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(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(yīng)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(shù)使用的另一個因素是,，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(shè)備制造商已經(jīng)開始將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(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)窺鏡工作幾個小時,。此外，可用銅導(dǎo)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(yīng)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(shù)。

超寬帶無線電技術(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)根本沒辦法實現(xiàn)這樣的數(shù)據(jù)傳送速率,。傳統(tǒng)的無線技術(shù)采用一種取決于頻道可用性的無線訪問機(jī)制。這意味著接收范圍內(nèi)的其它設(shè)備可能會暫時減少數(shù)據(jù)帶寬,。若采用UWB技術(shù),，則在會話期間永久地保留一個通道。超寬帶技術(shù)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(shù)的其它優(yōu)勢和細(xì)節(jié)進(jìn)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(shù)（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(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(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(fù)責(zé)射頻(RF)處理,，而媒體訪問控制層則負(fù)責(zé)管理UWB網(wǎng)絡(luò)和控制無線通信狀態(tài)。當(dāng)數(shù)個UWB設(shè)備相距很近時,，它們就構(gòu)成所謂的點對點網(wǎng)絡(luò)（ad hoc network）,。點對點網(wǎng)絡(luò)不是一個預(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UWB設(shè)備構(gòu)建的一個點對點網(wǎng)絡(luò)。其中,，設(shè)備A對設(shè)備C來說是不可見的,。位于圖中左側(cè)的設(shè)備A即便不能“偵聽”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隙,，因為設(shè)備A可通過所謂的“信標(biāo)”(beacon)來了解設(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(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(luò)成員都通過收聽到的信標(biāo)來與超幀同步,。信標(biāo)中的信息可視為網(wǎng)絡(luò)成員的通信通道。

 


圖  2    對一個點對點網(wǎng)絡(luò)中的三個UWB設(shè)備的描述

由于按時隙來組織通道,，因此并不需要每個設(shè)備每時每刻都在接收和發(fā)送數(shù)據(jù),。一個設(shè)備只需每隔65.5ms被喚醒來收聽信標(biāo)；如果該設(shè)備沒有任何任務(wù),，將重新返回睡眠狀態(tài),，類似于手機(jī)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(jìn)行管理。當(dāng)打算發(fā)送信息到某一通道時,，該設(shè)備成員需要進(jìn)行“偵聽”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,，有可能兩個設(shè)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(shè)備將嘗試稍后再訪問通道,。這期間，每個設(shè)備在重試前都等待一個隨機(jī)時長,。優(yōu)先級較高的設(shè)備可能比優(yōu)先級較低的設(shè)備先進(jìn)行重試,。這種“競爭訪問”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 超級幀被劃分成信標(biāo)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(luò)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(shè)備的通信,。保留通道占用時隙的相關(guān)信息在信標(biāo)時段傳送。如果某一時隙被標(biāo)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(yīng)用科學(xué)大學(xué)設(shè)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(jìn)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(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)級芯片,。

UWB標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)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(shè)備間以任何方向傳輸任何數(shù)據(jù)---而不局限于視頻,。在這個具體的視頻應(yīng)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(luò)進(jìn)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(luò)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(jìn)行干預(yù)。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(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(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，同時保持低功耗,，標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC是不錯的選擇,。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(biāo)準(zhǔn)外設(shè),，如外部總線接口(EBI)，可用于控制SDRAM,，不會導(dǎo)致與內(nèi)存控制器設(shè)計相關(guān)的技術(shù)風(fēng)險和成本,。

為便于UWB應(yīng)用開發(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*估套件可以快速地進(jìn)行配置,，仿真目前正開發(fā)的設(shè)計的性能,。可在FPGA中實現(xiàn)UWB-MAC以及其它專用邏輯,。

在一塊擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行，從而大幅縮短了開發(fā)時間,。當(dāng)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(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(shè)備,。此外，手術(shù)機(jī)器人的定位外設(shè)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(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,。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(shù),，有部分原因是因為UWB具有傳統(tǒng)的技術(shù)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,。