Материнские платы для эндоскопов с разрешением 8K сверх-высокого-разрешения устраняют узкое место в полосе пропускания

Появятся материнские платы для эндоскопов со сверх-высоким-разрешением

Изображение 8K содержит 33 миллиона пикселей, что в четыре раза превышает разрешение изображения 4K. Этого потока данных достаточно, чтобы заполнить буфер памяти объемом 24 ГБ всего за две секунды. Чтобы максимально эффективно использовать эти данные, медицинская эндоскопическая камера должна передавать и отображать каждое изображение через сверх-тонкий кабель. Для хирургов 8K открывает новое измерение в изучении тела.

Результаты опроса многоцентрового исследования эндоскопии сверх-высокого-разрешения 8K-открывают глаза. Ощущение присутствия было оценено как «лучшее» 97,8 процентов операторов и 91,5 процента наблюдателей по сравнению с существующими системами. Видимость тканей также была признана лучшей по сравнению с системами 4K и HD 93,5 процента операторов и 82,6 процента наблюдателей.. 8K позволяет хирургу видеть мелкие детали хирургических инструментов, таких как резьба диаметром 0,02 мм, которые не были бы видны при эндоскопии 4K.

Но этот поток данных — палка о двух-острых концах. Огромный объем данных, поступающих с медицинской эндоскопической камеры 8K, слишком велик, чтобы его можно было обработать. Данные должны обрабатываться и отображаться с минимальной задержкой или без нее, однако для 8K требуется как минимум в четыре раза большая полоса пропускания, чем у современных эндоскопических систем. Реальная задача сделать эндоскопию 8K реальностью заключается в разработке новых технологий, таких как материнская плата эндоскопа 8K. Чтобы понять почему, давайте начнем с рассмотрения этого важного компонента внутри эндоскопа.

 

Материнская плата в центре системы

Материнская плата эндоскопа получает данные от модуля медицинской эндоскопической камеры, обрабатывает их с помощью алгоритмов обработки изображений и отправляет на дисплей хирурга. Внутри этого миниатюрного компьютера находятся специализированные схемы для ускорения и оптимизации обработки видео. Но что должны делать эти схемы? И сколько энергии они потребляют?

Первым препятствием в разработке эндоскопической системы 8K является полоса пропускания. Для передачи видео 8К система должна обрабатывать данные со скоростью более 48 Гбит/с, если видео не сжато. Кроме того, существует проблема задержки — временной задержки между захватом изображения и его отображением на экране. Самое главное, что материнская плата эндоскопа должна содержать схему, обеспечивающую обработку и улучшение изображения, необходимую для системы хирургической эндоскопии. Традиционные графические процессоры не справляются с задачей 8K. Для решения этой задачи применяются новейшие гетерогенные вычислительные технологии.

 

Гетерогенные вычисления: путь вперед

Нет сомнений в том, что FPGA являются правильным выбором для приложений,-интенсивно использующих видео, учитывая их способность обеспечивать детерминированную производительность при относительно низком энергопотреблении. Однако сочетание FPGA и GPU оказывается выигрышной формулой для разработчиков эндоскопических систем 8K. Эти системы способны обеспечить огромную вычислительную мощность, необходимую для видео 8K, с минимальной задержкой.

Используя этот подход, FPGA может получать и обрабатывать данные от модуля камеры медицинского эндоскопа и отправлять обработанное видео в графический процессор (GPU). Затем графический процессор может запускать усовершенствованные алгоритмы обработки изображений, которые улучшают качество видео для отображения на мониторах в операционной. Реальные-реализации этой гетерогенной архитектуры уже способны работать с датчиками изображения 8K, 3D-изображениями со сквозной-задержкой-менее 50 мс и распознаванием объектов на основе искусственного интеллекта-со скоростью 50 кадров в секунду.

Передача данных из модуля медицинской эндоскопической камеры на материнскую плату эндоскопа также является серьезной проблемой. Существующие подходы не способны обеспечить производительность и надежность, необходимые для видео 8K.

Преодоление этого барьера требует нового подхода с использованием оптоволокна. Активные оптические разъемы могут передавать восемь каналов информации со скоростью восемь гигабит в секунду при полной электрической изоляции от окружающей среды. Эта технология была применена в системах эндоскопов для решения проблем с пропускной способностью и задержкой, возникающих при эндоскопии 8K. Эти оптические каналы использовались для межплатных соединений-меж-плат внутри видеопроцессоров, а также между контроллером и головкой камеры. Таким образом, оптические каналы могут передавать видео 8K, а также каналы связи и управления по одному кабелю.

Пропускная способность, доступная по этим каналам, используется для передачи видео в его первозданном виде, без сжатия, для обеспечения максимальной точности. Современные оптические модули обеспечивают пропускную способность видео 48 Гбит/с по одному каналу. Эту полосу пропускания можно разделить для передачи видео, сигналов связи и сигналов управления по одному кабелю, одновременно сокращая количество необходимых оптических волокон.

 

Фокус – это вызов

Одна из самых больших проблем при разработке эндоскопической системы 8K связана с фокусировкой. В ходе опроса медицинского персонала, использующего эндоскопы 8K, 60,9% операторов заявили, что регулировка фокуса хуже, чем у существующих систем. Почему это так сложно? Похоже, что с 8K гораздо легче упустить нужный фокус. На большом мониторе мелкие ошибки фокусировки гораздо заметнее.

Многие ожидают, что видеоэндоскопы будут иметь автофокусировку, но в данном случае этот подход не работает. С помощью эндоскопа область интереса может меняться в любой момент. Он может находиться не в центре поля зрения, поэтому камера не сможет на нем автофокусироваться. И даже если он отцентрирован, для автофокусировки эндоскоп придется перемещать, что может вызвать дискомфорт у пациента.

Одним из подходов к решению этой проблемы является разработка новых форм обработки со сверх-разрешением, которые работают в реальном-времени. Это позволит эндоскопу 8K отображать изображения с высоким-разрешением, даже если они не в фокусе. Эти алгоритмы сверхвысокого разрешения (SR) используют преимущества нелинейной обработки сигналов (NLSP) для генерации новых и уникальных высокочастотных элементов, которых не было в исходной сцене. Это позволяет хирургу видеть мелкие детали, такие как показанная выше хирургическая нить диаметром 0,2 мм, которые в противном случае были бы не видны. Обработка SR должна выполняться на материнской плате эндоскопа в режиме реального-времени.

 

Сила искусственного интеллекта

Искусственный интеллект призван совершить революцию в этой области. Алгоритмы искусственного интеллекта могут использоваться для обнаружения и классификации полипов, опухолей и других объектов в поле зрения. Но для этого алгоритмам необходим доступ ко всему видеопотоку.

К сожалению, сжатие часто приводит к нежелательным артефактам, которые скрывают или уничтожают визуальную информацию, необходимую алгоритмам ИИ. Таким образом, сжатие видео контрпродуктивно, когда речь идет об эндоскопии с использованием искусственного интеллекта. Чтобы решить эту проблему, разработчики работают над тем, чтобы обеспечить полную точность исходного видеопотока процессорам искусственного интеллекта. Для этого необходимо, чтобы модуль медицинской эндоскопической камеры захватывал и передавал видеопоток высокого-качества и-разрешения на материнскую плату эндоскопа. При этом материнская плата эндоскопа должна иметь возможность доставлять этот видеопоток непосредственно на процессоры искусственного интеллекта.

Некоторые современные устройства захвата кадров могут захватывать видео с разрешением 4K со скоростью 60 кадров в секунду и видео 8K со скоростью 30 кадров в секунду по кабелю 12G SDI. Эти захватчики кадров можно использовать для отправки видео непосредственно в память графического процессора через PCIe с использованием технологии GPUDirect, которая сводит к минимуму роль центрального процессора.

Этот подход позволит в будущем использовать-эндоскопию с использованием искусственного интеллекта. И это приблизит нас к цели полностью автоматизированной эндоскопической хирургии.

 

Пейзаж 8K в 2026 году

Рынок процессоров обработки изображений для медицинских эндоскопов ожидает бурный рост: в 2024 году его стоимость достигнет 1,6 миллиарда долларов США, а к 2030 году, по прогнозам, он достигнет 2,1 миллиарда долларов США. Движущей силой этой тенденции является быстрое внедрение систем 4K и 8K, а также внедрение передовых возможностей, таких как искусственный интеллект. Еще одним фактором, способствующим росту, является переход от традиционной эндоскопии к роботизированным и видео-методам.

В результате производители внедряют специальные процессоры обработки изображений для эндоскопов 8K-. Эти системы могут отображать видео 8K и записывать видео 4K со скоростью 60 кадров в секунду с выходами, которые включают HDMI и 8K при 60 Гц. В дополнение к стандартным функциям эндоскопии некоторые из этих процессоров также включают поддержку DICOM для больничной информационной системы и PACS.

Эндоскопия 8K только начинается. В конце концов, клинические исследования, устанавливающие ценность 8K, все еще продолжаются. Но результаты многообещающие. Этот опрос медицинских работников, принявший участие в Форуме медицинского применения эндоскопии 8K в Японии, показывает сильную положительную реакцию на первые устройства 8K. Пройдет немного времени, и мы увидим больше доказательств ценности 8K.

 

Перспективы эндоскопии 8K

Если мы хотим полностью реализовать потенциал эндоскопии 8K, необходимо объединить ряд различных технологий. С точки зрения модуля медицинской эндоскопической камеры необходимо будет иметь современные-современные--датчики изображения. Система оптической передачи должна будет поддерживать широкую полосу пропускания видео с минимальной задержкой. Наконец, материнская плата эндоскопа должна будет выполнять обработку изображений и задачи сверх-разрешения видеоданных, а также ускорять обработку ИИ в-реальном времени.

Каждый из этих компонентов представляет собой свой набор проблем. Как упоминалось ранее, необходимо передавать видео 8K с достаточной пропускной способностью и точностью для достижения желаемых улучшений в визуализации тканей и анатомической четкости. Но камера также должна быть физически достаточно маленькой, чтобы пройти через рабочий канал эндоскопа.

На другой стороне соединения система оптической передачи должна передавать огромный объем данных от камеры к процессору эндоскопа с минимальной задержкой и ухудшением сигнала. Для обеспечения непрерывного видеопотока потребуется более высокая скорость и более надежная оптическая технология.

Но именно материнская плата лежит в основе этой системы. Он должен сбалансировать ряд различных требований. Материнская плата эндоскопа должна иметь достаточную мощность и охлаждение для поддержки новейших процессоров. С другой стороны, он должен быть достаточно небольшим и легким, чтобы проходить через рабочий канал эндоскопа. Эти ограничения стимулируют появление некоторых убедительных инноваций в конструкции эндоскопов.

 

Будущее светлое для эндоскопии 8K

Ценность видео 8K была продемонстрирована. Результаты опроса, проведенного одним из первых пользователей этой технологии, показывают огромные улучшения в ощущении присутствия, а также в видимости тканей. Но что на самом деле означает увидеть ткани более детально? Это означает, что хирург имеет гораздо лучшую возможность различить мелкие детали анатомических структур.

Это особенно важно в малоинвазивной хирургии, целью которой является уменьшение размера разрезов и сокращение времени восстановления. При минимально инвазивном подходе хирург имеет ограниченный доступ к операционному полю. В результате возникает сильный стимул получить как можно больше визуальной информации. И это именно то, что обеспечивает эндоскопия 8K.

Благодаря новейшим разработкам в области материнских плат для эндоскопов нет причин, по которым эндоскопия 8K не может стать реальностью. И это только начало. Мы можем ожидать дальнейших улучшений в области автоматической-фокусировки, обработки изображений и сверх-разрешения, а также новых подходов к эндоскопии с использованием искусственного интеллекта-. Эндоскопические системы 8K, которые мы видим сегодня, представляют собой всего лишь один шаг на пути к более высокому разрешению и более глубокому пониманию.