高清医疗视频远距离传输方案及电路问题
随着时代的发展,通信技术的进步,可视化的远程医疗诊断系统也逐渐成熟。医疗专家团队可以通过高清视频影像,精确的了解手术室内患者的实时状况。高质量视频影像的长距离传送,对医疗级可视化诊断系统至关重要。
本文通过基于 Valens 公司的 VS3000 HD BaseT 方案,对高清可视化医疗诊断系统做一个简单介绍。
1、可视化医疗诊断系统的基本要求:
● 色彩的准确性及高质量视频影像
● 视频无压缩
● 实时视频全景分布
● 信号远距离传送
● 设备安装灵活方便
● 不同厂家设备间良好的兼容性
HD BaseT 通过一根线缆进行高带宽、长距离、高质量的视频影像实时传送,同时满足不同设备之间良好的兼容性,从而实现了手术室内外连接的可视化医疗诊断系统。
2、什么是 HD BaseT?
HD BaseT 是通过单一类别线缆传送超高清音视频,以太网,控制信号,USB 以及可达 100W 功率的全球标准,传送距离可达 100 米,通过光纤甚至可达 1000
米。HD BaseT 在保证性能的前提下,节省了传送线缆,实现了一根线缆传送。
图 1. HD BaseT 方案示意图
3、HD BaseT 有哪些优点?
● 实时传送
在外科手术过程中,实时且精准的视频影像非常重要,HD BaseT 可传送超高清视频,确保了最佳质量影像几乎无延迟。
● 卓越的性能
当使用如 MRIs,显示 X 射线或者内窥镜检查这样的诊断影像系统时,医疗专家高度依赖分辨率和颜色的精准度。HD BaseT 提供了一个先进的连接方案,能够满足医疗可视化系统的高要求,并且实现可视化信息的无损传送。
● 一根线缆方案
先进视频影像的应用,使得更多的设备和线缆必须安装在狭小拥挤的手术室。HD BaseT 可以通过减少线缆和接口的数量,提高设备安装位置的灵活性,来提高空间的利用率。
图 2. 医疗可视化诊断系统示意图
4、HD BaseT 在医疗领域的应用和挑战
HD BaseT 的应用:
● 首先,HD BaseT 源端或者接收端和外围设备之间的数据传输如下图所示:
图 3. HD BaseT 和外围接口通讯示意图
VS3000 通过 HDMI,USB2.0 等接口实现和外围设备之间的数据通讯
VS3000 内置 PHY 功能,满足 HDBT 协议,实现 VS3000 之间通讯
● 其次,HD BaseT 源端和接收端的 VS3000 之间通过一根网线来进行数据传输,如图 1 所示
● 最后,要想用网线实现连接,既要满足高速信号的输出,又要满足源端和接收端之间的电气隔离,就需要用到网络变压器
网络变压器设计所面临的挑战:
● 为确保远距离信号传输,网线推荐使用 CAT6 及以上
● 需要满足医疗级的耐压需求 IEC60601:4000V(RMS)/1 分钟
变压器绕线采用加强绝缘线(Reinforced)
通过电气间隙/爬电距离的控制以及绕线的加强,从而满足了 4000V/1 分钟的耐压要求,同时也能满足 250VRMS 的正常工作电压要求
● 远距离,高速传输,PoE 供电可能带来的 EMC 问题
5、HD BaseT 的电路问题
▶ 网线辐射
图 5. 典型的由 125M 时钟及倍频引起的网线辐射问题
图 6. PHY 侧增加共模电感示意图
通过在网络变压器 PHY 侧增加内置共模电感,提高对共模噪声的抑制
图 7. 增加共模电感之后效果示意图
网络变压器 PHY 增加共模电感之后,网线辐射得到有效抑制
▶ PoE 供电带来的噪声问题
图 8. PoE 电源输出增加共模电感示意图
PoE 电源产生的噪声,可能会带来传导和辐射问题,需要增加共模电感滤除
▶ ESD 保护
● HD BaseT 虽然有网络变压器隔离,但仍需 TVS 提供 ESD 保护。
● TVS 需要放在 VS3000 和网络变压器之间,尽量靠近网络变压器,在 ESD 噪声进入系统时能第一时间提供保护。
● TVS 接在信号线和地之间,地为 VS3000 及网络变压器原边的参考地,而不是大地 PE。
6、伍尔特电子 HD BaseT 医疗应用方案
● 网络变压器 749054010:满足医疗及 4000V 耐压要求,内置共模电感,低插损,高共模抑制比,既能确保信号质量,又能对网线辐射有效抑制
● PoE 电源滤波用共模电感 WE-SL5 及 SL5 HC 系列,在宽频带内具有较高共模阻抗,有效改善传导和辐射测试结果
● ESD 保护器件 WE-TVS supper speed 系列,低寄生电容(0.18-0.55pF),低钳位电压(最大 13V),满足 15KV 空气放电和 8KV 接触放电要求
● PoE 反激式变压器 750312791,能把输入电压升压到 56V
如下为 Valens 公司 VS3000 HD BaseT Demo 板
图 10. Valens HD BaseT Demo 板
7、HD BaseT 在医疗领域应用小结
● HD BaseT 具有把多个外围设备接口集中到一个接口,通过一根网线实现信号的远距离无损传输,节省了手术室内和外界的布线空间,同时保证了不同设备间的兼容性
● 通过 HD BaseT 网络变压器的设计,满足了医疗级耐压要求,确保了信号的高质量传输
● 在电路上通过增加 PoE 电源共模电感,网络变压器 PHY 侧的 TVS,网络变压器内置共模电感,提升了 HD BaseT 系统的 EMC 性能