摘要
手術與急重症照護環境中對高解析度相機與顯示器日益增長的需求，是由對更高視覺精確度的需求所驅動，使臨床醫生能夠在手術過程中做出更快速、更準確的決策。這些技術在設計時也考量到了臨床醫生的舒適度與易用性，以減少冗長手術期間的疲勞，並確保無縫整合到日常實踐中。本文為探討醫療視覺化與顯示連線技術系列文章的第一篇，每一期都將聚焦於提升影像品質、系統整合與病患安全的關鍵創新。Analog Devices 的 Gigabit Multimedia Serial Link™ (GMSL) 技術透過單一電纜實現未壓縮視訊、控制訊號以及電源的傳輸，從而簡化系統設計並提升可靠性，滿足了這項需求。本文探討 GMSL 在內視鏡造影、手術顯示器與病患照護設備中的應用，重點介紹其在頻寬、電源效率與整合方面的優勢。
引言
醫院正越來越多地投資於數位醫療基礎設施，以改善病患預後、簡化工作流程並支援數據驅動的臨床決策，這一趨勢受到疫情的加速推動，並正在形塑照護傳遞的未來。在這種背景下，高解析度醫療顯示器的使用正在擴大，以支援診斷、監護與術中視覺化。與此同時，微創手術與機器人輔助手術的快速成長，正推動高效能手術相機的採用率上升。光是機器人輔助手術的市場規模預計就將成長三倍，在 2030 年達到 271 億美元，在全球部署超過 2,100 台手術機器人單元。
這些手術仰賴先進造影以實現視覺化、精確度與控制，其中 4K 解析度、3D 造影以及機器人整合正在成為手術室的標準配備。隨著造影能力的提升，支援它們的連線解決方案也必須同步精進。未壓縮視訊與控制數據的可靠、低延遲傳輸，對於充分發揮現代造影系統的優勢至關重要。本文介紹 Gigabit Multimedia Serial Link™ (GMSL) 技術，作為下一代醫療設備中相機與顯示器連線的可擴展、統一的解決方案。
現代內視鏡設計的系統層級需求
內視鏡系統設計人員面臨著由對更豐富、更具沉浸感造影之需求所推動的日益增加的系統層級挑戰。對更高視訊解析度、更快幀率以及多感測器配置的推進，正顯著增加由相機單元所產生的數據量。以 4K60 相機系統為例，它可以產生高達 10 Gbps 以上的視訊數據。如圖 1 所示的雙相機系統，現在普遍用於立體 3D 或近紅外光（NIR）螢光造影，這可能使數據量在此之上增加 2 倍至 4 倍。
圖 1. 內視鏡系統的系統架構與挑戰
當將這個龐大的數據量從相機單元透過數公尺長的電纜傳輸到外科醫生的控制台時，設計人員面臨訊號衰減與外形尺寸的挑戰。擴展相機連線架構以實現更高的傳輸吞吐量，通常需要跨電纜採用更高的時脈速率或更多的平行資料通道。然而，電纜外形尺寸的限制以及在較高頻寬下增加的電纜衰減，使得這兩種方法都充滿問題。功耗也必須受到嚴格控制，以避免手持部在操作期間發熱，這對於病患安全和外科醫生的舒適度都至關重要。
在感染風險較高的手術中（例如支氣管鏡檢查與泌尿科），一次性使用內視鏡器械日益增加的採用率是另一個顯著的趨勢。雖然拋棄性（disposability）提高了工作流程效率並減少了交叉污染，但它也施加了嚴格的成本與整合限制，重塑了系統設計的優先順序。傳統基於 FPGA 的前端處理處理解決方案對於可擴展的拋棄式設計而言通常太過昂貴，且帶有複雜連接器的多導體電纜會顯著推高物料清單（BOM）成本。這些因素使得在具成本效益、緊湊且便於滅菌的外形規格中提供高效能造影變得極具挑戰性。
除了資料吞吐量與散熱限制之外，內視鏡系統還必須滿足嚴格的電氣隔離要求，以確保病患安全並符合諸如 IEC 60601-1 等醫療標準。將來自 CMOS 影像感測器的數十億位元（multi-gigabit）視訊串流傳輸跨越隔離屏障，構成了一項重大的工程挑戰。實現相機介面的強韌隔離是一項關鍵的設計考量，將在本系列的第 2 部分進行詳細探討。
GMSL：精簡手術視覺化的連線
如圖 2 所示，Analog Devices 的 GMSL 技術直接解決了這些相機與顯示器的連線挑戰，為現代醫療設備提供了一種強韌、具可擴展性且低功耗的連線解決方案。GMSL 原本為車用應用所開發，已在先進駕駛輔助系統（ADAS）與車載資訊娛樂系統中獲得廣泛採用，在這些領域中，其高頻寬、低延遲與可靠性至關重要。該技術實現了透過單一同軸電纜或遮蔽雙絞線（STP）電纜傳輸未壓縮視訊、控制訊號以及電源，在長距離、具柔韌性且可滅菌的電纜上保持訊號完整性的同時，顯著簡化了系統設計。
圖 2. 醫療設備與醫療照護環境中的 GMSL。
用於內視鏡與手術視覺化的相機連線
GMSL 技術非常適合與使用 MIPI CSI-2 介面的 CMOS 影像感測器進行介面連接。該架構支援一系列單感測器與多感測器造影模態，包括用於高傳真色彩造影的 RGB 感測器、用於基於螢光之視覺化的近紅外光（NIR）感測器，以及用於 3D 深度感知的立體感測器。
GMSL 鏈結支援每條鏈結 6 Gbps 或 12 Gbps 的可擴展頻寬，實現來自單感測器或多感測器配置的高解析度、高幀率視訊傳輸。使用單一同軸電纜或遮蔽雙絞線（STP）電纜來傳輸視訊、電源與控制訊號，從而減少電纜外形規格與連接器複雜度。
透過取代傳統基於 FPGA 的前端處理解決方案，GMSL 顯著降低了手持部內的功耗與熱負載。這不僅支援了一次性使用器械的可行性，還改善了外科醫生的熱舒適度。
GMSL 非常適合內視鏡造影系統，在該系統中，儘管電纜持續運動、彎曲半徑狹小且暴露於重複的滅菌週期中，高速資料傳輸仍必須保持可靠。ADI 的專利自適應等化（adaptive equalization）技術可即時持續調整，以在內視鏡電纜隨使用而老化的情況下保持訊號完整性。
UART、I2C 和 SPI 等控制介面可以透過 GMSL 鏈結進行通道化傳輸（tunneled），以最大限度地減少導體數量和電纜直徑，從而實現影像感測器的配置以及對周邊設備的管理，例如鏡頭驅動器、照明電路、安全記憶體和環境感測器。該系統還支援透過參考通道傳輸參考時脈（RoR, Reference clock over Reference channel），允許影像感測器的參考時脈透過同一條電纜傳輸。這消除了手持部中對石英晶體振盪器的需求，進一步簡化了設計。
GMSL 以微秒級延遲傳輸未壓縮視訊，滿足手術機器人與即時視覺化系統的嚴格時序要求。未壓縮數據的使用還確保了用於手術導引與診斷的新興基於 AI 演算法的全傳真度輸入。車規級的強韌性特徵，包括循環冗餘檢查（CRC）與錯誤檢查，有助於在嚴苛的操作條件下維持資料完整性。
用於內視鏡造影的範例系統架構
一個典型的基於 GMSL 之內視鏡造影系統將 GMSL 串列器（serializer）直接放置在手持部中，與 MIPI CSI-2 CMOS 影像感測器進行介面連接。此串列器將高速影像數據轉換為強韌的 GMSL 串流，以便透過單一同軸電纜或遮蔽雙絞線（STP）電纜傳輸至位於手術台車或控制台內的 GMSL 反串列器（deserializer）。MIPI CSI-2 介面可以在手術控制台中進行電氣隔離（galvanically isolated），以提供所需的安全保護。這個主題將在第 2 部分中進行詳細探討。
如圖 3 所示，此架構提供了幾個關鍵優勢：
-
簡化相機設計： 透過消除傳統邊緣處理解決方案中使用的 FPGA，支援一次性使用器械，創造出更緊湊、更高散熱效率且更經濟的設計。
-
降低電纜複雜度： 單一輕量化電纜承載視訊、電源與控制訊號，將導體數量與直徑降至最低，並減小連接器尺寸與重量。自適應等化（adaptive equalization）技術可在電纜長度範圍內維持訊號完整性。
-
可擴展效能： 該架構支援更高的解析度、幀率以及多感測器配置。為了獲得更大的頻寬，可以使用雙 GMSL 串列器設置。
-
更低功耗： 取代 FPGA 及大部分支援電路減少了手持部內的發熱量，提高了系統效率，並確保外科醫生在長時間手術過程中的舒適度。
-
周邊設備整合： GMSL 鏈結支援邊帶協定（sideband protocols，包括 UART、I2C、SPI），實現對鏡頭驅動器、照明光源與安全認證器（secure authenticators）的控制，同時提供與未來感測模態進行通訊的平台。
-
具備滅菌就緒能力）： 簡化的電纜與連接器設計非常適合耐高溫高壓滅菌（autoclavable）器械，結合自適應等化技術，可確保在臨床環境中的長期可靠性。
圖 3. 採用 GMSL 的內視鏡架構。
這種架構特別適合使用 MIPI CSI-2 CMOS 影像感測器的腹腔鏡、支氣管鏡與泌尿科器械，其中影像感測器位於手持部中，並透過軟性或硬性光學光纖與手術部位進行介面連接。使用緊湊型影像感測器的鏡頭端搭載 CMOS（CMOS-on-tip）內視鏡也可以從這種架構中獲益，將 CSI-2 介面的距離縮短至內視鏡遠端（末端）與手持部之間的距離。
超越內視鏡的顯示器與周邊設備連線
GMSL 技術的延伸遠遠超越了內視鏡系統中的相機連線。在手術環境中，它實現了從處理器到整個手術室內部與外部監視器的高解析度視訊路由，支援跨多個顯示端點的即時視覺化。在急重症照護與治療設備中（例如輸液幫浦、透析機和病患監護系統），GMSL 促進了對嵌入式顯示器的內部視訊傳輸，取代了常會引入機械可靠性問題與電磁干擾（EMI）的笨重排線（ribbon cables）。
透過將視訊、控制與電源整合在單一同軸電纜或遮蔽雙絞線（STP）電纜上，GMSL 簡化了系統架構並提高了強韌性。GMSL 也非常適合與驗光、皮膚科及體外診斷（IVD）設備中使用的遠端造影模組進行介面連接，在這些設備中需要緊湊、高頻寬的相機鏈結。其在長距離（取決於電纜組件約為 15 公尺至 20 公尺）下維持訊號完整性的經實證能力，使其成為臨床與實驗室環境中模組化系統及分散式造影平台的理想選擇。
GMSL 元件與原型製作生態系統
ADI 提供全面的 GMSL 串列器（serializers）與反串列器（deserializers）產品組合，以支援廣泛的造影與顯示應用。針對 6 Gbps 鏈結，GMSL2 系列包括 MAX96717（CSI-2 至 GMSL2 串列器）、MAX96714（GMSL2/GMSL1 至 CSI-2 反串列器），以及用於多感測器配置的 MAX9295D 雙串列器。最近發布的 GMSL3 元件——MAX96792 與 MAX96793——支援 12 Gbps 鏈結，為先進造影系統實現了更高的解析度與幀率能力。圖 4 顯示了在手術設備中使用 GMSL2 與 GMSL3 與單一及雙 CMOS 影像感測器進行介面連接的常見架構。
圖 4. 用於單一與雙 CMOS 感測器的範例 GMSL 架構。
這些元件支援透過單一同軸電纜或遮蔽雙絞線（STP）電纜傳輸未壓縮視訊、控制訊號以及電源，從而簡化系統設計並降低連接器複雜度。展示單串列器與雙串列器架構的參考影像可在 GMSL 技術網頁上取得。
為了加速開發，ADI 與生態系統供應商合作，提供各種評估板、載板平台（carrier platforms）以及相機介面套件。這些工具支援諸如 NVIDIA Jetson 和 Raspberry Pi 等平台，並包含軟體堆疊、核心驅動程式（kernel drivers）與診斷公用程式，以實現快速原型製作與驗證。GMSL 生態系統供應商的清單亦可在 GMSL 網頁上取得。
對於希望加深對 GMSL 理解的工程師與開發人員，GMSL 大學（GMSL University，簡稱 GMSL U）提供結構化的線上學習計畫。它包含為顯示器與感測器應用量身定制的基礎課程、實作範例與認證培訓路徑。GMSL U 旨在協助客戶在醫療、工業與車用領域中，充滿信心地評估、設計與部署基於 GMSL 的系統。
結論
隨著造影與視覺化技術在手術與急重症照護環境中變得日益關鍵，系統設計人員必須重新思考如何在緊湊、便於滅菌的平台上傳輸視訊、控制與電源。GMSL 技術提供了一種經實證、具可擴展性的解決方案，可將高效能相機與顯示器整合至現代醫療設備中，在簡化設計的同時，滿足對頻寬、可靠性以及外形尺寸的嚴苛要求。
