의료용 내시경 시스템 시장은 더 높은 기능성, 더 높은 해상도, 향상된 프로세싱 성능, 크기의 소형화에 대한 요구를 충족해야만 하는 과제에 직면해 있다. 이 글은 1080p Video Design Framework, DSP 빌딩 블록, 참조 디자인, Stratix V, Cyclone V, Arria V FPGA를 이용한 Altera의 솔루션에 대해서 설명한다.

글 | 존 소티르(John Sotir) 수석 매니저, 의료기기 사업부
리차드 양(Richard Yang) 프로덕트 마케팅 매니저, 소프트웨어 DSP 제품 영업부
Altera Corporation

전 세계적인 수요 증가
여러 가지 요인으로 인해 내시경 검사에 대한 수요가 증가하고 있다. 전 세계적으로 60세 이상 인구가 크게 증가할 것으로 예상됨에 따라 의료 서비스에 대한 수요 역시 증가할 전망이다. 사람들 사이에 검사와 치료를 요하는 위장 질환이 증가하고 있다. 이에 따라 더 많은 의사가 내시경 검사를 도입하고 있다. 많은 국가의 의료 수가 정책은 비침습적 검사를 선호하는데, 이것은 환자의 회복 시간이 빨라 전반적인 치료비용을 낮출 수 있고 환자가 좀 더 긍정적인 경험을 할 수 있기 때문이다.
다수의 국가에서 의료 인프라에 대한 투자를 늘리고 있다. 특히 의료 장비 구입이 빠르게 늘고 있다. 이러한 새로운 시장이 차세대 내시경 시스템에 대해서 새로운 과제를 제기하고 있다. 설계 팀은 갈수록 높아지는 요구를 충족해야 할 뿐만 아니라, 전 세계적인 시장경쟁 때문에 제품 출시 일정에 따른 압박을 받고 있다.

장비 동향
내시경 장비는 갈수록 더 높은 기능성을 요구하고 있다. 현재 나와 있는 다수의 내시경 플랫폼은 HD(high-definition) 시스템으로 간주할 수 있는 것들이다. 그런데 의사들은 기술 혁신이 계속됨에 따라 계속해서 더 높은 해상도의 플랫폼을 요구하고 있다. 해상도는 이미지 센서에 크게 의존한다. 하지만 실제 해상도를 결정하는데 있어서는 프로세싱 엔진과 보간 기법이 중요하다. 미래의 플랫폼은 4K × 2K 같은 더 높은 해상도를 필요로 할 것이다.
다중 스트림 조작은 플랫폼에 따른 또 다른 영역이다. 내시경 시스템은 화면 분할(picture-in-picture), 다중 카메라 입력이나 이미 기록되어 있는 내용의 side-by-side 뷰잉, 다중 이미지 뷰잉(4개 이상의 동시적 화상) 같은 기능을 필요로 한다. 사용자 친화적인 GUI는 한 모드에서 다른 모드로 편리하게 전환할 수 있어야 한다. 병실에서는 내시경 시스템이 의사와 직원들이 볼 수 있도록 여러 모니터를 포함할 것이다. 이러한 환경에서는 이미 기록되어 있는 사진이나 방사선 사진을 내시경 비디오 입력과 나란히 볼 수 있도록 표시할 수 있다. 비디오를 비디오 라우터와 모니터로 전송하기 위해서는 SDI와 HDMI 같은 다양한 인터페이스 표준과 DisplayPort, CameraLink, GigE Vision 같은 새로운 표준을 지원해야 한다. 내시경 장비 플랫폼은 다양한 표준을 지원해야할 뿐만 아니라 변경에 따른 업그레이드나 좀 더 향상된 알고리즘을 지원할 수 있어야 한다.
그 밖에 광 세기, 초점 깊이, 광학 줌 기능, 더 우수한 해상도의 디지털 줌 등의 향상이 이루어지고 있다. 장비와 병실을 더 효율적으로 사용할 수 있기 위해서는 내시경 장비의 셋업 시간이 짧아야 한다(다시 말해 화이트 밸런싱이 신속해야 한다). 또 다른 기술 혁신으로서는 렌즈 포깅(lens fogging)을 해결하기 위한 솔루션을 포함한다.
끝으로, 다른 의료 장비와 마찬가지로 내시경 시스템은 크기가 소형화될수록 바람직하다. 통합 수준을 높임으로써 크기가 더 작고 이동성이 뛰어난 카트 기반 시스템을 개발할 수 있을 것이며, 소형화된 타워 시스템은 검사 후의 세정을 용이하게 한다.

기술적 요구
이러한 많은 내시경 장비 동향은 프로세싱 성능이 향상됨으로써 가능한 것으로서, 프로세싱 성능이 향상됨으로써 향상된 이미징 알고리즘을 지원할 수 있다. 이미지 센서 기술이 향상됨에 따라 프리-프로세싱이나 포스트-프로세싱을 위해서 더 높은 해상도의 스트림을 포착할 수 있다. 내시경 장비는 카메라 헤드로부터 오는 더 많은 이미지 데이터를 처리해야 할 것이며, 프로세싱 엔진은 갈수록 더 복잡한 프로세싱 기능을 구현하게 될 것이다.
디자이너들은 플랫폼 세대에 걸쳐서 성능을 확장할 수 있는 FPGA 같은 고성능 프로세싱 디바이스를 이용해서 이러한 기능들을 구현해야 한다. FPGA는 프로세스 기술 노드 곡선에서 첨단을 달리고 있으며 매 디바이스 세대를 거듭할 때마다 더 많은 프로세싱 자원을 통합할 수 있도록 하고 있다. 예를 들어 로직 엘리먼트(LE), 부동소수점 지원 디지털 신호 프로세싱(DSP) 자원, 온-다이 메모리, 고속 I/O 지원 등을 꼽을 수 있다. 또한 고유의 FPGA 구조는 병렬 프로세싱에 적합하므로 이미징 알고리즘에 이용하기에 적합하다.
유연성이 뛰어나고 재구성이 가능한 FPGA는 근본적으로 비선형성을 처리할 수 있으므로 이미지 센서 IC와 짝을 이뤄 이용하기에 적합하다. 또한 FPGA는 고성능 I/O 기능을 제공하므로 SDI, DVI, SAS/SATA, USB 같은 인터페이스 표준을 지원할 수 있다.

의료용 비디오 개발 환경
그림 1의 설계 환경은 1080p Video Design Framework를 포함한다. 1080p Video Design Framework는 Altera, Altera 파트너, 고객 자체 비디오 프로세싱 IP(intellectual property) 블록을 스트리밍 인터페이스와 통합하고 비디오 표시, 전송, 저장을 위한 외부 인터페이스로 연결한다. 이 프레임워크의 일부로서 Altera는 다양한 참조 디자인을 포함하는 비디오 개발 키트를 제공한다. 또 The MathWorks MATLAB 및 Simulink 소프트웨어를 통합하고 있는 고수준 설계 툴로서 DSP Builder 소프트웨어를 제공한다. 디자이너들은 이 소프트웨어를 이용해 다양한 알고리즘을 모델링하고 1080p Video Design Framework를 통합할 수 있다.
이 설계 방법론은 의료 장비 디자이너가 부가가치 기능에 집중할 수 있도록 하며 개념 단계에서 제품화까지 신속한 경로를 제공한다. 이 설계 방법론은 또한 디자인을 각기 다른 Altera 디바이스로 이식하고 저가 모델에서부터 고성능 제품 라인까지 제품을 다양화하고 차별화할 수 있도록 확장성이 뛰어난 시스템을 설계할 수 있다.

내시경 시스템
그림 2는 다양한 시스템 컴포넌트로 이루어진 내시경 타워 시스템의 예를 보여주고 있다. 의사가 손 조작으로 렌즈, 광 경로, 툴, 워터/가스 배출구를 포함하고 있는 내시경(경성 또는 연성)을 조작할 수 있다. 내시경 헤드는 광섬유를 통해 광원에 연결되고, 광원은 검사 시에 의사가 조작할 수 있는 통제된 고강도 조명을 발생시킨다. 내시경은 또 카메라 헤드로 연결되는데, 카메라 헤드는 이미지 센서(단일-칩 또는 3칩 어레이)와 비디오 프리-프로세싱 장치들을 포함한다. 카메라 헤드는 통상적으로 소형 풋프린트를 요구하는데, 이것은 카메라 헤드가 핸드헬드로 사용되기 때문이다. 카메라 헤드는 비디오 프로세싱 박스로 연결되고, 비디오 프로세싱 박스는 프로세싱 기능을 수행해서 고품질 비디오를 발생시킨다. 비디오 프로세싱 박스는 또한 디스플레이 및 비디오 전송 기능을 수행해서 검사 비디오를 로컬 디스플레이로 전송하거나 비디오 라우터를 통해서 수술실 내의 외과용 모니터로 제공한다. 내시경 타워 시스템은 또 비디오 리코더나 저장 장치를 포함함으로 검사 내용을 나중에 재확인할 수 있다. 또한 내시경 타워 시스템은 인체의 체압을 유지하기 위해서 체강으로 CO2를 주입하기 위한 기복기(insufflator)를 포함한다. 이렇게 체압을 유지함으로써 의료 전문가가 인체 내의 기관이나 조직을 살펴보거나 처치를 할 수 있다.



이미지 데이터 경로와 그에 따른 프로세싱 기능들은 다음과 같이 논리적인 3개 섹션으로 구분할 수 있다(그림 3).

- 비디오 프리-프로세싱
- 비디오 포스트-프로세싱
- 비디오 디스플레이/전송

카메라 헤드 비디오 프리-프로세싱
가공하지 않은 비디오 이미지 및 프리-프로세싱 섹션의 비디오 포착 단계에서는 각기 다른 이미지 프로세싱 알고리즘을 이용해서 우수한 내시경 카메라 비디오를 제공할 수 있다. 이미징 디자이너는 고수준 소프트웨어 툴을 이용해서 다양한 알고리즘과 결과를 모델링할 수 있다. 디자이너들은 이미지 정합 및 분할에 관련된 오픈 소스 툴키트를 이용할 수 있다. 이러한 툴들은 소프트웨어를 통해서 이미징 애플리케이션 및 알고리즘을 개발할 수 있도록 최적화된 것으로서 FPGA를 이용한 구현에 대해서 최적화된 것은 아니다. Altera의 고정소수점 및 부동소수점 설계 방법론, MATLAB 소프트웨어를 이용한 알고리즘 개발, Simulink 소프트웨어를 이용한 시스템 레벨 설계는 디자이너에게 고성능 FPGA 구현을 위한 효율적인 DSP 설계 기법을 제공한다. Altera는 카메라 프로세싱 파이프라인 알고리즘 솔루션 및 프리-프로세싱을 전문으로 하는 업계의 주요 설계 업체들과도 협력 관계를 맺고 있다. Altera의 Cyclone V 및 Arria V FPGA는 이 비디오 프로세싱 단계의 요구들을 충족한다:

비디오 포스트-프로세싱
비디오 프로세싱은 FPGA가 특히 적합한 분야로서, 1080p HD 또는 4K 해상도로 전환하기 위해서는 더욱 더 그러하다. Altera의 기존 비디오 포스트-프로세싱 솔루션을 이용함으로써 디자이너는 특정 목표 시장에서 중요한 부가가치 기능에 좀 더 집중할 수 있다. 1080p 프레임워크는 Altera의 Video and Image Processing(VIP) IP 코어 스위트와 사용자가 HDL이나 Simulink로 개발한 알고리즘을 포함시킬 수 있다. Qsys 시스템 통합 툴은 디자인을 표준 스트리밍 프로토콜과 편리하게 통합할 수 있다.

비디오 디스플레이, 전송, 저장
Altera의 1080p Video Design Framework는 SDI, DVI, HDMI, DisplayPort, CameraLink, SAS/SATA, USB, 맞춤형, 고유기술 표준을 포함한 다양한 비디오 및 저장 인터페이스 표준을 지원한다. 이 프레임워크의 일부로서 Altera는 듀얼 채널 비디오 프로세싱 파이프라인을 이용한 포괄적인 up, down, cross conversion(UDX) 참조 디자인을 제공하므로 이들 디자인을 곧바로 실행할 수 있다. 4K 해상도는 선명하고 사실적인 화면을 제공하므로 비디오 향상을 위해 바람직하다. 4K 비디오 업스케일링 형식 변환 참조 디자인은 3G-SDI 인터페이스를 통해서 1080p 비디오 형식을 수신하고, 이것을 4K × 2K 해상도로 업스케일링하고, 이 출력을 4개 3G-SDI 인터페이스를 통해서 전송하는 방식으로 4K 해상도로 업스케일링 한다.

내시경 시스템에 이용하기 위한 솔루션
Altera의 가변 정밀도 DSP, 1080p Video Design Framework, 4K 참조 디자인은 설계 생산성을 향상시킬 수 있으며 의료용 내시경 장비 디자인의 요구를 충족할 수 있도록 한다.

28nm의 가변 정밀도 DSP
첨단 의료 이미징 솔루션을 설계하기 위해서는 시스템 요구를 충족하기 위해서 고성능 DSP 자원과 효율적인 설계 툴이 필요하다. 그림 4에서 보듯이 Altera의 DSP Builder 툴과 가변 정밀도 DSP는 특정한 비디오 알고리즘을 실행하기 위한 효율적인 부동소수점 또는 고정소수점 DSP 디자인을 제공한다.
DSP Builder의 Advanced blockset을 이용해서 디자이너는 MATLAB/Simulink 디자인으로 고수준 Simulink 합성 및 타이밍 지향적 최적화를 실시할 수 있다. Simulink 같은 고수준 툴 내에서 사용자 지정 fMAX 또는 지연시간 목표를 달성하기 위해서 디자인 최적화를 실시할 수 있는 것은 Altera와 일부 업체 툴에서만 이용할 수 있는 고유 기능이다. 이는 기본적으로 디자이너가 시스템이 필요로 하는 fMAX 및 지연시간으로 “다이얼”을 맞추면 나머지 일은 DSP Builder 툴이 알아서 하는 것이다. 이 툴은 레지스터를 추가해서 fMAX를 높이거나 특정한 주요 경로를 병렬화해서 지연시간 제약을 충족할 수 있으므로 결과적인 HDL 코드를 수작업으로 손질하기 위해서 소요되는 수 주가 소요되는 작업을 단축할 수 있다.
Altera의 28nm FPGA는 단정도 곱셈기를 지원하므로 고정소수점 및 부동소수점 구현에 이용하기에 매우 적합하다. Altera의 Stratix V FPGA는 고유의 가변 정밀도 DSP 아키텍처를 이용함으로써 최대 1 teraFLOPS(trillion floating-point operations per second) 성능을 달성할 수 있다.

1080p Video Design Framework
의료 장비 설계 팀의 생산성을 향상시키기 위해서는 성능이 뛰어나고 사용하기 편리할 뿐만 아니라 다양한 기능 및 IP를 지원하는 프레임워크 툴을 이용할 수 있어야 한다. Altera는 20개 비디오 기능, 스트리밍 비디오 인터페이스 표준, 하드웨어 검증 참조 디자인, 일련의 비디오 개발 키트를 포함하는 체계적인 설계 프레임워크를 제공한다. 1080p Video Design Framework를 이용함으로써 디자이너들은 기존에 사용하고 있는 디자인을 출발점으로 삼아 스케일링, 디인터레이싱, 믹싱 같은 공통적인 기능에 이용되는 검증된 IP를 재사용할 수 있고, 맞춤화 기능이나 OEM의 자체적인 IP를 추가하고, 처음부터 완전히 새로운 디자인을 개발할 때 걸리는 시간보다 단축된 시간으로 설계 작업을 완료할 수 있다.

VIP 스위트
1080p Video Design Framework의 핵심 요소가 그림 5에서 보는 VIP(Video and Image Processing) IP 코어 스위트다. 이들 IP 코어는 다양한 이미징 데이터패스에 이용할 수 있다. VIP 스위트는 간단한 색 공간 컨버터와 알파 블렌딩 믹서에서부터 polyphase 스케일링과 모션 적응식 디인터레이싱에 이용하기 위한 고도로 정교한 20개 빌딩 블록 기능들을 포함한다. 또한 잡음 제거, 에지 검출, 국소 영역 프로세싱, 안정화 및 회전 등에 이용하기 위한 이미징 IP를 제공한다.

브로드캐스트 등급 참조 디자인
새로운 내시경 시스템을 여러 다양한 업체의 기존 장비나 구형 세대 비디오 루팅 장비 및 의료용 모니터와 함께 이용할 수 있다. 이러한 셋업에 이용할 때는 최신 내시경 시스템이 새로운 비디오 표준과 기존 비디오 표준을 모두 지원할 수 있어야 한다. 그림 6과 같은 Altera의 HD 비디오 참조 디자인은 비월주사 또는 순차주사 형식의 SD(standard-definition), HD, 3 Gbps 비디오 스트림에 이용하기 위한 고품질 UDX 디자인을 제공한다. 이들 참조 디자인은 고도로 소프트웨어 및 하드웨어 구성 가능성이 뛰어나므로 빠르게 시스템을 구성하고 설계할 수 있다. 이들 디자인은 통상적인 브로드캐스트 애플리케이션에 이용하기 위한 것으로서 고해상도 디스플레이, 비디오 스위처, 멀티-뷰어, 컨버터, 원격 의료 화상회의 애플리케이션 등의 의료 비디오 애플리케이션에 이용할 수 있다. 이들 참조 디자인은 고성능 Stratix IV GX 및 저가형 Arria V GX 개발 키트에 포함되어 제공된다.

4K 비디오 업스케일링 포맷 변환 참조 디자인
내시경 전문가들은 장비를 선택할 때 이미지 해상도를 가장 중요한 고려사항으로서 언급한다. 4K 해상도가 화면 선명성과 사실성에 힘입어 향상된 비디오 기술로서 빠르게 정착되고 있다. 이전 세대 시스템은 4K 형식 변환을 실시하기 위해서 많게는 9개의 기존 칩을 필요로 했다(4개 1080p 형식 변환 칩과 SDI 입력 및 출력을 위한 5개 칩). Altera의 4K 비디오 업스케일링 형식 변환 참조 디자인(그림 7)은 단일 Stratix V FPGA(5SGXEA7) 자원의 20%를 사용한다. 나머지 풍부한 여유 자원을 이용해서 기존 또는 추가적인 비디오 소스를 이용한 화면 분할 기능, 기타 비디오 기능, DisplayPort나 HDMI 같은 인터페이스, 비디오 압축(인코딩/디코딩) 프로세싱 등을 구현하고 참조 디자인과 편리하게 통합할 수 있다. Stratix V 디바이스를 이용함으로써 Altera의 어떤 새로운 FPGA 디바이스 제품으로 이전할 수 있으므로 디자이너들이 새로운 디바이스의 특징과 기능을 활용할 수 있다.