被汽車(chē)圈驗(yàn)證的GMSL技術(shù)如何幫助內(nèi)窺鏡系統(tǒng)升級(jí)迭代

醫(yī)療機(jī)構(gòu)正持續(xù)加碼數(shù)字醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以改善患者治療效果、簡(jiǎn)化工作流程，并支持?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的臨床決策。新冠疫情的爆發(fā)加速了這一趨勢(shì)，如今數(shù)字化正重新定義未來(lái)醫(yī)療服務(wù)模式。在此背景下，高分辨率醫(yī)用顯示屏的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，以支持診斷、監(jiān)測(cè)和術(shù)中可視化。與此同時(shí)，微創(chuàng)和機(jī)器人輔助手術(shù)的快速增長(zhǎng)，也在推動(dòng)高性能外科攝像頭得到更廣泛采用。其中，機(jī)器人輔助手術(shù)市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2030年將增至271億美元，規(guī)模達(dá)到當(dāng)前的三倍；目前全球已部署超過(guò)2100臺(tái)手術(shù)機(jī)器人。

此類(lèi)手術(shù)依賴(lài)先進(jìn)的成像技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可視化、精準(zhǔn)操作和可靠控制。4K分辨率、3D成像和機(jī)器人集成，逐漸成為現(xiàn)代手術(shù)室的標(biāo)配。隨著成像能力不斷提升，支撐這些技術(shù)的連接解決方案也必須升級(jí)。為了充分發(fā)揮現(xiàn)代成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，必須實(shí)現(xiàn)對(duì)未壓縮視頻和控制數(shù)據(jù)的可靠、低延遲傳輸。本文介紹的Gigabit Multimedia Serial Link?（GMSL，千兆多媒體串行鏈路）技術(shù)，可用作下一代醫(yī)療設(shè)備中攝像頭和顯示屏連接的可擴(kuò)展統(tǒng)一解決方案。

在行業(yè)對(duì)更豐富、更具沉浸感的成像的需求驅(qū)動(dòng)下，內(nèi)窺鏡系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面臨著日益嚴(yán)峻的系統(tǒng)級(jí)挑戰(zhàn)。隨著視頻分辨率提升、幀率加快，加上多傳感器配置的引入，攝像頭單元產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大幅增加。

例如，4K60攝像頭系統(tǒng)可產(chǎn)生10Gbps以上的視頻數(shù)據(jù)。雙攝像頭系統(tǒng)（如圖1所示）如今已廣泛應(yīng)用于立體3D或近紅外(NIR)熒光成像，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量可達(dá)上述數(shù)據(jù)量的2到4倍。

將大量數(shù)據(jù)從攝像頭單元經(jīng)幾米長(zhǎng)的線纜傳輸至外科醫(yī)生控制臺(tái)時(shí)，設(shè)計(jì)人員須應(yīng)對(duì)信號(hào)衰減和結(jié)構(gòu)尺寸帶來(lái)的挑戰(zhàn)。擴(kuò)展攝像頭連接架構(gòu)以提升吞吐能力時(shí)，通常需要提高時(shí)鐘頻率或增加線纜上的并行數(shù)據(jù)通道數(shù)量。然而，線纜的外形尺寸限制及帶寬提升帶來(lái)的線纜衰減加劇，使這兩種方法都難以實(shí)施。功耗也必須受到嚴(yán)格控制，以避免手持部件在使用過(guò)程中發(fā)熱，對(duì)患者安全和外科醫(yī)生的操作舒適性造成不利影響。

在支氣管鏡檢查、泌尿外科等感染風(fēng)險(xiǎn)較高的醫(yī)療操作中，一次性?xún)?nèi)窺鏡器械的使用正逐漸增加，成為另一個(gè)明顯的趨勢(shì)。一次性方案雖然提高了工作效率并減少了交叉感染，但也對(duì)成本控制與系統(tǒng)集成提出了更為嚴(yán)苛的要求，從而改變了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)先級(jí)。傳統(tǒng)基于FPGA的終端處理方案往往成本過(guò)高，難以滿(mǎn)足一次性設(shè)計(jì)的規(guī)?；慨a(chǎn)需求。此外，多芯線纜及復(fù)雜連接器的使用，也顯著推高了物料清單(BOM)成本。由于這些因素，要想在兼顧成本效益、小型化及便于滅菌的前提下實(shí)現(xiàn)高性能成像，變得極具挑戰(zhàn)性。

除了數(shù)據(jù)吞吐量和熱約束外，內(nèi)窺鏡系統(tǒng)還必須滿(mǎn)足嚴(yán)格的電氣隔離要求，以確保患者安全并符合醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)，例如IEC 60601-1。將CMOS圖像傳感器的數(shù)千兆位視頻流數(shù)據(jù)進(jìn)行跨隔離柵傳輸，是一項(xiàng)重大工程挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)攝像頭接口的穩(wěn)健隔離是設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵考量因素，將在本系列的第二部分詳細(xì)探討。

如圖2所示，ADI公司的GMSL技術(shù)直擊攝像頭和顯示屏連接挑戰(zhàn)，為現(xiàn)代醫(yī)療設(shè)備提供穩(wěn)健、可擴(kuò)展、低功耗的連接解決方案。GMSL原本為汽車(chē)應(yīng)用而開(kāi)發(fā)，已廣泛應(yīng)用于先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)和車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)，可滿(mǎn)足這類(lèi)場(chǎng)景對(duì)于高帶寬、低延遲和可靠性的需求。GMSL技術(shù)支持通過(guò)單條同軸或屏蔽雙絞線(STP)線纜，傳輸未壓縮視頻、控制信號(hào)和電力，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)確保信號(hào)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離、柔性、支持滅菌處理的線纜后依然保持信號(hào)完整性。

GMSL技術(shù)非常適合連接采用MIPI CSI-2接口的CMOS圖像傳感器。這種架構(gòu)支持各種單傳感器和多傳感器成像模式，包括用于高保真彩色成像的RGB傳感器、用于熒光可視化的NIR傳感器以及用于3D深度感知的立體傳感器。

GMSL鏈路支持每鏈路6Gbps或12Gbps的可擴(kuò)展帶寬，可使用單傳感器或多傳感器配置來(lái)傳輸高分辨率、高幀率視頻。使用單條同軸或STP線纜即可傳輸視頻、電力和控制信號(hào)，線纜外形尺寸得以縮小，連接器復(fù)雜度也得以降低。

GMSL通過(guò)取代傳統(tǒng)基于FPGA的終端處理實(shí)現(xiàn)方案，顯著降低了手持部件的功耗和熱負(fù)荷。這項(xiàng)技術(shù)不僅讓一次性器械具備可行性，還能改善外科醫(yī)生的操作舒適度。

GMSL非常適合內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)。在此類(lèi)系統(tǒng)中，線纜會(huì)不停地運(yùn)動(dòng)和彎折（彎曲半徑很?。?，并反復(fù)經(jīng)受滅菌處理，但高速數(shù)據(jù)傳輸必須始終穩(wěn)定可靠。ADI的專(zhuān)利自適應(yīng)均衡技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)持續(xù)調(diào)整，即使內(nèi)窺鏡線纜因長(zhǎng)期使用而發(fā)生老化，信號(hào)完整性也不受影響。

UART、I²C、SPI等控制接口可通過(guò)GMSL鏈路進(jìn)行隧道傳輸，從而有效減少導(dǎo)線數(shù)量，縮小線纜直徑，并支持對(duì)圖像傳感器進(jìn)行配置，而且可對(duì)鏡頭驅(qū)動(dòng)器、照明電路、安全存儲(chǔ)器、環(huán)境傳感器等外設(shè)進(jìn)行管理。這套系統(tǒng)還支持參考時(shí)鐘經(jīng)參考通道傳輸(RoR)，讓圖像傳感器的參考時(shí)鐘能夠通過(guò)同一線纜傳輸，使得手持部件無(wú)需晶體振蕩器，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

GMSL以微秒級(jí)延遲傳輸未壓縮視頻，滿(mǎn)足手術(shù)機(jī)器人和實(shí)時(shí)可視化系統(tǒng)的嚴(yán)格時(shí)序要求。使用未壓縮數(shù)據(jù)還能確保為外科手術(shù)導(dǎo)航與診斷中使用的新興AI算法提供高保真輸入。車(chē)規(guī)級(jí)穩(wěn)健性，包括循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)和差錯(cuò)校驗(yàn)，有助于在苛刻的工作條件下維護(hù)數(shù)據(jù)完整性。

基于GMSL的內(nèi)窺鏡成像系統(tǒng)通常將GMSL串行器直接放置在手持部件中，與MIPI CSI-2 CMOS圖像傳感器連接。串行器將高速圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)健的GMSL數(shù)據(jù)流，以便通過(guò)單條同軸或STP線纜，傳輸?shù)轿挥谑中g(shù)車(chē)或控制臺(tái)中的GMSL解串器。MIPI CSI-2接口可在手術(shù)控制臺(tái)中進(jìn)行電氣隔離，以提供所需的安全性。本系列的第二部分將對(duì)此深入探討。

此架構(gòu)（如圖3所示）具備若干關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

• 簡(jiǎn)化攝像頭設(shè)計(jì)：無(wú)需傳統(tǒng)邊緣處理方案中使用的FPGA，支持一次性器械，設(shè)計(jì)更緊湊、熱效率更高、更經(jīng)濟(jì)。

• 降低線纜復(fù)雜度：通過(guò)單條輕量級(jí)線纜，傳輸視頻、電力和控制信號(hào)，有效減少導(dǎo)線數(shù)量，縮小導(dǎo)線直徑和連接器尺寸，并減輕連接器重量。自適應(yīng)均衡技術(shù)能夠在整條線纜上維護(hù)信號(hào)完整性。

• 性能可擴(kuò)展：這種架構(gòu)支持更高的分辨率、幀率和多傳感器配置。為了獲得更大的帶寬，可以使用雙GMSL串行器設(shè)置。

• 降低功耗：通過(guò)取代FPGA和大部分支持電路，手持部件的發(fā)熱量得以有效降低，系統(tǒng)效率得以提高，長(zhǎng)時(shí)間手術(shù)過(guò)程中外科醫(yī)生的操作舒適度也有保障。

• 外設(shè)集成：GMSL鏈路支持多種邊帶協(xié)議（UART、I²C、SPI），不僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡頭驅(qū)動(dòng)器、照明光源和安全認(rèn)證器的控制，還為后續(xù)檢測(cè)模式提供了通信平臺(tái)。

• 支持滅菌處理：簡(jiǎn)化的線纜和連接器設(shè)計(jì)非常適合可高溫滅菌的器械；再結(jié)合自適應(yīng)均衡技術(shù)，可確保在臨床環(huán)境中的長(zhǎng)期可靠性。

這種架構(gòu)特別適合采用MIPI CSI-2 CMOS圖像傳感器的腹腔鏡、支氣管鏡和泌尿科器械。在這類(lèi)器械中，圖像傳感器位于手持部件中，并通過(guò)柔性或剛性光纖與手術(shù)部位建立連接。這種架構(gòu)對(duì)采用緊湊型圖像傳感器的CMOS端頭式內(nèi)窺鏡同樣有利，可將CSI-2接口的傳輸距離縮短至內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)端與手持部件之間的距離。

不止于內(nèi)窺鏡：顯示屏和外設(shè)連接

GMSL技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于內(nèi)窺鏡系統(tǒng)中的攝像頭連接。在手術(shù)場(chǎng)景中，GMSL能夠?qū)⒏叻直媛室曨l從處理器路由到手術(shù)室內(nèi)外的顯示屏，從而在多個(gè)顯示終端上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可視化。在急救和治療設(shè)備中，如輸液泵、透析機(jī)和患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，GMSL支持將內(nèi)部視頻傳輸?shù)角度胧斤@示屏，從而取代常常會(huì)引起機(jī)械可靠性問(wèn)題和電磁干擾(EMI)的笨重帶狀線纜。

通過(guò)將視頻、控制信號(hào)和電力統(tǒng)一經(jīng)由單條同軸或STP線纜傳輸，GMSL簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)并提高了可靠性。GMSL也非常適合與眼科、皮膚科和體外診斷設(shè)備中使用的遠(yuǎn)程成像模塊連接，滿(mǎn)足此類(lèi)設(shè)備對(duì)緊湊型、高帶寬攝像頭鏈路的需求。經(jīng)驗(yàn)證，GMSL能夠在約15至20米的距離上保持信號(hào)完整性（實(shí)際距離取決于線纜組件），因而非常適合用于臨床和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的模塊化系統(tǒng)及分布式成像平臺(tái)。

GMSL器件和原型生態(tài)系統(tǒng)

ADI提供了全面的GMSL串行器和解串器產(chǎn)品組合，支持各種各樣的成像和顯示應(yīng)用。GMSL2系列支持6Gbps鏈路，包括MAX96717（CSI-2轉(zhuǎn)GMSL2串行器）、MAX96714（GMSL2/GMSL1轉(zhuǎn)CSI-2解串器）和適用于多傳感器配置的MAX9295D雙串行器。最近發(fā)布的GMSL3器件（包括MAX96792和MAX96793）支持12Gbps鏈路，能夠讓先進(jìn)成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的分辨率和幀率。圖4顯示了利用GMSL2和GMSL3與手術(shù)器械中的單/雙CMOS圖像傳感器進(jìn)行連接的常見(jiàn)架構(gòu)。

這些器件支持通過(guò)單條同軸或STP線纜傳輸未壓縮視頻、控制信號(hào)和電力，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)并降低連接器復(fù)雜度。單/雙串行器架構(gòu)的參考圖片可在GMSL技術(shù)網(wǎng)頁(yè)上獲取。

為了加速開(kāi)發(fā)，ADI與生態(tài)伙伴合作，提供多種評(píng)估板、載體平臺(tái)和攝像頭接口套件。這些工具支持NVIDIA Jetson和樹(shù)莓派等平臺(tái)，并且包含軟件協(xié)議棧、內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序與診斷工具，有助于快速實(shí)現(xiàn)原型開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。GMSL生態(tài)供應(yīng)商列表也可通過(guò)GMSL網(wǎng)頁(yè)獲取。

針對(duì)希望深入了解GMSL的工程師和開(kāi)發(fā)者，GMSL大學(xué)(GMSL U)提供了結(jié)構(gòu)化在線學(xué)習(xí)課程。其中包括基礎(chǔ)課程、實(shí)施示例，還有專(zhuān)門(mén)面向顯示屏和傳感器應(yīng)用的認(rèn)證路徑。GMSL U致力于幫助客戶(hù)在醫(yī)療、工業(yè)、汽車(chē)等領(lǐng)域，信心十足地評(píng)估、設(shè)計(jì)、部署基于GMSL的系統(tǒng)。

結(jié)語(yǔ)

在外科手術(shù)和急救護(hù)理領(lǐng)域，成像與可視化技術(shù)變得日益重要，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須重新思考如何通過(guò)緊湊且支持滅菌處理的平臺(tái)傳輸視頻、控制信號(hào)及電力。GMSL技術(shù)提供了一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證且可擴(kuò)展的解決方案，支持將高性能攝像頭和顯示屏集成到現(xiàn)代醫(yī)療器械中，從而在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，滿(mǎn)足帶寬、可靠性和外形尺寸要求。