無線鏈路方案提升醫(yī)療應(yīng)用的效率

　　最近發(fā)生的兩件事讓我有了寫這篇文章的念頭。我已經(jīng)寫過好幾篇有關(guān)現(xiàn)場可編程射頻（FPRF）器件的文章，這些器件可以成為幾乎通用的無線器件。我最近剛好在醫(yī)院住了兩周，使得我有充裕的時間考慮醫(yī)院病房里的無線應(yīng)用。

　　護(hù)士的一個重要任務(wù)是每隔1、2或4小時記錄一次血壓、體溫、血氧飽和度和心率。這個任務(wù)被稱為監(jiān)視生命體征。實際操作中它包含了掃描病人的腕帶條碼、將設(shè)備連接（如果還沒有連接的話）到病人，然后手工記錄測量結(jié)果。

　　在英國我們有國民醫(yī)療保健制度（NHS），這個項目覆蓋了整個國家。有關(guān)改善NHS效率的技術(shù)應(yīng)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(tǒng)一的軟件環(huán)境。在這種情況下，目標(biāo)是將較大的綜合性醫(yī)院、區(qū)域性保健中心、小的社區(qū)醫(yī)院和家庭醫(yī)生辦公室（在英國也稱為普通執(zhí)業(yè)醫(yī)師）連接起來。然而，在NHS下有很高的地方自治程度，我住的醫(yī)院已經(jīng)在著手普及電子計算機(jī)。不過電腦主要用于記錄藥物的使用，而不是生命體征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)仍需要手工錄入紙質(zhì)病歷。

　　如果每個病人都有生命體征數(shù)據(jù)需要讀取，比方說一天六次，每次需要花10分鐘，那么這項工作會讓護(hù)理人員在每個病人身上每天花費(fèi)60分鐘的時間，這個結(jié)果有點(diǎn)讓我吃驚。而增加簡單的無線鏈路可以快速推動這一過程的自動化。

　　因此我在想，究竟是什么問題阻止了自動化的實現(xiàn)？專用儀器似乎是明顯的一個障礙。有許多主要供應(yīng)商生產(chǎn)設(shè)備，但他們也許對機(jī)器聯(lián)網(wǎng)不感興趣。安全性是另外一個主因。

　　醫(yī)院實際使用的專用機(jī)器一般都配備有數(shù)據(jù)接口連接器，形式是15針的D型RS－232串口。然而在醫(yī)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際的。換句話說，將帶條形碼掃描器的外部無線通信模塊作為“次佳”選項似乎是可行的。

　　實現(xiàn)無線鏈路

　　現(xiàn)代無線系統(tǒng)提供的可靠鏈路可以將醫(yī)院設(shè)備連接到本地計算機(jī)。以Bluetooth Smart為商標(biāo)的低功耗藍(lán)牙（BLE） 就是一個很好的例子，針對特定的醫(yī)療應(yīng)用也有現(xiàn)成的配置規(guī)范。低功耗藍(lán)牙的第一個主要局限是覆蓋范圍，理論上可以擴(kuò)展到100米（330英尺），但在大樓中使用時實際上可能只能局限于一個房間內(nèi)。第二個問題是它使用的頻譜——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)揮集成的無線系統(tǒng)優(yōu)勢，要求在更長距離內(nèi)有足夠的可靠性，以便讀取的任何數(shù)據(jù)都能直接發(fā)送到護(hù)理站的中心控制系統(tǒng)中，這涉及到信號穿過幾個中間病房墻體并且仍能在100-150米遠(yuǎn)（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。基于這樣的理由，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(rèn)為是解決無線部分問題的理想解決方案。這種芯片（型號是LMS7002M）在從100kHz至3800MHz的擴(kuò)展范圍內(nèi)是用戶可編程的，因此很容易覆蓋用戶感興趣的頻率。除了可編程頻率外，用戶還可以實時控制帶寬和增益。

　　芯片采用雙收發(fā)器架構(gòu)，從數(shù)字化數(shù)據(jù)的輸入/輸出直到調(diào)制的射頻信號的射頻部分采用的都是低功耗、高性價比的解決方案。數(shù)據(jù)輸入采用數(shù)據(jù)比特流的形式表示調(diào)制的同步（I）和正交（Q）分量。這些數(shù)據(jù)流經(jīng)濾波后轉(zhuǎn)換為模擬信號，再通過分開的I和Q路徑處理后，與編程過的射頻載頻進(jìn)行混頻，最后在芯片輸出端提供調(diào)制過的射頻信號。

　　接收器的功能是接收無線信號，將它解調(diào)為代表數(shù)據(jù)的I和Q分量的模擬信號。在將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出流之前，接收器會先對信號進(jìn)行濾波和放大。

　　圖1：RPRF框圖。

　　在所考慮的應(yīng)用中，無線網(wǎng)絡(luò)可以被配置為多種拓?fù)?，但鑒于相對短的循環(huán)時間（也就是說每個小時傳送一次），最好選擇隨機(jī)訪問機(jī)制。最常見的配置被稱為帶碰撞避免的載波偵測多路訪問（CSMA/CA）。在這種情況下，當(dāng)系統(tǒng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先會在載波頻率上進(jìn)行“偵聽”，確保在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前載頻是空閑狀態(tài)。為了促進(jìn)這一機(jī)制，F(xiàn)PRF器件包含有接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）功能，可以檢測無線鏈路上的傳輸信號。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(yù)設(shè)的時間，然后重試，或使用不同的頻率。

　　為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，中央控制系統(tǒng)可以設(shè)計為向生命體征監(jiān)測儀回送確認(rèn)信號，信號的回送也可以使用獨(dú)立的射頻信道。發(fā)送節(jié)點(diǎn)等待接收來自護(hù)理站接入點(diǎn)的確認(rèn)數(shù)據(jù)包，用于指示數(shù)據(jù)包已被正確地接收、解密并通過了校驗和檢查。

　　發(fā)送調(diào)制機(jī)制有許多方案。最簡單的技術(shù)使用每個符號2個比特和正交相移鍵控（QPSK），其中的載波被調(diào)制到4個具有單一幅度的不同相位中的一個上。 QPSK支持低數(shù)據(jù)速率傳送，非常適合信號條件較差的情況。在正交幅度調(diào)制（QAM）中，相位被轉(zhuǎn)移到多個不同角度和幅度中的一個，用于定義星座圖中的不同比特位置，而數(shù)據(jù)是每個符號最多可攜帶6個比特。QAM提供頻譜使用更高效的調(diào)制方案，但只適用于信噪比較好的條件下，在這種應(yīng)用中是不適合的。

　　然而，最新的傳輸機(jī)制被稱為多入多出（MIMO），這是一種復(fù)雜的配置結(jié)構(gòu)，使用兩根或多根物理上短距離分開的天線。MIMO技術(shù)可以提高頻譜效率，實現(xiàn)可以提高鏈路可靠性的分集增益。MIMO信號的一個關(guān)鍵屬性是，它們可以提供魯棒性更強(qiáng)的性能。該技術(shù)經(jīng)過發(fā)展可以應(yīng)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(yī)療應(yīng)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。這個基帶芯片的主要功能是接收來自生命體征設(shè)備的數(shù)據(jù)，給這些數(shù)據(jù)打上時間戳，然后分組成便于傳輸?shù)?a target="_blank">以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包。該芯片將對I和Q數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼或解碼，然后通過它的JESD207接口加載LMS7002M。它可以通過SPI接口對FPRF進(jìn)行編程設(shè)置發(fā)送接收頻率、增益和帶寬。

　　基帶功能一般是使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA） 實現(xiàn)的，比如適合成本敏感應(yīng)用的Altera Cyclone V SE。這些FPGA擁有豐富的邏輯、內(nèi)存和DSP功能以及一個或兩個嵌入式ARM處理器。32位ARM內(nèi)核提供的內(nèi)部裝置可以與邏輯矩陣相連，或執(zhí)行外部代碼。舉例來說，邏輯矩陣、內(nèi)存和DSP單元可以被配置為執(zhí)行控制邏輯、分包數(shù)據(jù)以及為MIMO技術(shù)產(chǎn)生調(diào)制圖案。這些功能可以根據(jù)芯片上的ARM內(nèi)核的要求進(jìn)行配置，然后對要求的功能組合進(jìn)行實例化。

　　片載ARM內(nèi)核上運(yùn)行的軟件還能連接條形碼閱讀器，以便識別病人。隨后用來查找和加載該病人唯一的加密密鑰。這個密鑰用于加密待發(fā)送的數(shù)據(jù)，以便提供高度的安全性。內(nèi)核還可以提供設(shè)備智能，對來自生命體征傳感器的數(shù)字信號進(jìn)行計算和轉(zhuǎn)換。該芯片還能連接前面板控制器和顯示器。

　　這類FPGA是在上電時進(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(nèi)核。ARM可執(zhí)行代碼一般也存在NMV中，這樣可以幫助用戶用新的條碼和醫(yī)院中的相關(guān)密鑰文件對NVM進(jìn)行更新操作。

　　圖2：帶無線鏈路的生命體征監(jiān)視儀。

　　對醫(yī)院有好處

　　使用人工方法讀取和記錄生命體征數(shù)據(jù)需要護(hù)理人員每天在每個病人身上花費(fèi)約60分鐘的時間。在我作為病人住的病房中，總共有40張床，這意味著這個任務(wù)需要每天大約40個護(hù)理工時。如果自動化可以節(jié)省即便25%的時間，也可以讓護(hù)理人員每天騰出10個小時的工作時間，繼而可以直接節(jié)省費(fèi)用。

　　所傳數(shù)據(jù)的精度和可用性同等重要。很明顯，自動化過程可以避免抄寫讀數(shù)的錯誤，從而減少錯誤診斷的可能性。另外，可以方便地以“每個病人”為基礎(chǔ)設(shè)置提醒和告警限值，這樣生命體征的任何異常都可以及時地提醒醫(yī)生，然后立即采取補(bǔ)救行動。結(jié)果還可以直接記錄到電子表格中，數(shù)據(jù)可以用表格或圖形化的方式顯示。這種方法可以為醫(yī)生的日常事務(wù)提供幫助，并顯示隨時間變化的結(jié)果。

　　在生命體征監(jiān)視儀永久連接病人的情況下，比如重癥監(jiān)護(hù)室（ICU）中，中央控制器可以在需要時命令設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。這種使用模型要求本地智能設(shè)備監(jiān)視無線鏈路上的指令信息。信號加密可確保每個監(jiān)視儀只響應(yīng)與本機(jī)有關(guān)的消息，而忽略其它設(shè)備的消息。

　　對設(shè)備供應(yīng)商有好處

　　設(shè)備制造商可以給他們的設(shè)備增加高性價比的功能，實現(xiàn)與競爭對手產(chǎn)品的差異化。他們可以展示創(chuàng)新帶來的效率提升以及醫(yī)院提供的醫(yī)療護(hù)理標(biāo)準(zhǔn)的提升。另外，機(jī)器的任何邊際成本的增加也能很快被護(hù)理工時的節(jié)省所抵消。

　　設(shè)備制造商還能提供完整的系統(tǒng)解決方案，其中包括生命體征監(jiān)視儀、中心站和報告生成器，從而為他們的客戶帶來真正實用的附加值。

　　總結(jié)

　　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(yī)療護(hù)理人員的效率。這是一種工作量很大的應(yīng)用場景，用于收集和核對數(shù)據(jù)的時間相當(dāng)長。另外，我敢肯定在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域中還有許多其它應(yīng)用，它們都能從可靠和安全的無線鏈路中受益。你覺得呢？