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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

     ● 支持多种类型的接口

     ● 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。

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                                             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

                                             图 4. 加强绝缘措施示意图

        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

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                                             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

                                             图 9. 网络变压器 PHY 侧增加 TVS 示意图

     ● 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