利用半導體技術實現(xiàn)醫(yī)生與病人間的信息化管理

半導體技術對醫(yī)療系統(tǒng)產生了深遠的影響。病人監(jiān)控、藥物調劑以及其它很多應用都可以采集病人的信息，快速處理這些數(shù)據，然后通過醫(yī)院內的網絡，將關鍵信息傳輸?shù)叫枰畔⒌娜?，從而增強人力資源的能力。監(jiān)控系統(tǒng)能夠從世界上幾乎任何地方來回傳輸數(shù)據，這不僅能在無需增加人力資源的工作負荷下提供精確的數(shù)據傳輸，而且還讓很多應用能夠在任何擁有互聯(lián)網連接的家庭中實現(xiàn)。在一些情況下，此類系統(tǒng)可以控制治療方案，例如根據預定日程調劑藥物。

要實現(xiàn)這種類型的遠程監(jiān)控和數(shù)據處理，首先就需要一個具備傳感、控制和通信功能的簡單平臺，該平臺可能包含一個RF收發(fā)器，以提高便攜性，簡化操作。

由現(xiàn)成組件構成的簡單芯片組能夠以合理的成本，提供傳感、控制、發(fā)射信息所需的全部功能。圖1顯示了這三個芯片組組件之間的交互。我們需要微控制器(在本例中為MC9S08GT系列的成員)，來處理從傳感器接收的信息，然后，傳感器再將信息發(fā)送到低功耗收發(fā)器。這個微控制器可以是當今市場上的任何一個通用8位微控制器，它帶有模數(shù)轉換器(ADC)以及必需的專用嵌入式存儲器，專供無線收發(fā)器上的聯(lián)網標準(例如，簡單專有無線協(xié)議IEEE802.15.4或ZigBee)使用。

圖1：使用飛思卡爾半導體提供的組件的芯片組的示例，飛思卡爾半導體可為醫(yī)療和其它工業(yè)或消費應用提供傳感、控制和ZigBee射頻功能。

而且，微控制器和收發(fā)器可以結合在一個封裝內，創(chuàng)建更加緊湊、高效的解決方案。圖2顯示了飛思卡爾的系統(tǒng)封裝(SIP)，SIP采用了符合IEEE802.15.4標準的無線收發(fā)器和HCS08微控制器內核。

圖2：飛思卡爾的MC1321xSIP采用兼容MC1319x的收發(fā)器和8位HCS08微控制器內核。

傳感器技術

傳感器是監(jiān)控病人狀況的接觸點。壓力傳感器和加速度傳感器都可以在各種不同的醫(yī)療監(jiān)控應用中使用。在圖1的芯片組示例中，所有其它組件都用于處理和傳播傳感器采集的信息。

典型的壓阻式傳感器(通常使用的壓力傳感器)由刻蝕的硅膜片組成，膜片上植入了壓阻元件。在物理壓力下(如空氣壓力增加)，壓阻材料會改變阻力。硅壓阻式壓力傳感器提供非常準確的線性電壓輸出，與施加的壓力直接成比例。

加速度傳感器也通過不斷變化的電壓輸出水平顯示運行中的變化。高級加速度傳感器——如飛思卡爾的MMA6280Q雙軸(X和Z)低重力加速度設備——遠比壓力傳感器復雜。它由兩個表面微機械電容式感應單元(g-cell)以及包含在單個集成電路封裝中的信號調節(jié)ASIC組成。傳感元件使用微機械晶圓，密封在晶圓層中。

g-cell是一個使用半導體工藝形成的機械結構，它是一組連接在中心軸上的梁，中心軸在兩個梁之間移動。g-cell梁構成兩個背對背電容器，隨著中心梁加速移動，兩個梁之間的距離也在不斷發(fā)生變化，每個電容的值也在變化。ASIC使用交換電容器技術來測量g-cell電容，并從兩個電容之間的差異中提取加速數(shù)據。ASIC還進行信號調節(jié)，并對信號進行過濾，從而提供了與加速度成比例的高輸出電壓。

g-cell架構可用于開發(fā)一些不同的加速度傳感器。飛思卡爾開發(fā)了MMA7260Q三軸低重力加速度傳感器(測量X、Y和Z軸方向的移動)，又向前邁進了一步。為了展示加速度傳感器的功能，飛思卡爾開發(fā)了三軸向感應參考板(STAR)，旨在幫助客戶在醫(yī)療監(jiān)控等市場上實現(xiàn)關鍵的加速計應用。在過去幾年中，加速度傳感器已經發(fā)生了顯著的變化，包括敏感性提高、功耗降低、封裝尺寸減小。類似STAR這樣的工具有助于開發(fā)人員了解如何更好地利用最新的技術進步。

傳感器和微控制器應用

上述傳感器提供3伏或5伏的模擬輸出，必須經過處理，然后才能發(fā)送和保存，供醫(yī)療人員進行分析。一個帶有ADC的廉價通用8位微控制器就足以完成這一工作。實質上，傳感器會生成模擬信號，并將信號輸入到ADC，然后再通過通信接口(如射頻收發(fā)器)或直接的通用串行總線(USB)連接，對它們進行處理，轉換成為計算機或監(jiān)控器可以使用的數(shù)字信號。更加精確的ADC(例如10位和8位)能確保更加清晰的輸入和輸出信號。

一般來說，8位處理速度足以處理數(shù)據速率及算法壓縮和解壓縮功能。但是，它們需要的閃存容量在很大程度上取決于收發(fā)器使用的通信協(xié)議。例如，處理兼容ZigBee的數(shù)據所需的存儲器就遠低于簡單的點到點無線連接。傳感器和8位控制器相結合，提供一個緊湊的、經濟高效的解決方案，雖然消耗的功率低，但卻能夠收集和處理大量的有用數(shù)據。這些數(shù)據可以通過相關的射頻設備，發(fā)送到遠程位置，或者用于提供現(xiàn)場治療服務。有些傳感器和微控制器的價格非常低廉，以致于能夠在一次性系統(tǒng)中使用，這些系統(tǒng)可能只運行幾天就被丟棄和更換。

此類技術的一個有趣應用是Insulet Corporation公司提供的OmniPod胰島素管理系統(tǒng)。OmniPod的設計目的是取代傳統(tǒng)的胰島泵，這些老式設備要求糖尿病患者學習它們的使用方法，還要攜帶大量笨重的組件，如胰島素庫、輸液器和血糖儀等。OmniPod系統(tǒng)包括兩個完整的集成的無線組件，即：一個小型的自粘式一次性OmniPod胰島素存儲和給藥系統(tǒng)，帶有無線接收器和個人血糖管理器(PDM)；一個PDA尺寸的手持設備(帶有微控制器和射頻發(fā)射機)。病人可以通過這個手持設備對OmniPod進行編程，發(fā)出定制的胰島素給藥指令。它還能夠監(jiān)控OmniPod的運行，包含一個集成的血糖儀，可以自動保存病歷。該系統(tǒng)能夠根據病人預先設定的個人基礎率和藥物劑量來輸送胰島素。

個人糖尿病管理器(Personal Diabetes Manager，PDM)的設計非常緊湊，足夠在口袋或錢包中攜帶。OmniPod中的半導體和形狀記憶合金電線激活(用于胰島素給藥)組件的價格非常便宜，整個設備在使用了幾天后即可丟棄。通過此類應用，病人能夠在經濟有效的、更加舒適的環(huán)境中(如在他們的家里)管理自己的治療情況。此外，他們還可以擴展類似控制器設備的無線功能，以便直接連接到互聯(lián)網網關，從而直接與醫(yī)療服務提供商交流測試結果和劑量信息。

使用傳感器技術的另外一個實例是：不僅要監(jiān)控病人癥狀，還要確定癥狀在什么環(huán)境下出現(xiàn)。例如，對那些患有失禁癥的病人來說，可以使用一個帶有壓力傳感器、微控制器和射頻收發(fā)器的耐用設備，監(jiān)測哪怕是非常微小的泄漏，并傳輸時間和流量數(shù)據，將這些數(shù)據保存下來，以供今后進行分析。如果系統(tǒng)還包括加速度傳感器，則可記錄病人的所有活動，比如躺下、站立、行走和跑步，幫助護理人員確定是否有一些觸發(fā)特定物理活動的因素，從而實施更有效的應對措施。

無線連接

無線通信技術可以讓便攜式傳感和處理設備變得對病人和護理人員更加有效。它還使設備能夠無縫地向其它網絡傳輸數(shù)據，如醫(yī)院以太網、CAN系統(tǒng)或互聯(lián)網，以實現(xiàn)全球接入。在圖1中，飛思卡爾的低功耗2.4GHz ISM頻段MC1319x收發(fā)器系列為短程數(shù)據鏈路和網絡提供了一個經濟高效的解決方案。通過4線串行外圍設備接口(SPI)連接，用戶能夠與各種微控制器進行直接通信。軟件和處理器可以擴展，以適應各種應用，從簡單的點到點系統(tǒng)一直到完整的ZigBee聯(lián)網。

要進行簡單的專有無線連接，只需要一個物理層(PHY)以及適用于點對點和STAR網絡應用的簡單媒體訪問控制器軟件(SMAC)。簡單無線連接的內存要求不足2.5Kb，對于功率要求極低的應用而言，它是非常經濟高效的，這些應用包括便攜式的一次性醫(yī)療監(jiān)控設備等。

2003年，IEEE發(fā)布了基于802.15.4標準的簡單分組數(shù)據協(xié)議，適用于輕量級無線網絡。這個強大的通信協(xié)議包括了802.15.4PHY和媒體訪問控制器(MAC)。對那些需要長電池壽命，需要為控制器、傳感器和遠程監(jiān)控提供可選延遲的應用而言，802.15.4的使用效果非常好。802.15.4為簡單無線連接提供了更高的安全性，能夠在網狀和集群樹網絡應用中使用。

IEEE802.15.4協(xié)議標準的功能還為完全符合ZigBee標準的嵌入式平臺奠定了基礎。ZigBee堆棧包括網絡和安全層、應用框架、應用配置文件(可以加載到符合802.15.4標準的收發(fā)器上)。圖3對簡單無線連接、符合802.15.4標準的解決方案、ZigBee平臺這三者進行了比較，包括它們對微控制器存儲器的要求(使用飛思卡爾的S08內核)和無線收發(fā)器示例(MC1319x系列設備)。

圖3：比較適用于醫(yī)療監(jiān)控應用的三個無線通信解決方案的需求，它們都使用飛思卡爾S08微控制器內核和MC1319x無線收發(fā)器。

ZigBee擁有幾項極具吸引力的功能，使它成為醫(yī)療監(jiān)控應用的最有競爭力的候選方案。很多應用只是定時運行，或者只運行較短的時間。為了把功耗降到最小限度，極大地延長電池的使用壽命，ZigBee和藍牙可以進入休眠模式，只在必要時才喚醒和通信，以延長電池的使用壽命。Wi-Fi不能在休眠-喚醒-休眠模式下高效運行，所以它必須始終開啟，這一點使得它不適合于很多應用。

ZigBee和藍牙都可以在很短的工作周期中運行(1%的工作周期意味著應用只在1%的時間內是運行的)，但延遲卻是ZigBee的一大優(yōu)勢。藍牙設備可能需要幾秒鐘喚醒、與網絡進行同步并開始通信。相反，ZigBee不需要在通信前同步，從而將從喚醒至通信的延遲縮短到27毫秒。這樣可以實現(xiàn)更精確的排程，在每個喚醒周期內延長電池壽命。

ZigBee還可以通過增加存儲器或適當?shù)能浖?，從簡單的點到點應用擴展到大型網狀網絡環(huán)境。

通信的延伸

醫(yī)院和其它醫(yī)療設施更多地依賴于網絡通信來移動大量數(shù)據，使其它需要數(shù)據的人能夠更加輕松地訪問?？刂破鲄^(qū)域網絡(CAN)最初是為汽車應用開發(fā)的，可以連接一系列需要依賴共享信息的儀器和監(jiān)控器。CAN可以連接到以太網骨干，進行整個醫(yī)療機構范圍的數(shù)據傳輸。但是，醫(yī)院使用的大多數(shù)設備都是便攜式的，通常都固定在手推車上。通過短途無線通信，可以實現(xiàn)與大樓骨干網絡的永久連接，即使推車不斷從一個房間推到另一個房間。

同樣，家庭醫(yī)療監(jiān)控設備也可以通過Wi-Fi接入點或家庭聯(lián)網網關的電纜或DSL連接到互聯(lián)網。一旦與互聯(lián)網連接，病人的關鍵監(jiān)控信息都可以通過專用網站訪問，專用網站還可以為醫(yī)療人員提供對病人醫(yī)療記錄的快速訪問。醫(yī)院只需管理來自多個來源的信息流，從而對信息進行有效的分析，實現(xiàn)醫(yī)生與病人之間的更快、更準確的響應。

醫(yī)療監(jiān)控網關

當今的醫(yī)療人員獲取病人信息的渠道比過去任何時候都要多，然而，如果在緊急情況下未對數(shù)據進行互連、分析、記錄和響應，就不能實施信息的多樣性。新興的關鍵應用之一由醫(yī)療監(jiān)控網關組成，這些網關允許醫(yī)療人員從本地和中央基站監(jiān)控和連接設備。來自不同醫(yī)院房間的設備如防毒面具、心臟監(jiān)控器和藥劑控制器等都可以從中央基站進行安全地遠程監(jiān)控。床頭與醫(yī)療有關的設備可以通過以太網連接到基于微處理器的本地醫(yī)療監(jiān)控網關，如果是與傳統(tǒng)醫(yī)療有關的設備，則通過串行RS-232端口連接到監(jiān)控網關。在正常情況下，每個方面的網關都與中央路由器有電線連接，它又與中央基站連接。

醫(yī)療網關中使用的微處理器必須提供連接和安全性，延長產品壽命。為該應用專門設計的最新一代的微處理器提供了多種連接選項，如多個10/100快速以太網控制器、USB和排隊串行外圍設備接口。最新一代微處理器有助于在整個安全以太網網絡中提供安全的點到點通信，而不會給系統(tǒng)性能帶來影響。對于從床頭設備接收的數(shù)據，微處理器會對其進行加密，然后再由以太網將其發(fā)送到中央基站前。在中央基站對數(shù)據進行解密和解析。

圖4：使用飛思卡爾MCF5275ColdFire嵌入式處理器的醫(yī)療監(jiān)控網關塊狀圖。

除了能夠從遠程中央基站監(jiān)控指定房間內的床頭醫(yī)療設備之外，醫(yī)療人員還希望使用USB接口，在病人的病房內訪問相同的數(shù)據。例如，使用帶有USBOn-The-Go(OTG)端口的PDA，用戶可以通過網關的USB-以太網適配器端口來訪問系統(tǒng)。USB-OTG是對USB2.0規(guī)范的新補充，通過增加USB外圍設備連接功能，增強了現(xiàn)有移動設備和USB外圍設備的現(xiàn)有功能。憑借這種額外的USB功能，醫(yī)療服務提供商可在病人每次到醫(yī)院看病時保持對病人狀況的跟蹤。

個人接觸

在通常情況下，沒有什么可以替代語音交流?；ヂ?lián)網協(xié)議語音(VoIP)是一個很有意思的技術應用，它在消費者和企業(yè)用戶中的應用日益普及，并展示了它在醫(yī)療服務行業(yè)的巨大潛力。它可以提供更多的語音通信服務。例如，病床可以采用VoIP技術，與護士工作站和其它部門進行無線通信。由于信息作為數(shù)據包在互聯(lián)網上傳播，因而可以傳輸?shù)綆缀跞魏蔚胤?，比如為多家醫(yī)院服務的中心處理區(qū)，或者傳輸?shù)絺€人的手機上，以適應不斷擴展的醫(yī)生/病人關系。而且，VoIP文本和語音數(shù)據可以直接保存到數(shù)據庫中，從而滿足快速檢索需求，避免使用體積龐大的磁帶存儲系統(tǒng)。

本文小結

醫(yī)院必須以前所未有的高效率來記錄、處理、傳輸、保存容量龐大的數(shù)據，同時還要削減成本，這確實是一個非?？量痰囊?。在全球各地的醫(yī)院和診所中，半導體技術正在幫助保健醫(yī)療行業(yè)實現(xiàn)這一目標。此外，半導體技術還提供了一些工具，讓病人能有更多時間呆在家中，而減少在醫(yī)院和其它醫(yī)療設施的時間，從而幫助病人享受生活。而且，通過先進的網絡通信，醫(yī)生可以進入家庭，發(fā)出虛擬家庭呼叫，醫(yī)療服務提供商將能獲得及時、精確的信息，并利用這些信息，更加高效地管理治療。半導體技術將醫(yī)生/病人的關系延伸到家庭，延伸到世界的任何一個地方。它對于病人和醫(yī)護人員來說都是一項非常有益的技術。