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无线链路方案提升医疗应用的效率
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医疗设备/医疗器械展厅
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最近发生的两件事让我有了写这篇文章的念头。我已经写过好几篇有关现场可编程射频(FPRF)器件的文章,这些器件可以成为几乎通用的无线器件。我最近刚好在医院住了两周,使得我有充裕的时间考虑医院病房里的无线应用。

护士的一个重要任务是每隔1、2或4小时记录一次血压、体温、血氧饱和度和心率。这个任务被称为监视生命体征。实际操作中它包含了扫描病人的腕带条码、将设备连接(如果还没有连接的话)到病人,然后手工记录测量结果。

在英国我们有国民医疗保健制度(NHS),这个项目覆盖了整个国家。有关改善NHS效率的技术应用的报纸头条常常关注一些重要的举措,比如试图创建统一的软件环境。在这种情况下,目标是将较大的综合性医院、区域性保健中心、小的社区医院和家庭医生办公室(在英国也称为普通执业医师)连接起来。然而,在NHS下有很高的地方自治程度,我住的医院已经在着手普及电子计算机。不过电脑主要用于记录药物的使用,而不是生命体征数据,这些数据仍需要手工录入纸质病历。

如果每个病人都有生命体征数据需要读取,比方说一天六次,每次需要花10分钟,那么这项工作会让护理人员在每个病人身上每天花费60分钟的时间,这个结果有点让我吃惊。而增加简单的无线链路可以快速推动这一过程的自动化。

因此我在想,究竟是什么问题阻止了自动化的实现?专用仪器似乎是明显的一个障碍。有许多主要供应商生产设备,但他们也许对机器联网不感兴趣。安全性是另外一个主因。

医院实际使用的专用机器一般都配备有数据接口连接器,形式是15针的D型RS-232串口。然而在医院病房的杂乱环境中,每次要将电缆连接到墙上的插座这样的想法是不切实际的。换句话说,将带条形码扫描器的外部无线通信模块作为“次佳”选项似乎是可行的。

实现无线链路

现代无线系统提供的可靠链路可以将医院设备连接到本地计算机。以Bluetooth Smart为商标的低功耗蓝牙(BLE)就是一个很好的例子,针对特定的医疗应用也有现成的配置规范。低功耗蓝牙的第一个主要局限是覆盖范围,理论上可以扩展到100米(330英尺),但在大楼中使用时实际上可能只能局限于一个房间内。第二个问题是它使用的频谱——拥挤的2.4000至2.4835GHz频段中的干扰风险。

然而,要想充分发挥集成的无线系统优势,要求在更长距离内有足够的可靠性,以便读取的任何数据都能直接发送到护理站的中心控制系统中,这涉及到信号穿过几个中间病房墙体并且仍能在100-150米远(300至500英尺)的地方检测到。更低的射频频率,比如低于1GHz,可以提供更好的建筑材料穿透性能。基于这样的理由,美国使用的915MHz ISM频段、欧洲、中东和非洲(EMEA)使用的433.920MHz和亚洲使用的其它VHF/UHF频率都可以提供非常卓越的距离性能。

最新发布的FPRF器件被认为是解决无线部分问题的理想解决方案。这种芯片(型号是LMS7002M)在从100kHz至3800MHz的扩展范围内是用户可编程的,因此很容易覆盖用户感兴趣的频率。除了可编程频率外,用户还可以实时控制带宽和增益。

芯片采用双收发器架构,从数字化数据的输入/输出直到调制的射频信号的射频部分采用的都是低功耗、高性价比的解决方案。数据输入采用数据比特流的形式表示调制的同步(I)和正交(Q)分量。这些数据流经滤波后转换为模拟信号,再通过分开的I和Q路径处理后,与编程过的射频载频进行混频,最后在芯片输出端提供调制过的射频信号。

接收器的功能是接收无线信号,将它解调为代表数据的I和Q分量的模拟信号。在将信号转换为数字输出流之前,接收器会先对信号进行滤波和放大。

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图1:RPRF框图

在所考虑的应用中,无线网络可以被配置为多种拓扑,但鉴于相对短的循环时间(也就是说每个小时传送一次),最好选择随机访问机制。最常见的配置被称为带碰撞避免的载波侦测多路访问(CSMA/CA)。在这种情况下,当系统需要发送数据时,它首先会在载波频率上进行“侦听”,确保在发送数据包之前载频是空闲状态。为了促进这一机制,FPRF器件包含有接收信号强度指示(RSSI)功能,可以检测无线链路上的传输信号。如果链路已经在使用状态,器件可以被配置为等待一段预设的时间,然后重试,或使用不同的频率。

为了增强系统的可靠性,中央控制系统可以设计为向生命体征监测仪回送确认信号,信号的回送也可以使用独立的射频信道。发送节点等待接收来自护理站接入点的确认数据包,用于指示数据包已被正确地接收、解密并通过了校验和检查。

发送调制机制有许多方案。最简单的技术使用每个符号2个比特和正交相移键控(QPSK),其中的载波被调制到4个具有单一幅度的不同相位中的一个上。QPSK支持低数据速率传送,非常适合信号条件较差的情况。在正交幅度调制(QAM)中,相位被转移到多个不同角度和幅度中的一个,用于定义星座图中的不同比特位置,而数据是每个符号最多可携带6个比特。QAM提供频谱使用更高效的调制方案,但只适用于信噪比较好的条件下,在这种应用中是不适合的。

然而,最新的传输机制被称为多入多出(MIMO),这是一种复杂的配置结构,使用两根或多根物理上短距离分开的天线。MIMO技术可以提高频谱效率,实现可以提高链路可靠性的分集增益。MIMO信号的一个关键属性是,它们可以提供鲁棒性更强的性能。该技术经过发展可以应对由于衰落和干扰引起的信号劣化,还能在多径传输条件下使用。在多径传输条件下,从建筑物反射回来的信号将在接收端形成失真的信号。LMS7002M是支持MIMO的,可以提供医疗应用要求的可靠性和信号完整性。

基带功能

FPRF受基带芯片的控制。这个基带芯片的主要功能是接收来自生命体征设备的数据,给这些数据打上时间戳,然后分组成便于传输的以太网数据包。该芯片将对I和Q数据流进行编码或解码,然后通过它的JESD207接口加载LMS7002M。它可以通过SPI接口对FPRF进行编程设置发送接收频率、增益和带宽。

基带功能一般是使用现场可编程门阵列(FPGA)实现的,比如适合成本敏感应用的Altera Cyclone V SE。这些FPGA拥有丰富的逻辑、内存和DSP功能以及一个或两个嵌入式ARM处理器。32位ARM内核提供的内部装置可以与逻辑矩阵相连,或执行外部代码。举例来说,逻辑矩阵、内存和DSP单元可以被配置为执行控制逻辑、分包数据以及为MIMO技术产生调制图案。这些功能可以根据芯片上的ARM内核的要求进行配置,然后对要求的功能组合进行实例化。

片载ARM内核上运行的软件还能连接条形码阅读器,以便识别病人。随后用来查找和加载该病人唯一的加密密钥。这个密钥用于加密待发送的数据,以便提供高度的安全性。内核还可以提供设备智能,对来自生命体征传感器的数字信号进行计算和转换。该芯片还能连接前面板控制器和显示器。

这类FPGA是在上电时进行配置的。配置文件一般保存在外部非易失性存储器(NMV)中(比如闪存),可用于编程逻辑矩阵和ARM内核。ARM可执行代码一般也存在NMV中,这样可以帮助用户用新的条码和医院中的相关密钥文件对NVM进行更新操作。

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图2:带无线链路的生命体征监视仪

对医院有好处

使用人工方法读取和记录生命体征数据需要护理人员每天在每个病人身上花费约60分钟的时间。在我作为病人住的病房中,总共有40张床,这意味着这个任务需要每天大约40个护理工时。如果自动化可以节省即便25%的时间,也可以让护理人员每天腾出10个小时的工作时间,继而可以直接节省费用。

所传数据的精度和可用性同等重要。很明显,自动化过程可以避免抄写读数的错误,从而减少错误诊断的可能性。另外,可以方便地以“每个病人”为基础设置提醒和告警限值,这样生命体征的任何异常都可以及时地提醒医生,然后立即采取补救行动。结果还可以直接记录到电子表格中,数据可以用表格或图形化的方式显示。这种方法可以为医生的日常事务提供帮助,并显示随时间变化的结果。

在生命体征监视仪永久连接病人的情况下,比如重症监护室(ICU)中,中央控制器可以在需要时命令设备读取数据。这种使用模型要求本地智能设备监视无线链路上的指令信息。信号加密可确保每个监视仪只响应与本机有关的消息,而忽略其它设备的消息。

对设备供应商有好处

设备制造商可以给他们的设备增加高性价比的功能,实现与竞争对手产品的差异化。他们可以展示创新带来的效率提升以及医院提供的医疗护理标准的提升。另外,机器的任何边际成本的增加也能很快被护理工时的节省所抵消。

设备制造商还能提供完整的系统解决方案,其中包括生命体征监视仪、中心站和报告生成器,从而为他们的客户带来真正实用的附加值。

总结

本文建议的解决方案可以提供值得使用的最新电子创新功能,从而提高处于困境的医疗护理人员的效率。这是一种工作量很大的应用场景,用于收集和核对数据的时间相当长。另外,我敢肯定在医疗设备领域中还有许多其它应用,它们都能从可靠和安全的无线链路中受益。你觉得呢?(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2016-1-18)
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