄像头设计挑战

内窥镜所用图像传感器和模拟电路系统的电源噪声容限较低。虽然电源是通过CCU的长电缆输送到摄像头上的，但摄像头中另安排有电源稳压和滤波电路，以保持摄像头系统实现无尖峰的稳定供电。电源稳压必须精心设计，因为电流通过长电缆所产生的阻抗会自动产生电压尖峰。在典型的系统中，电压尖峰可通过稳压来减轻，方法是在PCB板上安置大电容和在PCB板上增加大电容和旁路电容。此外，增加电容量还有助于减少逻辑器件等板载本地开关电路产生的噪音。但是，在内窥镜摄像头这样的小型系统中，在PCB上安置大电容显然不适合，也没有足够的空间在组件周边安置更多的电容。

最小化电源噪声的最佳解决方案是和减少摄像头中逻辑器件消耗的电量，这样就能限制电源突波和流经电源电缆中开关电流的大小，从而降低系统的本地噪声。

在选择内窥镜摄像头中采用的中央图像处理器时，一种解决方案需要实现多个ASSP和/或DSP处理器才能支持这些功能;但是，该些实现方案难以充分利用PCB板的板面布局。但单芯片解决方案是更好的解决方案，FPGA技术能以最佳的性价比为内窥镜系统的开发人员提供低功耗的单芯片解决方案。

内窥镜系统架构