利用半导体实现医生与病人间的信息化管理

2008-07-13 16:00:54来源: 电子系统设计
  没有其它任何一个领域比医疗保健行业更加强烈地感受到变革的压力。医疗机构和服务部门迫切需要降低成本,但难题在于不能影响病人的生活质量。减少员工、设备成本和能源消耗,限制病人住院时间,都有助于降低医疗成本,但这对病人来说,代价又有多高呢?这是一个严峻的挑战,医疗服务提供商正在依赖技术,以合理的成本,成功地应对提供更好的医疗服务的挑战。

  半导体技术对医疗系统产生了深远的影响。病人监控、药物调剂以及其它很多应用都可以采集病人的信息,快速处理这些数据,然后通过医院内的网络,将关键信息传输到需要信息的人,从而增强人力资源的能力。监控系统能够从世界上几乎任何地方来回传输数据,这不仅能在无需增加人力资源的工作负荷下提供精确的数据传输,而且还让很多应用能够在任何拥有互联网连接的家庭中实现。在一些情况下,此类系统可以控制治疗方案,例如根据预定日程调剂药物。

  要实现这种类型的远程监控和数据处理,首先就需要一个具备传感、控制和通信功能的简单平台,该平台可能包含一个RF收发器,以提高便携性,简化操作。

  由现成组件构成的简单芯片组能够以合理的成本,提供传感、控制、发射信息所需的全部功能。图1显示了这三个芯片组组件之间的交互。我们需要微控制器(在本例中为MC9S08GT系列的成员),来处理从传感器接收的信息,然后,传感器再将信息发送到低功耗收发器。这个微控制器可以是当今市场上的任何一个通用8位微控制器,它带有模数转换器(ADC)以及必需的专用嵌入式存储器,专供无线收发器上的联网标准(例如,简单专有无线协议IEEE802.15.4或ZigBee)使用。

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图1:使用飞思卡尔半导体提供的组件的芯片组的示例,飞思卡尔半导体可为医疗和其它工业或消费应用提供传感、控制和ZigBee射频功能。

  而且,微控制器和收发器可以结合在一个封装内,创建更加紧凑、高效的解决方案。图2显示了飞思卡尔的系统封装(SIP),SIP采用了符合IEEE802.15.4标准的无线收发器和HCS08微控制器内核。

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图2:飞思卡尔的MC1321xSIP采用兼容MC1319x的收发器和8位HCS08微控制器内核。

  传感器技术

  传感器是监控病人状况的接触点。压力传感器和加速度传感器都可以在各种不同的医疗监控应用中使用。在图1的芯片组示例中,所有其它组件都用于处理和传播传感器采集的信息。

  典型的压阻式传感器(通常使用的压力传感器)由刻蚀的硅膜片组成,膜片上植入了压阻元件。在物理压力下(如空气压力增加),压阻材料会改变阻力。硅压阻式压力传感器提供非常准确的线性电压输出,与施加的压力直接成比例。

  加速度传感器也通过不断变化的电压输出水平显示运行中的变化。高级加速度传感器——如飞思卡尔的MMA6280Q双轴(X和Z)低重力加速度设备——远比压力传感器复杂。它由两个表面微机械电容式感应单元(g-cell)以及包含在单个集成电路封装中的信号调节ASIC组成。传感元件使用微机械晶圆,密封在晶圆层中。

  g-cell是一个使用半导体工艺形成的机械结构,它是一组连接在中心轴上的梁,中心轴在两个梁之间移动。g-cell梁构成两个背对背电容器,随着中心梁加速移动,两个梁之间的距离也在不断发生变化,每个电容的值也在变化。ASIC使用交换电容器技术来测量g-cell电容,并从两个电容之间的差异中提取加速数据。ASIC还进行信号调节,并对信号进行过滤,从而提供了与加速度成比例的高输出电压。


 

  g-cell架构可用于开发一些不同的加速度传感器。飞思卡尔开发了MMA7260Q三轴低重力加速度传感器(测量X、Y和Z轴方向的移动),又向前迈进了一步。为了展示加速度传感器的功能,飞思卡尔开发了三轴向感应参考板(STAR),旨在帮助客户在医疗监控等市场上实现关键的加速计应用。在过去几年中,加速度传感器已经发生了显著的变化,包括敏感性提高、功耗降低、封装尺寸减小。类似STAR这样的工具有助于开发人员了解如何更好地利用最新的技术进步。

  传感器和微控制器应用

  上述传感器提供3伏或5伏的模拟输出,必须经过处理,然后才能发送和保存,供医疗人员进行分析。一个带有ADC的廉价通用8位微控制器就足以完成这一工作。实质上,传感器会生成模拟信号,并将信号输入到ADC,然后再通过通信接口(如射频收发器)或直接的通用串行总线(USB)连接,对它们进行处理,转换成为计算机或监控器可以使用的数字信号。更加精确的ADC(例如10位和8位)能确保更加清晰的输入和输出信号。

  一般来说,8位处理速度足以处理数据速率及算法压缩和解压缩功能。但是,它们需要的闪存容量在很大程度上取决于收发器使用的通信协议。例如,处理兼容ZigBee的数据所需的存储器就远低于简单的点到点无线连接。传感器和8位控制器相结合,提供一个紧凑的、经济高效的解决方案,虽然消耗的功率低,但却能够收集和处理大量的有用数据。这些数据可以通过相关的射频设备,发送到远程位置,或者用于提供现场治疗服务。有些传感器和微控制器的价格非常低廉,以致于能够在一次性系统中使用,这些系统可能只运行几天就被丢弃和更换。

  此类技术的一个有趣应用是Insulet Corporation公司提供的OmniPod胰岛素管理系统。OmniPod的设计目的是取代传统的胰岛泵,这些老式设备要求糖尿病患者学习它们的使用方法,还要携带大量笨重的组件,如胰岛素库、输液器和血糖仪等。OmniPod系统包括两个完整的集成的无线组件,即:一个小型的自粘式一次性OmniPod胰岛素存储和给药系统,带有无线接收器和个人血糖管理器(PDM);一个PDA尺寸的手持设备(带有微控制器和射频发射机)。病人可以通过这个手持设备对OmniPod进行编程,发出定制的胰岛素给药指令。它还能够监控OmniPod的运行,包含一个集成的血糖仪,可以自动保存病历。该系统能够根据病人预先设定的个人基础率和药物剂量来输送胰岛素。

  个人糖尿病管理器(Personal Diabetes Manager,PDM)的设计非常紧凑,足够在口袋或钱包中携带。OmniPod中的半导体和形状记忆合金电线激活(用于胰岛素给药)组件的价格非常便宜,整个设备在使用了几天后即可丢弃。通过此类应用,病人能够在经济有效的、更加舒适的环境中(如在他们的家里)管理自己的治疗情况。此外,他们还可以扩展类似控制器设备的无线功能,以便直接连接到互联网网关,从而直接与医疗服务提供商交流测试结果和剂量信息。

  使用传感器技术的另外一个实例是:不仅要监控病人症状,还要确定症状在什么环境下出现。例如,对那些患有失禁症的病人来说,可以使用一个带有压力传感器、微控制器和射频收发器的耐用设备,监测哪怕是非常微小的泄漏,并传输时间和流量数据,将这些数据保存下来,以供今后进行分析。如果系统还包括加速度传感器,则可记录病人的所有活动,比如躺下、站立、行走和跑步,帮助护理人员确定是否有一些触发特定物理活动的因素,从而实施更有效的应对措施。

  无线连接

  无线通信技术可以让便携式传感和处理设备变得对病人和护理人员更加有效。它还使设备能够无缝地向其它网络传输数据,如医院以太网、CAN系统或互联网,以实现全球接入。在图1中,飞思卡尔的低功耗2.4GHz ISM频段MC1319x收发器系列为短程数据链路和网络提供了一个经济高效的解决方案。通过4线串行外围设备接口(SPI)连接,用户能够与各种微控制器进行直接通信。软件和处理器可以扩展,以适应各种应用,从简单的点到点系统一直到完整的ZigBee联网。

  要进行简单的专有无线连接,只需要一个物理层(PHY)以及适用于点对点和STAR网络应用的简单媒体访问控制器软件(SMAC)。简单无线连接的内存要求不足2.5Kb,对于功率要求极低的应用而言,它是非常经济高效的,这些应用包括便携式的一次性医疗监控设备等。

  2003年,IEEE发布了基于802.15.4标准的简单分组数据协议,适用于轻量级无线网络。这个强大的通信协议包括了802.15.4PHY和媒体访问控制器(MAC)。对那些需要长电池寿命,需要为控制器、传感器和远程监控提供可选延迟的应用而言,802.15.4的使用效果非常好。802.15.4为简单无线连接提供了更高的安全性,能够在网状和集群树网络应用中使用。

  IEEE802.15.4协议标准的功能还为完全符合ZigBee标准的嵌入式平台奠定了基础。ZigBee堆栈包括网络和安全层、应用框架、应用配置文件(可以加载到符合802.15.4标准的收发器上)。图3对简单无线连接、符合802.15.4标准的解决方案、ZigBee平台这三者进行了比较,包括它们对微控制器存储器的要求(使用飞思卡尔的S08内核)和无线收发器示例(MC1319x系列设备)。

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图3:比较适用于医疗监控应用的三个无线通信解决方案的需求,它们都使用飞思卡尔S08微控制器内核和MC1319x无线收发器。

  ZigBee拥有几项极具吸引力的功能,使它成为医疗监控应用的最有竞争力的候选方案。很多应用只是定时运行,或者只运行较短的时间。为了把功耗降到最小限度,极大地延长电池的使用寿命,ZigBee和蓝牙可以进入休眠模式,只在必要时才唤醒和通信,以延长电池的使用寿命。Wi-Fi不能在休眠-唤醒-休眠模式下高效运行,所以它必须始终开启,这一点使得它不适合于很多应用。

  ZigBee和蓝牙都可以在很短的工作周期中运行(1%的工作周期意味着应用只在1%的时间内是运行的),但延迟却是ZigBee的一大优势。蓝牙设备可能需要几秒钟唤醒、与网络进行同步并开始通信。相反,ZigBee不需要在通信前同步,从而将从唤醒至通信的延迟缩短到27毫秒。这样可以实现更精确的排程,在每个唤醒周期内延长电池寿命。

  ZigBee还可以通过增加存储器或适当的软件,从简单的点到点应用扩展到大型网状网络环境。

  通信的延伸

  医院和其它医疗设施更多地依赖于网络通信来移动大量数据,使其它需要数据的人能够更加轻松地访问。控制器区域网络(CAN)最初是为汽车应用开发的,可以连接一系列需要依赖共享信息的仪器和监控器。CAN可以连接到以太网骨干,进行整个医疗机构范围的数据传输。但是,医院使用的大多数设备都是便携式的,通常都固定在手推车上。通过短途无线通信,可以实现与大楼骨干网络的永久连接,即使推车不断从一个房间推到另一个房间。

  同样,家庭医疗监控设备也可以通过Wi-Fi接入点或家庭联网网关的电缆或DSL连接到互联网。一旦与互联网连接,病人的关键监控信息都可以通过专用网站访问,专用网站还可以为医疗人员提供对病人医疗记录的快速访问。医院只需管理来自多个来源的信息流,从而对信息进行有效的分析,实现医生与病人之间的更快、更准确的响应。

  医疗监控网关

  当今的医疗人员获取病人信息的渠道比过去任何时候都要多,然而,如果在紧急情况下未对数据进行互连、分析、记录和响应,就不能实施信息的多样性。新兴的关键应用之一由医疗监控网关组成,这些网关允许医疗人员从本地和中央基站监控和连接设备。来自不同医院房间的设备如防毒面具、心脏监控器和药剂控制器等都可以从中央基站进行安全地远程监控。床头与医疗有关的设备可以通过以太网连接到基于微处理器的本地医疗监控网关,如果是与传统医疗有关的设备,则通过串行RS-232端口连接到监控网关。在正常情况下,每个方面的网关都与中央路由器有电线连接,它又与中央基站连接。

  医疗网关中使用的微处理器必须提供连接和安全性,延长产品寿命。为该应用专门设计的最新一代的微处理器提供了多种连接选项,如多个10/100快速以太网控制器、USB和排队串行外围设备接口。最新一代微处理器有助于在整个安全以太网网络中提供安全的点到点通信,而不会给系统性能带来影响。对于从床头设备接收的数据,微处理器会对其进行加密,然后再由以太网将其发送到中央基站前。在中央基站对数据进行解密和解析。

图4:使用飞思卡尔MCF5275ColdFire嵌入式处理器的医疗监控网关块状图。

  除了能够从远程中央基站监控指定房间内的床头医疗设备之外,医疗人员还希望使用USB接口,在病人的病房内访问相同的数据。例如,使用带有USBOn-The-Go(OTG)端口的PDA,用户可以通过网关的USB-以太网适配器端口来访问系统。USB-OTG是对USB2.0规范的新补充,通过增加USB外围设备连接功能,增强了现有移动设备和USB外围设备的现有功能。凭借这种额外的USB功能,医疗服务提供商可在病人每次到医院看病时保持对病人状况的跟踪。

  个人接触

  在通常情况下,没有什么可以替代语音交流。互联网协议语音(VoIP)是一个很有意思的技术应用,它在消费者和企业用户中的应用日益普及,并展示了它在医疗服务行业的巨大潜力。它可以提供更多的语音通信服务。例如,病床可以采用VoIP技术,与护士工作站和其它部门进行无线通信。由于信息作为数据包在互联网上传播,因而可以传输到几乎任何地方,比如为多家医院服务的中心处理区,或者传输到个人的手机上,以适应不断扩展的医生/病人关系。而且,VoIP文本和语音数据可以直接保存到数据库中,从而满足快速检索需求,避免使用体积庞大的磁带存储系统。

  本文小结

  医院必须以前所未有的高效率来记录、处理、传输、保存容量庞大的数据,同时还要削减成本,这确实是一个非常苛刻的要求。在全球各地的医院和诊所中,半导体技术正在帮助保健医疗行业实现这一目标。此外,半导体技术还提供了一些工具,让病人能有更多时间呆在家中,而减少在医院和其它医疗设施的时间,从而帮助病人享受生活。而且,通过先进的网络通信,医生可以进入家庭,发出虚拟家庭呼叫,医疗服务提供商将能获得及时、精确的信息,并利用这些信息,更加高效地管理治疗。半导体技术将医生/病人的关系延伸到家庭,延伸到世界的任何一个地方。它对于病人和医护人员来说都是一项非常有益的技术。

关键字:VoIP  传输  保存  成本  网络  通信

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2008/0713/article_132.html
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