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最近發(fā)生的兩件事讓我有了寫(xiě)這篇文章的念頭。我已經(jīng)寫(xiě)過(guò)好幾篇有關(guān)現場(chǎng)可編程射頻(FPRF)器件的文章，這些器件可以成為幾乎通用的無(wú)線(xiàn)器件。我最近剛好在醫院住了兩周，使得我有充裕的時(shí)間考慮醫院病房里的無(wú)線(xiàn)應用。 護士的一個(gè)重要任務(wù)是每隔1、2或4小時(shí)記錄一次血壓、體溫、血氧飽和度和心率。這個(gè)任務(wù)被稱(chēng)為監視生命體征。實(shí)際操作中它包含了掃描病人的腕帶條碼、將設備連接(如果還沒(méi)有連接的話(huà))到病人，然后手工記錄測量結果。 在英國我們有國民醫療保健制度(NHS),這個(gè)項目覆蓋了整個(gè)國家。有關(guān)改善NHS效率的技術(shù)應用的報紙頭條常常關(guān)注一些重要的舉措，比如試圖創(chuàng )建統一的軟件環(huán)境。在這種情況下，目標是將較大的綜合性醫院、區域性保健中心、小的社區醫院和家庭醫生辦公室(在英國也稱(chēng)為普通執業(yè)醫師)連接起來(lái)。然而，在NHS下有很高的地方自治程度，我住的醫院已經(jīng)在著(zhù)手普及電子計算機。不過(guò)電腦主要用于記錄藥物的使用，而不是生命體征數據，這些數據仍需要手工錄入紙質(zhì)病歷。 如果每個(gè)病人都有生命體征數據需要讀取，比方說(shuō)一天六次，每次需要花10分鐘，那么這項工作會(huì )讓護理人員在每個(gè)病人身上每天花費60分鐘的時(shí)間，這個(gè)結果有點(diǎn)讓我吃驚。而增加簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)鏈路可以快速推動(dòng)這一過(guò)程的自動(dòng)化。 因此我在想，究竟是什么問(wèn)題阻止了自動(dòng)化的實(shí)現？專(zhuān)用儀器似乎是明顯的一個(gè)障礙。有許多主要供應商生產(chǎn)設備，但他們也許對機器聯(lián)網(wǎng)不感興趣。安全性是另外一個(gè)主因。 醫院實(shí)際使用的專(zhuān)用機器一般都配備有數據接口連接器，形式是15針的D型RS－232串口。然而在醫院病房的雜亂環(huán)境中，每次要將電纜連接到墻上的插座這樣的想法是不切實(shí)際的。換句話(huà)說(shuō)，將帶條形碼掃描器的外部無(wú)線(xiàn)通信模塊作為“次佳”選項似乎是可行的。 實(shí)現無(wú)線(xiàn)鏈路 現代無(wú)線(xiàn)系統提供的可靠鏈路可以將醫院設備連接到本地計算機。以Bluetooth Smart為商標的低功耗藍牙(BLE)就是一個(gè)很好的例子，針對特定的醫療應用也有現成的配置規范。低功耗藍牙的第一個(gè)主要局限是覆蓋范圍，理論上可以擴展到100米(330英尺)，但在大樓中使用時(shí)實(shí)際上可能只能局限于一個(gè)房間內。第二個(gè)問(wèn)題是它使用的頻譜——擁擠的2.4000至2.4835GHz頻段中的干擾風(fēng)險。 然而，要想充分發(fā)揮集成的無(wú)線(xiàn)系統優(yōu)勢，要求在更長(cháng)距離內有足夠的可靠性，以便讀取的任何數據都能直接發(fā)送到護理站的中心控制系統中，這涉及到信號穿過(guò)幾個(gè)中間病房墻體并且仍能在100-150米遠(300至500英尺)的地方檢測到。更低的射頻頻率，比如低于1GHz，可以提供更好的建筑材料穿透性能�；谶@樣的理由，美國使用的915MHz ISM頻段、歐洲、中東和非洲(EMEA)使用的433.920MHz和亞洲使用的其它VHF/UHF頻率都可以提供非常卓越的距離性能。 最新發(fā)布的FPRF器件被認為是解決無(wú)線(xiàn)部分問(wèn)題的理想解決方案。這種芯片(型號是LMS7002M)在從100kHz至3800MHz的擴展范圍內是用戶(hù)可編程的，因此很容易覆蓋用戶(hù)感興趣的頻率。除了可編程頻率外，用戶(hù)還可以實(shí)時(shí)控制帶寬和增益。 芯片采用雙收發(fā)器架構，從數字化數據的輸入/輸出直到調制的射頻信號的射頻部分采用的都是低功耗、高性?xún)r(jià)比的解決方案。數據輸入采用數據比特流的形式表示調制的同步(I)和正交(Q)分量。這些數據流經(jīng)濾波后轉換為模擬信號，再通過(guò)分開(kāi)的I和Q路徑處理后，與編程過(guò)的射頻載頻進(jìn)行混頻，最后在芯片輸出端提供調制過(guò)的射頻信號。 接收器的功能是接收無(wú)線(xiàn)信號，將它解調為代表數據的I和Q分量的模擬信號。在將信號轉換為數字輸出流之前，接收器會(huì )先對信號進(jìn)行濾波和放大。 
圖1：RPRF框圖。 在所考慮的應用中，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以被配置為多種拓撲，但鑒于相對短的循環(huán)時(shí)間(也就是說(shuō)每個(gè)小時(shí)傳送一次)，最好選擇隨機訪(fǎng)問(wèn)機制。最常見(jiàn)的配置被稱(chēng)為帶碰撞避免的載波偵測多路訪(fǎng)問(wèn)(CSMA/CA)。在這種情況下，當系統需要發(fā)送數據時(shí)，它首先會(huì )在載波頻率上進(jìn)行“偵聽(tīng)”，確保在發(fā)送數據包之前載頻是空閑狀態(tài)。為了促進(jìn)這一機制，FPRF器件包含有接收信號強度指示(RSSI)功能，可以檢測無(wú)線(xiàn)鏈路上的傳輸信號。如果鏈路已經(jīng)在使用狀態(tài)，器件可以被配置為等待一段預設的時(shí)間，然后重試，或使用不同的頻率。 為了增強系統的可靠性，中央控制系統可以設計為向生命體征監測儀回送確認信號，信號的回送也可以使用獨立的射頻信道。發(fā)送節點(diǎn)等待接收來(lái)自護理站接入點(diǎn)的確認數據包，用于指示數據包已被正確地接收、解密并通過(guò)了校驗和檢查。 發(fā)送調制機制有許多方案。最簡(jiǎn)單的技術(shù)使用每個(gè)符號2個(gè)比特和正交相移鍵控(QPSK)，其中的載波被調制到4個(gè)具有單一幅度的不同相位中的一個(gè)上。QPSK支持低數據速率傳送，非常適合信號條件較差的情況。在正交幅度調制(QAM)中，相位被轉移到多個(gè)不同角度和幅度中的一個(gè)，用于定義星座圖中的不同比特位置，而數據是每個(gè)符號最多可攜帶6個(gè)比特。QAM提供頻譜使用更高效的調制方案，但只適用于信噪比較好的條件下，在這種應用中是不適合的。 然而，最新的傳輸機制被稱(chēng)為多入多出(MIMO)，這是一種復雜的配置結構，使用兩根或多根物理上短距離分開(kāi)的天線(xiàn)。MIMO技術(shù)可以提高頻譜效率，實(shí)現可以提高鏈路可靠性的分集增益。MIMO信號的一個(gè)關(guān)鍵屬性是，它們可以提供魯棒性更強的性能。該技術(shù)經(jīng)過(guò)發(fā)展可以應對由于衰落和干擾引起的信號劣化，還能在多徑傳輸條件下使用。在多徑傳輸條件下，從建筑物反射回來(lái)的信號將在接收端形成失真的信號。LMS7002M是支持MIMO的，可以提供醫療應用要求的可靠性和信號完整性。 基帶功能 FPRF受基帶芯片的控制。這個(gè)基帶芯片的主要功能是接收來(lái)自生命體征設備的數據，給這些數據打上時(shí)間戳，然后分組成便于傳輸的以太網(wǎng)數據包。該芯片將對I和Q數據流進(jìn)行編碼或解碼，然后通過(guò)它的JESD207接口加載LMS7002M。它可以通過(guò)SPI接口對FPRF進(jìn)行編程設置發(fā)送接收頻率、增益和帶寬。 基帶功能一般是使用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)實(shí)現的，比如適合成本敏感應用的Altera Cyclone V SE。這些FPGA擁有豐富的邏輯、內存和DSP功能以及一個(gè)或兩個(gè)嵌入式ARM處理器。32位ARM內核提供的內部裝置可以與邏輯矩陣相連，或執行外部代碼。舉例來(lái)說(shuō)，邏輯矩陣、內存和DSP單元可以被配置為執行控制邏輯、分包數據以及為MIMO技術(shù)產(chǎn)生調制圖案。這些功能可以根據芯片上的ARM內核的要求進(jìn)行配置，然后對要求的功能組合進(jìn)行實(shí)例化。 片載ARM內核上運行的軟件還能連接條形碼閱讀器，以便識別病人。隨后用來(lái)查找和加載該病人唯一的加密密鑰。這個(gè)密鑰用于加密待發(fā)送的數據，以便提供高度的安全性。內核還可以提供設備智能，對來(lái)自生命體征傳感器的數字信號進(jìn)行計算和轉換。該芯片還能連接前面板控制器和顯示器。 這類(lèi)FPGA是在上電時(shí)進(jìn)行配置的。配置文件一般保存在外部非易失性存儲器(NMV)中(比如閃存)，可用于編程邏輯矩陣和ARM內核。ARM可執行代碼一般也存在NMV中，這樣可以幫助用戶(hù)用新的條碼和醫院中的相關(guān)密鑰文件對NVM進(jìn)行更新操作。
圖2：帶無(wú)線(xiàn)鏈路的生命體征監視儀。 對醫院有好處 使用人工方法讀取和記錄生命體征數據需要護理人員每天在每個(gè)病人身上花費約60分鐘的時(shí)間。在我作為病人住的病房中，總共有40張床，這意味著(zhù)這個(gè)任務(wù)需要每天大約40個(gè)護理工時(shí)。如果自動(dòng)化可以節省即便25%的時(shí)間，也可以讓護理人員每天騰出10個(gè)小時(shí)的工作時(shí)間，繼而可以直接節省費用。 所傳數據的精度和可用性同等重要。很明顯，自動(dòng)化過(guò)程可以避免抄寫(xiě)讀數的錯誤，從而減少錯誤診斷的可能性。另外，可以方便地以“每個(gè)病人”為基礎設置提醒和告警限值，這樣生命體征的任何異常都可以及時(shí)地提醒醫生，然后立即采取補救行動(dòng)。結果還可以直接記錄到電子表格中，數據可以用表格或圖形化的方式顯示。這種方法可以為醫生的日常事務(wù)提供幫助，并顯示隨時(shí)間變化的結果。 在生命體征監視儀永久連接病人的情況下，比如重癥監護室(ICU)中，中央控制器可以在需要時(shí)命令設備讀取數據。這種使用模型要求本地智能設備監視無(wú)線(xiàn)鏈路上的指令信息。信號加密可確保每個(gè)監視儀只響應與本機有關(guān)的消息，而忽略其它設備的消息。 對設備供應商有好處 設備制造商可以給他們的設備增加高性?xún)r(jià)比的功能，實(shí)現與競爭對手產(chǎn)品的差異化。他們可以展示創(chuàng )新帶來(lái)的效率提升以及醫院提供的醫療護理標準的提升。另外，機器的任何邊際成本的增加也能很快被護理工時(shí)的節省所抵消。 設備制造商還能提供完整的系統解決方案，其中包括生命體征監視儀、中心站和報告生成器，從而為他們的客戶(hù)帶來(lái)真正實(shí)用的附加值。 總結 本文建議的解決方案可以提供值得使用的最新電子創(chuàng )新功能，從而提高處于困境的醫療護理人員的效率。這是一種工作量很大的應用場(chǎng)景，用于收集和核對數據的時(shí)間相當長(cháng)。另外，我敢肯定在醫療設備領(lǐng)域中還有許多其它應用，它們都能從可靠和安全的無(wú)線(xiàn)鏈路中受益。你覺(jué)得呢？ |
