基于UWB技術在醫(yī)療設備中的應用

醫(yī)療設備制造商可在各種無線應用中使用超寬帶技術。

　　超寬帶（UWB）是一項高帶寬（480-1320Mb/秒）和短距離（10-50米）的無線傳輸技術，正逐漸在醫(yī)療應用中更多的使用。UWB最初只作為一種軍事技術開發(fā)，直至1994年美國軍方解密后才開始發(fā)展其商業(yè)用途。早期的UWB芯片組旨在取代主流個人電腦的USB電纜。但是，醫(yī)療應用的要求是不同的，因為傳輸實時視頻和超聲波圖像要求低時間延遲和確定的數(shù)據(jù)吞吐量。阻礙UWB技術使用的另一個因素是，商業(yè)UWB芯片組供應商要求每年的訂單量達到幾十萬以上。不過，現(xiàn)在已經(jīng)有一些公司提供針對醫(yī)療市場的需求和產(chǎn)量的UWB芯片組。醫(yī)療設備制造商已經(jīng)開始將UWB技術用于電子內(nèi)窺鏡、喉鏡和超聲波傳感器。本文介紹如何將超寬帶技術應用于電子內(nèi)窺鏡。

　　將UWB技術用于內(nèi)窺鏡的考慮因素

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

　　數(shù)字傳輸是一種理想的傳輸方式，因其能提供高清晰的畫面質(zhì)量和避免失真。由于醫(yī)生是通過視頻監(jiān)視器來觀察他對病人的操作，畫面應實時出現(xiàn)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)過壓縮電路或大規(guī)模的協(xié)議棧。UWB的高帶寬、低延遲、低輻射和穩(wěn)固性使得其成為用于內(nèi)窺鏡的理想無線傳輸技術。

　　超寬帶無線電技術

　　以NTSC品質(zhì)傳輸未經(jīng)壓縮的視頻需要確定性的數(shù)據(jù)傳送速率至少達到166 MB /秒，而傳統(tǒng)技術根本沒辦法實現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)傳送速率。傳統(tǒng)的無線技術采用一種取決于頻道可用性的無線訪問機制。這意味著接收范圍內(nèi)的其它設備可能會暫時減少數(shù)據(jù)帶寬。若采用UWB技術，則在會話期間永久地保留一個通道。超寬帶技術的協(xié)議開銷很低，這對減少傳輸延遲非常重要。通過將數(shù)據(jù)分散到128個子載波可建立非常穩(wěn)固的無線通道。接下來將對超寬帶技術的其它優(yōu)勢和細節(jié)進行探討。

　　UWB 無線通信層

　　早期的UWB研發(fā)基于不同的物理（PHY）和介質(zhì)訪問控制（MAC）層規(guī)范。在過去三年里，WiMedia聯(lián)盟的MAC層和PHY層規(guī)范已被大多數(shù)超寬帶實施者采用。與已制定的無線傳輸技術（如WLAN）不同的是，UWB 每個傳輸通道占用528MHz 的頻帶。相比之下，無線局域網(wǎng)（WLAN）通道的最大帶寬為20 MHz。三個528MHz的頻帶組成一個頻帶組。UWB的整個頻率范圍為3.1~10.6 GHz，被分為5個頻帶組。現(xiàn)已有工作在頻帶群1和3的先進雙頻帶收發(fā)器。

　　WiMedia-UWB所采用的是正交頻分復用（OFDM）調(diào)制技術。每個528MH頻帶被分成128個子載波，每個子載波的波峰正好處在相鄰子載波的零點位置（因而得名‘正交’，見圖1，第27頁）。傳輸信息被分配到這128個子載波，每個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，并可以穿過一堵25厘米厚的磚墻而不會影響信號傳送。

圖 1 WiMedia-UWB的每個528 MHz頻帶被分為128個子載波。

請注意，每個子載波的波峰在其相鄰子載波的零點

　　媒體訪問控制層

　　UWB無線通信層負責射頻(RF)處理，而媒體訪問控制層則負責管理UWB網(wǎng)絡和控制無線通信狀態(tài)。當數(shù)個UWB設備相距很近時，它們就構(gòu)成所謂的點對點網(wǎng)絡（ad hoc network）。點對點網(wǎng)絡不是一個預先規(guī)劃好的網(wǎng)絡，而是由距離很近的參與設備構(gòu)建，參與設備可酌情加入和退出。

　　如圖2所示為由三個UWB設備構(gòu)建的一個點對點網(wǎng)絡。其中，設備A對設備C來說是不可見的。位于圖中左側(cè)的設備A即便不能“偵聽”到設備C，也有可能知道設備C的存在及其所占用的時隙，因為設備A可通過所謂的“信標”(beacon)來了解設備C。信標中包含有相鄰近設備的相關信息，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，可以進行任何方向的直接傳輸數(shù)據(jù)。

　　UWB采用時分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)方式，即按照時隙和幀來組織傳輸。UWB傳輸時隙組合構(gòu)成超幀(見圖4)。超幀分為信標段(BP)和數(shù)據(jù)傳輸段(DTP)。信標及有效數(shù)據(jù)占據(jù)超幀的256個媒體訪問時隙，一個媒體訪問時隙持續(xù)256μs，一個超幀持續(xù)65.5ms。所有能相互“偵聽”到的網(wǎng)絡成員都通過收聽到的信標來與超幀同步。信標中的信息可視為網(wǎng)絡成員的通信通道。

圖 2 對一個點對點網(wǎng)絡中的三個UWB設備的描述

　　由于按時隙來組織通道，因此并不需要每個設備每時每刻都在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。一個設備只需每隔65.5ms被喚醒來收聽信標；如果該設備沒有任何任務，將重新返回睡眠狀態(tài)，類似于手機延長電池壽命的睡眠模式。這樣就延長了電池供電系統(tǒng)的工作時間。

　　UWB的無線接口很像電纜：如果有多個通信成員而通道又有限，就必須對訪問權(quán)限進行管理。當打算發(fā)送信息到某一通道時，該設備成員需要進行“偵聽”以確定該通道是否已被別的設備占用。如果其發(fā)現(xiàn)該通道空閑，就發(fā)送信息。

　　當然，有可能兩個設備同時偵聽該通道，都發(fā)現(xiàn)它是空閑的，并同時向其發(fā)送信息，這就是所謂的“沖突”。發(fā)生“沖突”時，設備將嘗試稍后再訪問通道。這期間，每個設備在重試前都等待一個隨機時長。優(yōu)先級較高的設備可能比優(yōu)先級較低的設備先進行重試。這種“競爭訪問”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(xù)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(shù)據(jù)傳送段（DTP）

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

　實施方案

　　圖5所示為內(nèi)窺鏡攝像頭單元的框圖。窺鏡的框圖與之相似，除了數(shù)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(guī)范。它可以用于頻帶組1和3。

　　在這個例子中，UWB流媒體MAC由蘇黎世應用科學大學設計并通過ASIC或FPGA實現(xiàn)，且針對實現(xiàn)低延時的數(shù)據(jù)傳輸進行了優(yōu)化。為了方便將MAC集成到任何系統(tǒng)級芯片（SoC），將ARM高級主機總線（AHB）用作數(shù)據(jù)傳輸總線，將ARM外設總線用作控制總線。這些接口使得MAC非常適合集成到基于ARM的系統(tǒng)級芯片。

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

圖 4 電子內(nèi)窺鏡單元的框圖

　　MAC可在UWB設備間以任何方向傳輸任何數(shù)據(jù)---而不局限于視頻。在這個具體的視頻應用中，來自攝像閑的信號通過數(shù)字視頻接口和AHB傳送到SDRAM，該SDRAM用作一個視頻中間緩沖器(見圖5)。MAC從該SDRAM提取視頻數(shù)據(jù)，并將其傳送到UWB網(wǎng)絡進行傳輸。反過來，UWB物理層接收到的數(shù)據(jù)則被傳送到SDRAM。

　　在UWB網(wǎng)絡和SDRAM之間傳輸數(shù)據(jù)時，MAC用作AHB主總線，無需處理器核進行干預。這意味著，可以將數(shù)據(jù)傳輸中解放出來的處理器用于控制后續(xù)UWB超幀的MAC設置。在這種架構(gòu)下，任何AHB總線設備都可成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕嘶蛟矗瑹o論是傳送到UWB-MAC，還是從UWB-MAC傳出。至于和UWB無線模塊的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口標準。

　　內(nèi)窺鏡的其它必備部件包括A/D轉(zhuǎn)換器和用于電池管理的脈寬調(diào)制器(PWM)。為將所有部件集成到內(nèi)窺鏡的手柄中，同時保持低功耗，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的開發(fā)成本，可采用可定制的應用處理器（CAP）。這一基于ARM的微控制器具備所有常用的外設和軟件驅(qū)動以及用于實現(xiàn)用戶定制功能的金屬可編程邏輯區(qū)域?？稍贑AP金屬可編程區(qū)域?qū)崿F(xiàn)UWB-MAC和其它定制IP核，類似于門陣列。該微控制器的其它標準外設，如外部總線接口(EBI)，可用于控制SDRAM，不會導致與內(nèi)存控制器設計相關的技術風險和成本。

　　為便于UWB應用開發(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*估套件可以快速地進行配置，仿真目前正開發(fā)的設計的性能?？稍贔PGA中實現(xiàn)UWB-MAC以及其它專用邏輯。

　　在一塊擴展板卡上實現(xiàn)UWB物理層。CAP UWB*測工具套件與一臺運行業(yè)界標準ARM開發(fā)工具的PC連接，用于完成系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試。這樣的開發(fā)方式允許軟、硬件開發(fā)同時進行，從而大幅縮短了開發(fā)時間。當系統(tǒng)經(jīng)全面調(diào)試后，將UWB MAC和專用邏輯重新映像到CAP的金屬可編程模塊中，提供了元器件數(shù)目較少而完整的UWB收發(fā)器。

圖5 UWB設備間的MAC數(shù)據(jù)傳送

　　結(jié)論

　　這種低成本、中等批量的UWB設備可以用于無線醫(yī)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，手術機器人的定位外設可以通過一個可靠的UWB通道來交換數(shù)據(jù)。

　　UWB是一種新興的技術，其具有傳輸延遲短、傳輸速率高、功耗小、電磁輻射低的特點。醫(yī)療器械制造商已經(jīng)開始使用視頻內(nèi)窺鏡和超聲傳感器技術，有部分原因是因為UWB具有傳統(tǒng)的技術無法實現(xiàn)的確定的數(shù)據(jù)速率。此外，UWB的協(xié)議開銷很低，要讓醫(yī)生能夠以低延遲或?qū)崟r地觀察病人體內(nèi)的情況，低協(xié)議開銷很重要。