超寬帶技術(shù)在電子內(nèi)窺鏡中的應(yīng)用

超寬帶（UWB）是一項(xiàng)高帶寬（480-1320Mb/秒）和短距離（10-50米）的無(wú)線傳輸技術(shù)，正逐漸在醫(yī)療應(yīng)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(guó)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(yī)療應(yīng)用的要求是不同的，因?yàn)閭鬏攲?shí)時(shí)視頻和超聲波圖像要求低時(shí)間延遲和確定的數(shù)據(jù)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(yīng)商要求每年的訂單量達(dá)到幾十萬(wàn)以上。不過(guò)，現(xiàn)在已經(jīng)有一些公司提供針對(duì)醫(yī)療市場(chǎng)的需求和產(chǎn)量的UWB芯片組。醫(yī)療設(shè)備制造商已經(jīng)開(kāi)始將UWB技術(shù)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(shù)應(yīng)用于電子內(nèi)窺鏡。

將UWB技術(shù)用于內(nèi)窺鏡的考慮因素

柔性光學(xué)內(nèi)窺鏡有一根長(zhǎng)而細(xì)的管子，其可被導(dǎo)入病人體內(nèi)。新式內(nèi)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(jié)構(gòu)是可行的。內(nèi)窺鏡頂端的LED光源的功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(gè)小時(shí)。此外，可用銅導(dǎo)線取代昂貴的光管。還有另一個(gè)優(yōu)勢(shì)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(guò)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(huà)面質(zhì)量和避免失真。由于醫(yī)生是通過(guò)視頻監(jiān)視器來(lái)觀察他對(duì)病人的操作，畫(huà)面應(yīng)實(shí)時(shí)出現(xiàn)在屏幕上---換而言之，延遲要盡可能短。因此，視頻信號(hào)不能經(jīng)過(guò)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(wú)線傳輸技術(shù)。

超寬帶無(wú)線電技術(shù)

以NTSC品質(zhì)傳輸未經(jīng)壓縮的視頻需要確定性的數(shù)據(jù)傳送速率至少達(dá)到166 MB /秒，而傳統(tǒng)技術(shù)根本沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)傳送速率。傳統(tǒng)的無(wú)線技術(shù)采用一種取決于頻道可用性的無(wú)線訪問(wèn)機(jī)制。這意味著接收范圍內(nèi)的其它設(shè)備可能會(huì)暫時(shí)減少數(shù)據(jù)帶寬。若采用UWB技術(shù)，則在會(huì)話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(duì)減少傳輸延遲非常重要。通過(guò)將數(shù)據(jù)分散到128個(gè)子載波可建立非常穩(wěn)固的無(wú)線通道。接下來(lái)將對(duì)超寬帶技術(shù)的其它優(yōu)勢(shì)和細(xì)節(jié)進(jìn)行探討。

UWB 無(wú)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(wèn)控制（MAC）層規(guī)范。在過(guò)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(shí)施者采用。與已制定的無(wú)線傳輸技術(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(xiàn)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(fù)用（OFDM）調(diào)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(dá)到10米遠(yuǎn)，并可以穿過(guò)一堵25厘米厚的磚墻而不會(huì)影響信號(hào)傳送。

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

請(qǐng)注意，每個(gè)子載波的波峰在其相鄰子載波的零點(diǎn)

媒體訪問(wèn)控制層

UWB無(wú)線通信層負(fù)責(zé)射頻(RF)處理，而媒體訪問(wèn)控制層則負(fù)責(zé)管理UWB網(wǎng)絡(luò)和控制無(wú)線通信狀態(tài)。當(dāng)數(shù)個(gè)UWB設(shè)備相距很近時(shí)，它們就構(gòu)成所謂的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)（ad hoc network）。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不是一個(gè)預(yù)先規(guī)劃好的網(wǎng)絡(luò)，而是由距離很近的參與設(shè)備構(gòu)建，參與設(shè)備可酌情加入和退出。

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

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(gòu)成超幀(見(jiàn)圖4)。超幀分為信標(biāo)段(BP)和數(shù)據(jù)傳輸段(DTP)。信標(biāo)及有效數(shù)據(jù)占據(jù)超幀的256個(gè)媒體訪問(wèn)時(shí)隙，一個(gè)媒體訪問(wèn)時(shí)隙持續(xù)256μs，一個(gè)超幀持續(xù)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(biāo)來(lái)與超幀同步。信標(biāo)中的信息可視為網(wǎng)絡(luò)成員的通信通道。

                 圖  2    對(duì)一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的三個(gè)UWB設(shè)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(shè)備每時(shí)每刻都在接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。一個(gè)設(shè)備只需每隔65.5ms被喚醒來(lái)收聽(tīng)信標(biāo)；如果該設(shè)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(jī)延長(zhǎng)電池壽命的睡眠模式。這樣就延長(zhǎng)了電池供電系統(tǒng)的工作時(shí)間。

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

當(dāng)然，有可能兩個(gè)設(shè)備同時(shí)偵聽(tīng)該通道，都發(fā)現(xiàn)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(shè)備將嘗試稍后再訪問(wèn)通道。這期間，每個(gè)設(shè)備在重試前都等待一個(gè)隨機(jī)時(shí)長(zhǎng)。優(yōu)先級(jí)較高的設(shè)備可能比優(yōu)先級(jí)較低的設(shè)備先進(jìn)行重試。這種“競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)”機(jī)制是20世紀(jì)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(jí)幀被劃分成信標(biāo)段（BP）和數(shù)據(jù)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(媒體訪問(wèn)時(shí)隙)以保障和另一設(shè)備的通信。保留通道占用時(shí)隙的相關(guān)信息在信標(biāo)時(shí)段傳送。如果某一時(shí)隙被標(biāo)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(shù)據(jù)傳輸速率所必須的。實(shí)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(gè)例子中，UWB流媒體MAC由蘇黎世應(yīng)用科學(xué)大學(xué)設(shè)計(jì)并通過(guò)ASIC或FPGA實(shí)現(xiàn)，且針對(duì)實(shí)現(xiàn)低延時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了優(yōu)化。為了方便將MAC集成到任何系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC），將ARM高級(jí)主機(jī)總線（AHB）用作數(shù)據(jù)傳輸總線，將ARM外設(shè)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(jí)芯片。

UWB標(biāo)準(zhǔn)的許多參數(shù)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(guī)范發(fā)生變更的情況下降低風(fēng)險(xiǎn)和提高靈活性。

                     圖  4  電子內(nèi)窺鏡單元的框圖

MAC可在UWB設(shè)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(gè)具體的視頻應(yīng)用中，來(lái)自攝像閑的信號(hào)通過(guò)數(shù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)則被傳送到SDRAM。

在UWB網(wǎng)絡(luò)和SDRAM之間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，MAC用作AHB主總線，無(wú)需處理器核進(jìn)行干預(yù)。這意味著，可以將數(shù)據(jù)傳輸中解放出來(lái)的處理器用于控制后續(xù)UWB超幀的MAC設(shè)置。在這種架構(gòu)下，任何AHB總線設(shè)備都可成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?biāo)或源，無(wú)論是傳送到UWB-MAC，還是從UWB-MAC傳出。至于和UWB無(wú)線模塊的接口，UWB-MAC采用WiMedia ECMA369 MAC-PHY接口標(biāo)準(zhǔn)。

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(shí)保持低功耗，標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC是不錯(cuò)的選擇。然而，如果預(yù)知的產(chǎn)量太低，不足以分擔(dān)本示例中標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC的開(kāi)發(fā)成本，可采用可定制的應(yīng)用處理器（CAP）。這一基于ARM的微控制器具備所有常用的外設(shè)和軟件驅(qū)動(dòng)以及用于實(shí)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(lèi)似于門(mén)陣列。該微控制器的其它標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，如外部總線接口(EBI)，可用于控制SDRAM，不會(huì)導(dǎo)致與內(nèi)存控制器設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和成本。

為便于UWB應(yīng)用開(kāi)發(fā)，有些供應(yīng)商提供一款CAP UWB*估套件。CAP器件的固定部分可以當(dāng)做一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的性能?？稍贔PGA中實(shí)現(xiàn)UWB-MAC以及其它專(zhuān)用邏輯。

在一塊擴(kuò)展板卡上實(shí)現(xiàn)UWB物理層。CAP UWB*測(cè)工具套件與一臺(tái)運(yùn)行業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)ARM開(kāi)發(fā)工具的PC連接，用于完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和調(diào)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(dāng)系統(tǒng)經(jīng)全面調(diào)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(shù)目較少而完整的UWB收發(fā)器。

       圖5 UWB設(shè)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(shè)備可以用于無(wú)線醫(yī)療應(yīng)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(chǔ)設(shè)備。此外，手術(shù)機(jī)器人的定位外設(shè)可以通過(guò)一個(gè)可靠的UWB通道來(lái)交換數(shù)據(jù)。

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(yī)療器械制造商已經(jīng)開(kāi)始使用視頻內(nèi)窺鏡和超聲傳感器技術(shù)，有部分原因是因?yàn)閁WB具有傳統(tǒng)的技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的確定的數(shù)據(jù)速率。此外，UWB的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)很低，要讓醫(yī)生能夠以低延遲或?qū)崟r(shí)地觀察病人體內(nèi)的情況，低協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)很重要。