Материнські плати ендоскопів Ultra{1}}High{2}}Definition 8K усувають вузьке місце пропускної здатності

З’являться ендоскопічні материнські плати ультра{1}}високої-роздільності 8K

Зображення 8K містить 33 мільйони пікселів, що в чотири рази перевищує роздільну здатність зображення 4K. Це поток даних, якого достатньо, щоб заповнити буфер пам’яті 24 ГБ лише за дві секунди. Щоб максимально використати ці дані, камера медичного ендоскопа повинна передавати та відображати кожне зображення через ультра-кабель. Для хірургів 8K відкриває новий вимір для бачення тіла.

Результати опитування багатоцентрового випробування ендоскопії над-високої-роздільності 8K відкривають очі-. 97,8 відсотка операторів і 91,5 відсотка спостерігачів оцінили відчуття присутності як «краще» порівняно з поточними системами. 93,5 відсотка операторів і 82,6 відсотка спостерігачів також вважали видимість тканини кращою порівняно з системами 4K і HD. 8K дозволяє хірургу бачити дрібні деталі в хірургічних інструментах, наприклад цю нитку 0,02 мм, яку не було б видно за допомогою ендоскопії 4K.

Але цей потік даних — це палка з двома кінцями-. Величезна кількість даних із камери медичного ендоскопа 8K занадто велика для обробки. Дані повинні оброблятися та відображатися з невеликою затримкою або без неї, і все ж 8K вимагає принаймні в чотири рази більшої пропускної здатності, ніж сучасні ендоскопічні системи. Справжній виклик у впровадженні ендоскопії 8K полягає в розробці нових технологій, таких як материнська плата ендоскопа 8K. Щоб зрозуміти чому, давайте почнемо з розгляду цього важливого компонента всередині ендоскопа.

 

Материнська плата в центрі системи

Материнська плата ендоскопа отримує дані від модуля Medical Endoscope Camera, обробляє їх за допомогою алгоритмів обробки зображень і надсилає на дисплей хірурга. Усередині цього мініатюрного комп’ютера є спеціальні схеми для прискорення та оптимізації обробки відео. Але що ці схеми повинні робити? І скільки вони споживають електроенергії?

Першою перешкодою в розробці ендоскопічної системи 8K є пропускна здатність. Для передачі відео 8K система повинна обробляти дані зі швидкістю понад 48 Гбіт/с, якщо відео не стискається. Крім того, існує проблема затримки, часової затримки між захопленням зображення та його відображенням на екрані. Найважливіше те, що материнська плата ендоскопа повинна містити схеми, які забезпечують обробку та покращення зображень, необхідні хірургічній ендоскопічній системі. Традиційні графічні процесори не справляються із завданням 8K. Для вирішення цього завдання застосовуються новітні гетерогенні обчислювальні технології.

 

Гетерогенні обчислення: шлях вперед

Немає сумніву, що ПЛІС є правильним вибором для-додатків із інтенсивним використанням відео, враховуючи їх здатність забезпечувати детерміновану продуктивність за відносно низького енергоспоживання. Однак поєднання FPGA і GPU виявляється виграшною формулою для розробників ендоскопічних систем 8K. Ці системи здатні досягти величезної потужності обробки, необхідної для відео 8K, з мінімальною затримкою.

Використовуючи цей підхід, FPGA може отримувати та обробляти дані з модуля камери медичного ендоскопа та надсилати оброблене відео до графічного процесора (GPU). Потім графічний процесор може запускати розширені алгоритми обробки зображень, які покращують відео для відображення на моніторах в операційній. Реальні-реалізації цієї гетерогенної архітектури вже здатні працювати з датчиками зображення 8K, 3D-зображеннями з --кінцевою затримкою менше ніж 50 мс і штучним інтелектом-розпізнаванням об’єктів зі швидкістю 50 кадрів на секунду.

Передача даних від модуля камери медичного ендоскопа до материнської плати ендоскопа також є серйозною проблемою. Сучасні підходи не можуть забезпечити продуктивність або надійність, необхідні для відео 8K.

Подолання цього бар’єру вимагає нового підходу з використанням волоконної оптики. Активні оптичні роз’єми можуть передавати вісім смуг інформації зі швидкістю вісім гігабіт на секунду з повною електричною ізоляцією від навколишнього середовища. Ця технологія була застосована в ендоскопічних системах для вирішення проблеми пропускної здатності та затримки, пов’язані з ендоскопією 8K. Ці оптичні канали зв’язку використовувалися для з’єднань плат--плат у відеопроцесорах, а також між контролером і головкою камери. Таким чином, оптичні канали можуть передавати відео 8K, а також канали зв’язку та керування по одному кабелю.

Пропускна здатність, доступна на цих посиланнях, використовується для передачі відео в його первозданному вигляді, без стиснення, для максимальної точності. Сучасні оптичні модулі забезпечують пропускну здатність відео 48 Гбіт/с по одному каналу. Цю смугу пропускання можна розділити для передачі відеосигналів, сигналів зв’язку та керування через один кабель, одночасно зменшуючи кількість необхідних оптичних волокон.

 

Зосередитися – це виклик

Однією з найбільших проблем у розробці ендоскопічної системи 8K є фокус. Під час опитування медичного персоналу, який використовує ендоскопи 8K, 60,9 відсотка асистентів камери сказали, що регулювання фокуса гірше, ніж у поточних систем. Чому це так складно? Здається, що з 8K набагато легше прогадати правильний фокус. На великому моніторі незначні помилки фокусування помітніші.

Багато людей очікують, що відеоендоскопи матимуть автофокус, але цей підхід не працює в цих налаштуваннях. За допомогою ендоскопа область інтересу може змінюватися від одного моменту до іншого. Він може бути не в центрі поля зору, тому камера не може на ньому автоматично сфокусуватися. І навіть якщо він буде відцентрований, ендоскоп потрібно буде перемістити для автофокусування, що може викликати дискомфорт у пацієнта.

Одним із підходів до вирішення цієї проблеми є розробка нових форм обробки з над-роздільністю, які працюють у реальному-часі. Це дозволить ендоскопу 8K відображати зображення з високою-роздільністю, навіть якщо вони не у фокусі. Ці алгоритми високої роздільної здатності (SR) використовують переваги нелінійної обробки сигналу (NLSP) для створення нових унікальних високочастотних елементів, яких не було в оригінальній сцені. Це дозволяє хірургу бачити дрібні деталі, такі як показана вище хірургічна нитка 0,2 мм, які інакше не було б видно. Обробка SR має виконуватися на материнській платі ендоскопа в режимі-часу.

 

Сила штучного інтелекту

Штучний інтелект збирається зробити революцію в цій галузі. Алгоритми ШІ можна використовувати для виявлення та класифікації поліпів, пухлин та інших об’єктів у полі зору. Але для цього алгоритмам потрібен доступ до повного відеопотоку.

На жаль, стиснення часто вводить небажані артефакти, які затемнюють або руйнують візуальну інформацію, необхідну алгоритмам ШІ. Таким чином, стиснення відео є контрпродуктивним, коли йдеться про-ендоскопію за допомогою ШІ. Щоб подолати цю проблему, розробники працюють над забезпеченням повної точності вихідного відеопотоку для процесорів ШІ. Для цього потрібно, щоб модуль камери медичного ендоскопа знімав і передавав відеопотік високої-якості з високою-роздільністю на материнську плату ендоскопа. У той же час материнська плата ендоскопа повинна мати можливість передавати цей відеопотік безпосередньо до процесорів ШІ.

Деякі новітні пристрої захоплення кадрів можуть знімати відео з роздільною здатністю 4K зі швидкістю 60 кадрів в секунду та відео 8K зі швидкістю 30 кадрів в секунду через кабель 12G SDI. Ці засоби захоплення кадрів можна використовувати для надсилання відео безпосередньо в пам’ять GPU через PCIe за допомогою технології GPUDirect, яка мінімізує роль ЦП.

Цей підхід у майбутньому дозволить-ендоскопію за допомогою ШІ. І це наблизить нас до мети повністю автоматизованої ендоскопічної хірургії.

 

Пейзаж 8K у 2026 році

Ринок процесорів обробки зображень для медичних ендоскопів швидко розвиватиметься, досягнувши 1,6 мільярда доларів США у 2024 році, за прогнозами, досягне 2,1 мільярда доларів США до 2030 року. Рушійною силою цієї тенденції є швидке впровадження систем 4K і 8K, а також впровадження передових можливостей, таких як штучний інтелект. Іншим фактором, що сприяє зростанню, є перехід від традиційної ендоскопії до роботизованих та відео-технік.

У результаті виробники розгортають 8K-спеціальні процесори зображень для ендоскопів. Ці системи можуть відображати відео 8K і записувати відео 4K зі швидкістю 60 кадрів в секунду з виходами, які включають HDMI і 8K при 60 Гц. Окрім стандартних функцій ендоскопії, деякі з цих процесорів також включають підтримку DICOM для інформаційної системи лікарні та PACS.

Ендоскопія 8K тільки починається. Зрештою, клінічні дослідження, які встановлюють значення 8K, ще тривають. Але результати обнадійливі. Це опитування медичних працівників з Форуму ендоскопії 8K в медицині в Японії показує сильну позитивну реакцію на перші пристрої 8K. Невдовзі ми побачимо більше доказів цінності 8K.

 

Попередній шлях для ендоскопії 8K

Якщо ми хочемо повністю реалізувати перспективи ендоскопії 8K, необхідно об’єднати низку різних технологій. З точки зору модуля камери медичного ендоскопа, необхідно буде мати---сучасні датчики зображення. Оптична система передачі має підтримувати високу пропускну здатність відео з мінімальною затримкою. Нарешті, материнській платі ендоскопа потрібно буде виконувати завдання з обробки зображень і супер{7}}роздільності відеоданих, а також прискорювати обробку штучним інтелектом у реальному-часі.

Кожен із цих компонентів представляє власний набір проблем. Як згадувалося раніше, для досягнення бажаних покращень візуалізації тканин і анатомічної чіткості необхідно надавати відео 8K із достатньою пропускною здатністю та точністю. Але камера також має бути фізично достатньо маленькою, щоб пройти через робочий канал ендоскопа.

З іншого боку з’єднання оптична система передачі повинна передавати цей величезний обсяг даних від камери до процесора ендоскопа з мінімальною затримкою та погіршенням сигналу. Це потребуватиме вищої швидкості та надійнішої оптичної технології, щоб забезпечити безперервний відеопотік.

Але саме материнська плата лежить в основі цієї системи. Він повинен збалансувати низку різних вимог. Материнська плата ендоскопа повинна мати достатню потужність і систему охолодження для підтримки найновіших процесорів. З іншого боку, він має бути досить малим і легким, щоб пройти через робочий канал ендоскопа. Ці обмеження спонукають до деяких переконливих інновацій у дизайні ендоскопів.

 

Світле майбутнє для ендоскопії 8K

Цінність відео 8K була продемонстрована. Результати опитування одного з перших користувачів цієї технології показують величезні покращення у відчутті присутності, а також у видимості тканин. Але що насправді означає побачити тканини більш детально? Це означає, що хірург має набагато кращу можливість розрізнити дрібні деталі в анатомічних структурах.

Це особливо важливо в малоінвазивній хірургії, де метою є зменшення розміру розрізів і скорочення часу відновлення. При мінімально інвазивному підході хірург має обмежений доступ до місця операції. У результаті виникає сильний стимул отримати якомога більше візуальної інформації. І це саме те, що забезпечує ендоскопія 8K.

Завдяки останнім розробкам материнських плат для ендоскопів немає причин, чому ендоскопія 8K не може бути реалізована. І це лише початок. Ми можемо очікувати подальших удосконалень авто-фокусування, обробки зображень і супер-роздільності, а також нових підходів до-ендоскопії за допомогою ШІ. Ендоскопічні системи 8K, які ми бачимо сьогодні, є лише одним кроком на шляху до вищої роздільної здатності та кращого розуміння.