Les plaques base d'endoscopi d'ultra-alta-definició 8K trenquen el coll d'ample de banda

Arriben les plaques base d'endoscopi d'ultra-alta-definició 8K

Una imatge de 8K conté 33 milions de píxels, quatre vegades la resolució de les imatges 4K. Això és un torrent de dades, suficient per omplir un buffer de memòria de 24 GB en només dos segons. Per aprofitar al màxim aquestes dades, la càmera d'endoscopi mèdic ha de transmetre i mostrar cada imatge mitjançant un cable ultra-. Per als cirurgians, 8K aporta una nova dimensió per veure el cos.

Els resultats de l'enquesta d'un assaig multicèntric d'endoscòpia d'ultra-alta-definició 8K són reveladors. La sensació de presència va ser jutjada "superior" pel 97,8% dels operadors i el 91,5% dels observadors, en comparació amb els sistemes actuals. La visibilitat del teixit també es va considerar millor en comparació amb els sistemes 4K i HD, pel 93,5 per cent dels operadors i el 82,6 per cent dels observadors. 8K permet al cirurgià veure el detall dels instruments quirúrgics, com aquest fil de 0,02 mm, que no seria visible amb l'endoscòpia 4K.

Però aquesta avalada de dades és una arma de doble{0}}tall. La gran quantitat de dades d'una càmera d'endoscopi mèdic 8K és massa gran per gestionar-la. Les dades s'han de processar i mostrar amb poc o cap retard, però 8K requereix almenys quatre vegades l'amplada de banda dels sistemes d'endoscòpia actuals. El veritable repte per fer realitat l'endoscòpia 8K rau en el desenvolupament de noves tecnologies, com la placa base de l'endoscopi 8K. Per entendre per què, comencem mirant aquest component crític dins de l'endoscopi.

 

La placa base al cor del sistema

La placa base de l'endoscopi rep les dades del mòdul Medical Endoscope Camera, les processa mitjançant algorismes de processament d'imatges i les envia a la pantalla del cirurgià. Dins d'aquest ordinador en miniatura hi ha circuits especialitzats per accelerar i optimitzar el processament de vídeo. Però què han de fer aquests circuits? I quanta energia consumeixen?

El primer obstacle en el desenvolupament d'un sistema d'endoscòpia 8K és l'ample de banda. Per transmetre vídeo 8K, el sistema ha de processar les dades a una velocitat superior a 48 Gbps, si el vídeo no està comprimit. Després, hi ha el repte de la latència, el temps de retard entre la captura d'una imatge i la seva visualització a la pantalla. El més important és que la placa base de l'endoscopi ha de contenir circuits que permetin el tipus de processament i millora d'imatges que requereix un sistema d'endoscòpia quirúrgica. Els processadors gràfics tradicionals no estan a l'altura per a 8K. Per afrontar el repte, s'estan aplicant a aquesta tasca les últimes tecnologies de computació heterogènia.

 

Informàtica heterogènia: el camí a seguir

No hi ha dubte que els FPGA són l'opció correcta per a aplicacions-intensives de vídeo, donada la seva capacitat per oferir un rendiment determinista amb un consum d'energia relativament baix. Tanmateix, la combinació de FPGA més GPU està demostrant ser una fórmula guanyadora per als desenvolupadors de sistemes d'endoscòpia 8K. Aquests sistemes són capaços d'aconseguir l'enorme potència de processament necessària per al vídeo 8K, amb un mínim de latència.

Mitjançant aquest enfocament, l'FPGA pot rebre i processar les dades del mòdul de càmera d'endoscopi mèdic i enviar el vídeo processat a la unitat de processament gràfic (GPU). Aleshores, la GPU pot executar algorismes avançats de processament d'imatges que milloren el vídeo per mostrar-lo als monitors de la sala d'operacions. Les implementacions del món real-d'aquesta arquitectura heterogènia ja són capaços de funcionar amb sensors d'imatge 8K, imatges 3D amb una latència d'extrem-{-de menys de 50 ms i reconeixement d'objectes-basat en IA a 50 fotogrames per segon.

La transmissió de dades des del mòdul de la càmera de l'endoscopi mèdic a la placa base de l'endoscopi també és un repte important. Els enfocaments actuals no poden oferir el rendiment o la fiabilitat requerits per al vídeo 8K.

Superar aquesta barrera requereix un nou enfocament amb fibra òptica. Els connectors òptics actius poden transportar vuit carrils d'informació a vuit gigabits per segon, amb un aïllament elèctric total de l'entorn. Aquesta tecnologia s'ha aplicat en sistemes d'endoscopi per abordar els reptes d'ample de banda i latència que presenta l'endoscòpia 8K. Aquests enllaços òptics s'han utilitzat per a interconnexions placa-a-dins dels processadors de vídeo, així com entre el controlador i el capçal de la càmera. D'aquesta manera, els enllaços òptics poden transportar vídeo 8K, així com canals de comunicació i control, a través d'un sol cable.

L'ample de banda disponible en aquests enllaços s'utilitza per transportar vídeo en la seva forma prístina, sense compressió, per obtenir la màxima fidelitat. Els mòduls òptics moderns ofereixen 48 Gbps d'amplada de banda de vídeo en un únic enllaç. Aquest ample de banda es pot dividir per transportar senyals de vídeo, comunicació i control a través d'un sol cable, alhora que es redueix el nombre de fibres òptiques necessàries.

 

L'enfocament és un repte

Un dels majors reptes en el desenvolupament d'un sistema d'endoscòpia 8K té a veure amb l'enfocament. En una enquesta al personal mèdic que utilitzava endoscopis 8K, el 60,9 per cent dels assistents de càmera van dir que l'ajust de l'enfocament era inferior als sistemes actuals. Per què és tan desafiant? Sembla que és molt més fàcil perdre l'enfocament correcte amb 8K. En un monitor gran, els errors d'enfocament menors són molt més evidents.

Molta gent espera que els endoscopis de vídeo tinguin enfocament automàtic, però aquest enfocament no funciona en aquest entorn. Amb un endoscopi, l'àrea d'interès pot canviar d'un moment a l'altre. És possible que no estigui al centre del camp de visió, de manera que la càmera no s'hi pot enfocar automàticament. I encara que estigui centrat, caldria moure l'endoscopi per tal d'enfocar-se automàticament, cosa que podria causar molèsties al pacient.

Un enfocament per a aquest repte és desenvolupar noves formes de processament de super-resolució que funcionin en-temps real. Això permetrà que l'endoscopi de 8K mostri imatges d'alta-resolució fins i tot quan no estiguin enfocades. Aquests algorismes de superresolució (SR) aprofiten el processament de senyal no lineal (NLSP) per generar elements d'alta freqüència nous i únics que no estaven presents a l'escena original. Això permet que el cirurgià vegi petits detalls, com ara el fil quirúrgic de 0,2 mm que es mostra a dalt, que d'una altra manera no seria visible. El processament SR s'ha de realitzar a la placa base de l'endoscopi en-temps real.

 

El poder de la intel·ligència artificial

La intel·ligència artificial està pensada per revolucionar aquest camp. Els algorismes d'IA es poden utilitzar per detectar i classificar pòlips, tumors i altres objectes en el camp de visió. Però per fer-ho, els algorismes necessiten accedir al flux de vídeo complet.

Malauradament, la compressió sovint introdueix artefactes no desitjats que enfosquin o destrueixen la informació visual que necessiten els algorismes d'IA. Per tant, la compressió de vídeo és contraproduent quan es tracta de l'endoscòpia assistida per IA-. Per superar aquest problema, els desenvolupadors estan treballant per oferir tota la fidelitat del flux de vídeo original als processadors d'IA. Això requereix que el mòdul de la càmera de l'endoscopi mèdic capti i proporcioni un flux de vídeo d'alta-qualitat i alta-resolució a la placa base de l'endoscopi. Al mateix temps, la placa base de l'endoscopi ha de ser capaç de lliurar aquest flux de vídeo directament als processadors d'IA.

Alguns capturadors de fotogrames recents poden capturar vídeo de resolució 4K a 60 fps i vídeo 8K a 30 fps mitjançant un cable SDI de 12G. Aquests capturadors de fotogrames es poden utilitzar per enviar el vídeo directament a la memòria de la GPU mitjançant PCIe, utilitzant la tecnologia GPUDirect que minimitza el paper de la CPU.

Aquest enfocament permetrà-l'endoscòpia assistida per IA en el futur. I ens acostarà a l'objectiu de la cirurgia endoscòpica totalment automatitzada.

 

El paisatge 8K el 2026

El mercat dels processadors d'imatges d'endoscopis mèdics està en auge, assolint un valor de 1.600 milions de dòlars EUA el 2024, es preveu que assoleixi els 2.100 milions de dòlars el 2030. Un dels impulsors d'aquesta tendència és la ràpida adopció de sistemes 4K i 8K, així com la introducció de capacitats avançades com la intel·ligència artificial. Un altre factor que contribueix al creixement és la transició de l'endoscòpia convencional a les tècniques assistides per robòtica i basades en vídeo-.

Com a resultat, els fabricants estan llançant processadors d'imatges d'endoscopi específics de 8K-. Aquests sistemes poden mostrar vídeo 8K i gravar vídeo 4K a 60 fps, amb sortides que inclouen HDMI i 8K@60 Hz. A més de les funcions estàndard d'endoscòpia, alguns d'aquests processadors també inclouen suport DICOM per al sistema d'informació hospitalària i PACS.

L'endoscòpia 8K acaba de començar. Després de tot, els estudis clínics que estableixen el valor de 8K encara estan en curs. Però els resultats són prometedors. Aquesta enquesta de professionals mèdics del Fòrum d'Aplicacions Mèdiques d'endoscòpia 8K al Japó mostra la resposta positiva forta als primers dispositius 8K. No passarà gaire abans de veure més proves del valor de 8K.

 

El camí per a l'endoscòpia 8K

Si volem fer realitat plenament la promesa de l'endoscòpia 8K, s'han d'ajuntar diverses tecnologies diferents. Des de la perspectiva del mòdul de càmera d'endoscopi mèdic, caldrà disposar de sensors d'imatge d'última generació---. El sistema de transmissió òptica haurà de suportar l'ample de banda de vídeo elevat, amb una latència mínima. Finalment, la placa base de l'endoscopi haurà de realitzar tasques de processament d'imatges i súper-resolució a les dades de vídeo, alhora que accelerarà el processament d'IA en temps real-.

Cadascun d'aquests components presenta el seu propi conjunt de reptes. Com s'ha esmentat anteriorment, és necessari oferir vídeo 8K amb ample de banda i fidelitat suficients per aconseguir les millores desitjades en la visualització dels teixits i la definició anatòmica. Però la càmera també ha de ser físicament prou petita per passar pel canal de treball de l'endoscopi.

A l'altra banda de la connexió, el sistema de transmissió òptica ha de transportar aquesta immensa quantitat de dades des de la càmera fins al processador de l'endoscopi, amb una latència mínima i una degradació del senyal. Això requerirà una major velocitat i una tecnologia òptica més fiable per oferir un flux de vídeo ininterromput.

Però és la placa base la que es troba al cor d'aquest sistema. Ha d'equilibrar una sèrie de requisits diferents. La placa base de l'endoscopi ha de tenir prou potència i refrigeració per suportar els processadors més recents. D'altra banda, ha de ser prou petit i lleuger per passar pel canal de treball d'un endoscopi. Aquestes limitacions estan impulsant algunes innovacions convincents en el disseny d'endoscopis.

 

El futur és brillant per a l'endoscòpia 8K

S'ha demostrat el valor del vídeo 8K. Els resultats de l'enquesta d'un dels primers en adoptar aquesta tecnologia mostren grans millores en el sentit de presència, així com en la visibilitat dels teixits. Però, què vol dir realment veure els teixits amb més detall? Significa que el cirurgià té una oportunitat molt millor de discernir els detalls fins de les estructures anatòmiques.

Això és especialment important en la cirurgia mínimament invasiva, on l'objectiu és reduir la mida de les incisions i escurçar els temps de recuperació. Amb un enfocament mínimament invasiu, el cirurgià té un accés limitat al lloc quirúrgic. Com a resultat, hi ha un fort incentiu per obtenir la màxima informació visual possible. I això és precisament el que ofereix l'endoscòpia 8K.

Gràcies als últims desenvolupaments en plaques base d'endoscopis, no hi ha cap raó perquè l'endoscòpia 8K no es pugui fer realitat. I això és només el començament. Podem esperar més millores en l'-enfocament automàtic, el processament d'imatges i la super-resolució, així com nous enfocaments a l'endoscòpia assistida per IA-. Els sistemes d'endoscòpia 8K que estem veient avui representen només un pas en el camí cap a una major resolució i una major visió.