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到內窺鏡的另一端，在采用內窺鏡進行檢查和治療的過程中進行對象照明。

部分光源可通過以太網或者其他通信協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行遠程控制。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由于優化組合了低功耗、高性能和高度的互連靈活性優勢，非常適用于管理光源中的邏輯要求。

顯示

顯示設備是一個關鍵性的組件，能夠影響內窺鏡系統的診斷準確性。醫用顯示器具有獨特的專用需求，如：異的灰階和黑階性能、廠內和現場校準、與可實現診斷和校準的PC通信、可將多臺監控器連接在一起顯示單幅圖像、長線纜情況下可進行圖像增強、抗強光、低反射，以及支持多路同步輸入等。顯示監控器必須符合嚴格的醫療安全和質量標準。該顯示監控器可連接至CCU或者圖像管理單元。另一種常見的情況是一套系統使用多臺顯示監控器，其中一臺或者數臺連接至CCU，以供醫生或者助理觀察之用，同時將另外的監控器連接到圖像管理單元，以供其他人進行觀察或者控制。圖5顯示了典型的方框圖。

圖5 醫療顯示器方框圖

多種不同的技術解決方案可以滿足顯示監控器的邏輯要求。只有FPGA能夠提供可用于整個產品線的低成本且上市進程快的可擴展解決方案。此外，它們不僅能夠支持顯示器中多種多樣的接口標準，而且還能執行所需的圖像增強、伽瑪校正、降噪處理功能，從而構成協調一致的整體。

如何降低內窺鏡系統功耗?

對于內窺鏡系統的設計來說，如何降低功耗是一個重大的挑戰。在醫療系統中，這項要求源自必須遵從的非常嚴格的安全和質量規定。為了符合安全和質量要求，電源設計的成本和復雜性會隨功耗的上升而大幅度增加。系統設計人員一直努力采用最新的技術和設計方法，以期在不犧牲性能的情況下將功耗保持在最低水平。

熱量是另一個推動功耗降低的因素。集成了大量系統門的半導體器件在以高時鐘頻率工作時，產生的熱量必須盡快從系統中散出，才能使組件的溫度保持在規定的范圍內。為了高效散熱，必須對散熱片、風扇、封裝以及PCB進行精心設計。熱量管理系統會增加系統的總體重量、大小和成本，而增加風扇的轉速也會進一步增加功耗。

接口

內窺鏡系統采用多種不同類型的邏輯器件來處理各種各樣的互聯和處理任務。每個器件都具有獨特的接口要求，這就需要多樣化的互聯解決方案。內窺鏡系統對高帶寬的需求來自多個方面，其中包括高分辨率圖像傳感器、大型顯示器以及通過電線在系統組件之間傳輸串行數據等。圖6顯示了用于內窺鏡系統中的通用接口。

圖6 內窺鏡系統的通用接口

在解決復雜接口問題時，FPGA能夠在合理的價格水平中提供最高數量的I/O，并支持大多數接口標準。因此，普遍將其用于處理內窺鏡系統面臨的接口難題。根據所采用FPGA的大小，系統架構師可以準確判定，為USB等最復雜的功能提供專用的接口器件是最具性價比的做法。

賽靈思FPGA在內窺鏡中的應用

賽靈思FPGA不僅僅是一個芯片器件，更是一個設計生態系統，其配套提供設計工具和全面的IP庫，能幫助用戶迅速開展設計工作。由于該芯片器件是賽靈思設計的，故對系統設計人員來說，無NRE和生產成本，只需開發設計，下載設計文件到器件，就能完成特定設計的配置工作。

賽靈思FPGA的功耗優勢

高功耗要求會增加內窺鏡系統的成本、尺寸和噪聲，同時影響可靠性和性能。賽靈思已經生產出高性能、低功耗FPGA，非常適用于內窺鏡攝像頭、CCU和顯示器。

通過利用最先進的工藝，賽靈思實現了功耗、性能、成本和特性的最佳平衡。賽靈思賦予了客戶持續推動每個產品系列的技術節點進步，輕松將芯片器件升級到新一代工藝技術的能力。

賽靈思FPGA采用的高速DSP模塊可以充分發揮專用高性能處理Slice的優勢，從而穩固賽靈思的性能領先地位。賽靈思FPGA還提供了局部存儲器和邏輯資源，能夠充分滿足內窺鏡應用的性能要求。同時結合嵌入式處理、標準化I/O和業經驗證的軟IP生態系統，為客戶提供了一條降低產品開發風險、成本，縮短開發周期的捷徑。

采用可擴展設計實現成本節約

賽靈思Artix-7、Kintex-7和Virtex-7三大7系列FPGA產品采用近乎相同的邏輯架構。這樣實現了跨器件的IP移植性，系統設計人員可以上/下擴展設計，通過單個基礎設計就能高效實現整條產品線。對內窺鏡系統來說，這樣做非常有價值，因為具有不同特性集和圖像分辨率的不同系統往往采用各自專有的圖像處理IP或功能。賽靈思的通用器件架構較將RTL從一個FPGA架構移植到另一個FPGA架構的典型做法，讓系統設計人員在重新編碼的成本和時間上均實現了顯著的節約。

總結

FPGA理想適用于要求小尺寸、低功耗和高性能的內窺鏡系統。賽靈思Spartan-6、Virtex-6和7系列FPGA除了提供與ASIC相媲美的卓越性能外，同時還具有低偶生工程總成本(NRE)、大幅縮短產品上市時間、可擴展設計和高I/O數量的優勢。另外，賽靈思的定制低功耗工藝，結合先進的功耗優化工具，較同類競爭解決方案實現了功耗的大幅降低。所有這些優勢綜合在一起，讓內窺鏡系統開發人員能夠在預算和功耗約束范圍內迅速部署采用最先進技術的系統，從而改善患者的護理。