基于UWB技術(shù)在醫療設備中的應用

醫療設備制造商可在各種無(wú)線(xiàn)應用中使用超寬帶技術(shù)。

　　超寬帶（UWB）是一項高帶寬（480-1320Mb/秒）和短距離（10-50米）的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，正逐漸在醫療應用中更多的使用。UWB最初只作為一種軍事技術(shù)開(kāi)發(fā)，直至1994年美國軍方解密后才開(kāi)始發(fā)展其商業(yè)用途。早期的UWB芯片組旨在取代主流個(gè)人電腦的USB電纜。但是，醫療應用的要求是不同的，因為傳輸實(shí)時(shí)視頻和超聲波圖像要求低時(shí)間延遲和確定的數據吞吐量。阻礙UWB技術(shù)使用的另一個(gè)因素是，商業(yè)UWB芯片組供應商要求每年的訂單量達到幾十萬(wàn)以上。不過(guò)，現在已經(jīng)有一些公司提供針對醫療市場(chǎng)的需求和產(chǎn)量的UWB芯片組。醫療設備制造商已經(jīng)開(kāi)始將UWB技術(shù)用于電子內窺鏡、喉鏡和超聲波傳感器。本文介紹如何將超寬帶技術(shù)應用于電子內窺鏡。

　　將UWB技術(shù)用于內窺鏡的考慮因素

　　柔性光學(xué)內窺鏡有一根長(cháng)而細的管子，其可被導入病人體內。新式內窺鏡在頂端包含了一個(gè)光源和一個(gè)微小的成像傳感器。通過(guò)采用新型LED光源和微型CMOS攝像頭，這種結構是可行的。內窺鏡頂端的LED光源的功耗要遠遠低于傳統高功率光源。因此，一組小小的電池就足以支持內窺鏡工作幾個(gè)小時(shí)。此外，可用銅導線(xiàn)取代昂貴的光管。還有另一個(gè)優(yōu)勢是圖像可以顯示在液晶顯示器上，并在同一時(shí)間被記錄下來(lái)。顯示器的無(wú)線(xiàn)連接消除了內窺鏡的物理限制，使得病人和醫生在檢查過(guò)程中更加舒適。

　　數字傳輸是一種理想的傳輸方式，因其能提供高清晰的畫(huà)面質(zhì)量和避免失真。由于醫生是通過(guò)視頻監視器來(lái)觀(guān)察他對病人的操作，畫(huà)面應實(shí)時(shí)出現在屏幕上---換而言之，延遲要盡可能短。因此，視頻信號不能經(jīng)過(guò)壓縮電路或大規模的協(xié)議棧。UWB的高帶寬、低延遲、低輻射和穩固性使得其成為用于內窺鏡的理想無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。

　　超寬帶無(wú)線(xiàn)電技術(shù)

　　以NTSC品質(zhì)傳輸未經(jīng)壓縮的視頻需要確定性的數據傳送速率至少達到166 MB /秒，而傳統技術(shù)根本沒(méi)辦法實(shí)現這樣的數據傳送速率。傳統的無(wú)線(xiàn)技術(shù)采用一種取決于頻道可用性的無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)機制。這意味著(zhù)接收范圍內的其它設備可能會(huì )暫時(shí)減少數據帶寬。若采用UWB技術(shù)，則在會(huì )話(huà)期間永久地保留一個(gè)通道。超寬帶技術(shù)的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)很低，這對減少傳輸延遲非常重要。通過(guò)將數據分散到128個(gè)子載波可建立非常穩固的無(wú)線(xiàn)通道。接下來(lái)將對超寬帶技術(shù)的其它優(yōu)勢和細節進(jìn)行探討。

　　UWB 無(wú)線(xiàn)通信層

　　早期的UWB研發(fā)基于不同的物理（PHY）和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）層規范。在過(guò)去三年里，WiMedia聯(lián)盟的MAC層和PHY層規范已被大多數超寬帶實(shí)施者采用。與已制定的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)（如WLAN）不同的是，UWB 每個(gè)傳輸通道占用528MHz 的頻帶。相比之下，無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)（WLAN）通道的最大帶寬為20 MHz。三個(gè)528MHz的頻帶組成一個(gè)頻帶組。UWB的整個(gè)頻率范圍為3.1~10.6 GHz，被分為5個(gè)頻帶組?，F已有工作在頻帶群1和3的先進(jìn)雙頻帶收發(fā)器。

　　WiMedia-UWB所采用的是正交頻分復用（OFDM）調制技術(shù)。每個(gè)528MH頻帶被分成128個(gè)子載波，每個(gè)子載波的波峰正好處在相鄰子載波的零點(diǎn)位置（因而得名‘正交’，見(jiàn)圖1，第27頁(yè)）。傳輸信息被分配到這128個(gè)子載波，每個(gè)528MHz信道的最高速率為480 Mb /秒。

　　由于子載波分布在528MHz 的較大帶寬范圍，因此支持非常低的發(fā)射功率---37微瓦（相比之下，WLAN允許的發(fā)射功耗超過(guò)了300 mW）。適于信息傳送的寬帶和超低發(fā)射功率使得UWB在射頻（RF）領(lǐng)域能很好的與其它射頻共存。盡管發(fā)射功率只有37微瓦，但其傳輸距離可達到10米遠，并可以穿過(guò)一堵25厘米厚的磚墻而不會(huì )影響信號傳送。

圖 1 WiMedia-UWB的每個(gè)528 MHz頻帶被分為128個(gè)子載波。

請注意，每個(gè)子載波的波峰在其相鄰子載波的零點(diǎn)

　　媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層

　　UWB無(wú)線(xiàn)通信層負責射頻(RF)處理，而媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層則負責管理UWB網(wǎng)絡(luò )和控制無(wú)線(xiàn)通信狀態(tài)。當數個(gè)UWB設備相距很近時(shí)，它們就構成所謂的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )（ad hoc network）。點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )不是一個(gè)預先規劃好的網(wǎng)絡(luò )，而是由距離很近的參與設備構建，參與設備可酌情加入和退出。

　　如圖2所示為由三個(gè)UWB設備構建的一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。其中，設備A對設備C來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的。位于圖中左側的設備A即便不能“偵聽(tīng)”到設備C，也有可能知道設備C的存在及其所占用的時(shí)隙，因為設備A可通過(guò)所謂的“信標”(beacon)來(lái)了解設備C。信標中包含有相鄰近設備的相關(guān)信息，因而設備可以彼此了解。在能夠相互接收信息的所有設備之間，可以進(jìn)行任何方向的直接傳輸數據。

　　UWB采用時(shí)分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照時(shí)隙和幀來(lái)組織傳輸。UWB傳輸時(shí)隙組合構成超幀(見(jiàn)圖4)。超幀分為信標段(BP)和數據傳輸段(DTP)。信標及有效數據占據超幀的256個(gè)媒體訪(fǎng)問(wèn)時(shí)隙，一個(gè)媒體訪(fǎng)問(wèn)時(shí)隙持續256μs，一個(gè)超幀持續65.5ms。所有能相互“偵聽(tīng)”到的網(wǎng)絡(luò )成員都通過(guò)收聽(tīng)到的信標來(lái)與超幀同步。信標中的信息可視為網(wǎng)絡(luò )成員的通信通道。

圖 2 對一個(gè)點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )中的三個(gè)UWB設備的描述

　　由于按時(shí)隙來(lái)組織通道，因此并不需要每個(gè)設備每時(shí)每刻都在接收和發(fā)送數據。一個(gè)設備只需每隔65.5ms被喚醒來(lái)收聽(tīng)信標；如果該設備沒(méi)有任何任務(wù)，將重新返回睡眠狀態(tài)，類(lèi)似于手機延長(cháng)電池壽命的睡眠模式。這樣就延長(cháng)了電池供電系統的工作時(shí)間。

　　UWB的無(wú)線(xiàn)接口很像電纜：如果有多個(gè)通信成員而通道又有限，就必須對訪(fǎng)問(wèn)權限進(jìn)行管理。當打算發(fā)送信息到某一通道時(shí)，該設備成員需要進(jìn)行“偵聽(tīng)”以確定該通道是否已被別的設備占用。如果其發(fā)現該通道空閑，就發(fā)送信息。

　　當然，有可能兩個(gè)設備同時(shí)偵聽(tīng)該通道，都發(fā)現它是空閑的，并同時(shí)向其發(fā)送信息，這就是所謂的“沖突”。發(fā)生“沖突”時(shí)，設備將嘗試稍后再訪(fǎng)問(wèn)通道。這期間，每個(gè)設備在重試前都等待一個(gè)隨機時(shí)長(cháng)。優(yōu)先級較高的設備可能比優(yōu)先級較低的設備先進(jìn)行重試。這種“競爭訪(fǎng)問(wèn)”機制是20世紀70年代隨以太網(wǎng)發(fā)明的，也常用于WLAN。顯然，如果要以最低延遲持續地傳輸一段視頻流，這種方法就行不通了。

圖3 超級幀被劃分成 信標段（BP）和數據傳送段（DTP）

　　為確保能無(wú)中斷地傳輸視頻流，UWB采用了分布式駐留協(xié)議(DRP)。由于UWB基于TDMA，網(wǎng)絡(luò )成員可保留一些固定的時(shí)隙(媒體訪(fǎng)問(wèn)時(shí)隙)以保障和另一設備的通信。保留通道占用時(shí)隙的相關(guān)信息在信標時(shí)段傳送。如果某一時(shí)隙被標記為“硬保留”，任何第三方都不可占用該時(shí)隙。這是保障視頻傳輸要求的確定性數據傳輸速率所必須的。

　實(shí)施方案

　　圖5所示為內窺鏡攝像頭單元的框圖。窺鏡的框圖與之相似，除了數字視頻接口為顯示控制器所取代。UWB物理層基于Wionics Research的RTU7012雙波段PHY，符合WiMedia PHY 1.1 和PHY 1.2規范。它可以用于頻帶組1和3。

　　在這個(gè)例子中，UWB流媒體MAC由蘇黎世應用科學(xué)大學(xué)設計并通過(guò)ASIC或FPGA實(shí)現，且針對實(shí)現低延時(shí)的數據傳輸進(jìn)行了優(yōu)化。為了方便將MAC集成到任何系統級芯片（SoC），將ARM高級主機總線(xiàn)（AHB）用作數據傳輸總線(xiàn)，將ARM外設總線(xiàn)用作控制總線(xiàn)。這些接口使得MAC非常適合集成到基于A(yíng)RM的系統級芯片。

　　UWB標準的許多參數都由微控制器固件來(lái)控制。這樣，在需要增添其它高層協(xié)議（如無(wú)線(xiàn)USB）時(shí)，無(wú)須修改任何硬件。使用固件實(shí)施方案，可以在規范發(fā)生變更的情況下降低風(fēng)險和提高靈活性。

圖 4 電子內窺鏡單元的框圖

　　MAC可在UWB設備間以任何方向傳輸任何數據---而不局限于視頻。在這個(gè)具體的視頻應用中，來(lái)自攝像閑的信號通過(guò)數字視頻接口和AHB傳送到SDRAM，該SDRAM用作一個(gè)視頻中間緩沖器(見(jiàn)圖5)。MAC從該SDRAM提取視頻數據，并將其傳送到UWB網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸。反過(guò)來(lái)，UWB物理層接收到的數據則被傳送到SDRAM。

　　在UWB網(wǎng)絡(luò )和SDRAM之間傳輸數據時(shí)，MAC用作AHB主總線(xiàn)，無(wú)需處理器核進(jìn)行干預。這意味著(zhù)，可以將數據傳輸中解放出來(lái)的處理器用于控制后續UWB超幀的MAC設置。在這種架構下，任何AHB總線(xiàn)設備都可成為數據傳輸的目標或源，無(wú)論是傳送到UWB-MAC，還是從UWB-MAC傳出。至于和UWB無(wú)線(xiàn)模塊的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口標準。

　　內窺鏡的其它必備部件包括A/D轉換器和用于電池管理的脈寬調制器(PWM)。為將所有部件集成到內窺鏡的手柄中，同時(shí)保持低功耗，標準單元ASIC是不錯的選擇。然而，如果預知的產(chǎn)量太低，不足以分擔本示例中標準單元ASIC的開(kāi)發(fā)成本，可采用可定制的應用處理器（CAP）。這一基于A(yíng)RM的微控制器具備所有常用的外設和軟件驅動(dòng)以及用于實(shí)現用戶(hù)定制功能的金屬可編程邏輯區域?？稍贑AP金屬可編程區域實(shí)現UWB-MAC和其它定制IP核，類(lèi)似于門(mén)陣列。該微控制器的其它標準外設，如外部總線(xiàn)接口(EBI)，可用于控制SDRAM，不會(huì )導致與內存控制器設計相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險和成本。

　　為便于UWB應用開(kāi)發(fā)，有些供應商提供一款CAP UWB*估套件。CAP器件的固定部分可以當做一個(gè)標準的微控制器，和用于仿真金屬可編程模塊的高密度FPGA協(xié)同工作。這個(gè)*估套件可以快速地進(jìn)行配置，仿真目前正開(kāi)發(fā)的設計的性能?？稍贔PGA中實(shí)現UWB-MAC以及其它專(zhuān)用邏輯。

　　在一塊擴展板卡上實(shí)現UWB物理層。CAP UWB*測工具套件與一臺運行業(yè)界標準ARM開(kāi)發(fā)工具的PC連接，用于完成系統開(kāi)發(fā)和調試。這樣的開(kāi)發(fā)方式允許軟、硬件開(kāi)發(fā)同時(shí)進(jìn)行，從而大幅縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。當系統經(jīng)全面調試后，將UWB MAC和專(zhuān)用邏輯重新映像到CAP的金屬可編程模塊中，提供了元器件數目較少而完整的UWB收發(fā)器。

圖5 UWB設備間的MAC數據傳送

　　結論

　　這種低成本、中等批量的UWB設備可以用于無(wú)線(xiàn)醫療應用。這適合于單向的視頻鏈路，也可以取代超聲傳感器的粗電纜，同時(shí)為病人提供必要的電流絕緣。牙科的X光膠片目前正在被X射線(xiàn)掃描儀所取代，后者可放置在病人口腔的。UWB可用于鏈接圖像顯示和存儲設備。此外，手術(shù)機器人的定位外設可以通過(guò)一個(gè)可靠的UWB通道來(lái)交換數據。

　　UWB是一種新興的技術(shù)，其具有傳輸延遲短、傳輸速率高、功耗小、電磁輻射低的特點(diǎn)。醫療器械制造商已經(jīng)開(kāi)始使用視頻內窺鏡和超聲傳感器技術(shù)，有部分原因是因為UWB具有傳統的技術(shù)無(wú)法實(shí)現的確定的數據速率。此外，UWB的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)很低，要讓醫生能夠以低延遲或實(shí)時(shí)地觀(guān)察病人體內的情況，低協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)很重要。