利用半導體技術(shù)來(lái)實(shí)現醫生與病人間的信息化管理

　　沒(méi)有其它任何一個(gè)領(lǐng)域比醫療保健行業(yè)更加強烈地感受到變革的壓力。醫療機構和服務(wù)部門(mén)迫切需要降低成本，但難題在于不能影響病人的生活質(zhì)量。減少員工、設備成本和能源消耗，限制病人住院時(shí)間，都有助于降低醫療成本，但這對病人來(lái)說(shuō)，代價(jià)又有多高呢?這是一個(gè)嚴峻的挑戰，醫療服務(wù)提供商正在依賴(lài)技術(shù)，以合理的成本，成功地應對提供更好的醫療服務(wù)的挑戰。

　　半導體技術(shù)對醫療系統產(chǎn)生了深遠的影響。病人監控、藥物調劑以及其它很多應用都可以采集病人的信息，快速處理這些數據，然后通過(guò)醫院內的網(wǎng)絡(luò )，將關(guān)鍵信息傳輸到需要信息的人，從而增強人力資源的能力。監控系統能夠從世界上幾乎任何地方來(lái)回傳輸數據，這不僅能在無(wú)需增加人力資源的工作負荷下提供精確的數據傳輸，而且還讓很多應用能夠在任何擁有互聯(lián)網(wǎng)連接的家庭中實(shí)現。在一些情況下，此類(lèi)系統可以控制治療方案，例如根據預定日程調劑藥物。

　　要實(shí)現這種類(lèi)型的遠程監控和數據處理，首先就需要一個(gè)具備傳感、控制和通信功能的簡(jiǎn)單平臺，該平臺可能包含一個(gè)RF收發(fā)器，以提高便攜性，簡(jiǎn)化操作。

　　由現成組件構成的簡(jiǎn)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(gè)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(lái)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(gè)微控制器可以是當今市場(chǎng)上的任何一個(gè)通用8位微控制器，它帶有模數轉換器(ADC)以及必需的專(zhuān)用嵌入式存儲器，專(zhuān)供無(wú)線(xiàn)收發(fā)器上的聯(lián)網(wǎng)標準(例如，簡(jiǎn)單專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)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(gè)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封裝(SIP)，SIP采用了符合IEEE802.15.4標準的無(wú)線(xiàn)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(shù)

　　傳感器是監控病人狀況的接觸點(diǎn)。壓力傳感器和加速度傳感器都可以在各種不同的醫療監控應用中使用。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(huì )改變阻力。硅壓阻式壓力傳感器提供非常準確的線(xiàn)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(guò)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(gè)表面微機械電容式感應單元(g-cell)以及包含在單個(gè)集成電路封裝中的信號調節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(gè)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(gè)梁之間移動(dòng)。g-cell梁構成兩個(gè)背對背電容器，隨著(zhù)中心梁加速移動(dòng)，兩個(gè)梁之間的距離也在不斷發(fā)生變化，每個(gè)電容的值也在變化。ASIC使用交換電容器技術(shù)來(lái)測量g-cell電容，并從兩個(gè)電容之間的差異中提取加速數據。ASIC還進(jìn)行信號調節，并對信號進(jìn)行過(guò)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(kāi)發(fā)一些不同的加速度傳感器。飛思卡爾開(kāi)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(dòng))，又向前邁進(jìn)了一步。為了展示加速度傳感器的功能，飛思卡爾開(kāi)發(fā)了三軸向感應參考板(STAR)，旨在幫助客戶(hù)在醫療監控等市場(chǎng)上實(shí)現關(guān)鍵的加速計應用。在過(guò)去幾年中，加速度傳感器已經(jīng)發(fā)生了顯著(zhù)的變化，包括敏感性提高、功耗降低、封裝尺寸減小。類(lèi)似STAR這樣的工具有助于開(kāi)發(fā)人員了解如何更好地利用最新的技術(shù)進(jìn)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(jīng)過(guò)處理，然后才能發(fā)送和保存，供醫療人員進(jìn)行分析。一個(gè)帶有ADC的廉價(jià)通用8位微控制器就足以完成這一工作。實(shí)質(zhì)上，傳感器會(huì )生成模擬信號，并將信號輸入到ADC，然后再通過(guò)通信接口(如射頻收發(fā)器)或直接的通用串行總線(xiàn)(USB)連接，對它們進(jìn)行處理，轉換成為計算機或監控器可以使用的數字信號。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(lái)說(shuō)，8位處理速度足以處理數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的數據所需的存儲器就遠低于簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線(xiàn)連接。傳感器和8位控制器相結合，提供一個(gè)緊湊的、經(jīng)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據。這些數據可以通過(guò)相關(guān)的射頻設備，發(fā)送到遠程位置，或者用于提供現場(chǎng)治療服務(wù)。有些傳感器和微控制器的價(jià)格非常低廉，以致于能夠在一次性系統中使用，這些系統可能只運行幾天就被丟棄和更換。

　　此類(lèi)技術(shù)的一個(gè)有趣應用是Insulet Corporation公司提供的OmniPod胰島素管理系統。OmniPod的設計目的是取代傳統的胰島泵，這些老式設備要求糖尿病患者學(xué)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系統包括兩個(gè)完整的集成的無(wú)線(xiàn)組件，即：一個(gè)小型的自粘式一次性OmniPod胰島素存儲和給藥系統，帶有無(wú)線(xiàn)接收器和個(gè)人血糖管理器(PDM);一個(gè)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(guò)這個(gè)手持設備對OmniPod進(jìn)行編程，發(fā)出定制的胰島素給藥指令。它還能夠監控OmniPod的運行，包含一個(gè)集成的血糖儀，可以自動(dòng)保存病歷。該系統能夠根據病人預先設定的個(gè)人基礎率和藥物劑量來(lái)輸送胰島素。

　　個(gè)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(qián)包中攜帶。OmniPod中的半導體和形狀記憶合金電線(xiàn)激活(用于胰島素給藥)組件的價(jià)格非常便宜，整個(gè)設備在使用了幾天后即可丟棄。通過(guò)此類(lèi)應用，病人能夠在經(jīng)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(lèi)似控制器設備的無(wú)線(xiàn)功能，以便直接連接到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，從而直接與醫療服務(wù)提供商交流測試結果和劑量信息。

　　使用傳感器技術(shù)的另外一個(gè)實(shí)例是：不僅要監控病人癥狀，還要確定癥狀在什么環(huán)境下出現。例如，對那些患有失禁癥的病人來(lái)說(shuō)，可以使用一個(gè)帶有壓力傳感器、微控制器和射頻收發(fā)器的耐用設備，監測哪怕是非常微小的泄漏，并傳輸時(shí)間和流量數據，將這些數據保存下來(lái)，以供今后進(jìn)行分析。如果系統還包括加速度傳感器，則可記錄病人的所有活動(dòng)，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(dòng)的因素，從而實(shí)施更有效的應對措施

　　無(wú)線(xiàn)連接

　　無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)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(wú)縫地向其它網(wǎng)絡(luò )傳輸數據，如醫院以太網(wǎng)、CAN系統或互聯(lián)網(wǎng)，以實(shí)現全球接入。在圖1中，飛思卡爾的低功耗2.4GHz ISM頻段MC1319x收發(fā)器系列為短程數據鏈路和網(wǎng)絡(luò )提供了一個(gè)經(jīng)濟高效的解決方案。通過(guò)4線(xiàn)串行外圍設備接口(SPI)連接，用戶(hù)能夠與各種微控制器進(jìn)行直接通信。軟件和處理器可以擴展，以適應各種應用，從簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)系統一直到完整的ZigBee聯(lián)網(wǎng)。

　　要進(jìn)行簡(jiǎn)單的專(zhuān)有無(wú)線(xiàn)連接，只需要一個(gè)物理層(PHY)以及適用于點(diǎn)對點(diǎn)和STAR網(wǎng)絡(luò )應用的簡(jiǎn)單媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器軟件(SMAC)。簡(jiǎn)單無(wú)線(xiàn)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(jīng)濟高效的，這些應用包括便攜式的一次性醫療監控設備等。

　　2003年，IEEE發(fā)布了基于802.15.4標準的簡(jiǎn)單分組數據協(xié)議，適用于輕量級無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。這個(gè)強大的通信協(xié)議包括了802.15.4PHY和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(MAC)。對那些需要長(cháng)電池壽命，需要為控制器、傳感器和遠程監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(jiǎn)單無(wú)線(xiàn)連接提供了更高的安全性，能夠在網(wǎng)狀和集群樹(shù)網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )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(jiǎn)單無(wú)線(xiàn)連接、符合802.15.4標準的解決方案、ZigBee平臺這三者進(jìn)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器示例(MC1319x系列設備)。

　　圖3：比較適用于醫療監控應用的三個(gè)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器。

　　ZigBee擁有幾項極具吸引力的功能，使它成為醫療監控應用的最有競爭力的候選方案。很多應用只是定時(shí)運行，或者只運行較短的時(shí)間。為了把功耗降到最小限度，極大地延長(cháng)電池的使用壽命，ZigBee和藍牙可以進(jìn)入休眠模式，只在必要時(shí)才喚醒和通信，以延長(cháng)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(kāi)啟，這一點(diǎn)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(zhù)應用只在1%的時(shí)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(wǎng)絡(luò )進(jìn)行同步并開(kāi)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(shí)現更精確的排程，在每個(gè)喚醒周期內延長(cháng)電池壽命。

　　ZigBee還可以通過(guò)增加存儲器或適當的軟件，從簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)應用擴展到大型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。

　　通信的延伸

　　醫院和其它醫療設施更多地依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò )通信來(lái)移動(dòng)大量數據，使其它需要數據的人能夠更加輕松地訪(fǎng)問(wèn)?？刂破鲄^域網(wǎng)絡(luò )(CAN)最初是為汽車(chē)應用開(kāi)發(fā)的，可以連接一系列需要依賴(lài)共享信息的儀器和監控器。CAN可以連接到以太網(wǎng)骨干，進(jìn)行整個(gè)醫療機構范圍的數據傳輸。但是，醫院使用的大多數設備都是便攜式的，通常都固定在手推車(chē)上。通過(guò)短途無(wú)線(xiàn)通信，可以實(shí)現與大樓骨干網(wǎng)絡(luò )的永久連接，即使推車(chē)不斷從一個(gè)房間推到另一個(gè)房間。

　　同樣，家庭醫療監控設備也可以通過(guò)Wi-Fi接入點(diǎn)或家庭聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的電纜或DSL連接到互聯(lián)網(wǎng)。一旦與互聯(lián)網(wǎng)連接，病人的關(guān)鍵監控信息都可以通過(guò)專(zhuān)用網(wǎng)站訪(fǎng)問(wèn)，專(zhuān)用網(wǎng)站還可以為醫療人員提供對病人醫療記錄的快速訪(fǎng)問(wèn)。醫院只需管理來(lái)自多個(gè)來(lái)源的信息流，從而對信息進(jìn)行有效的分析，實(shí)現醫生與病人之間的更快、更準確的響應。

　　醫療監控網(wǎng)關(guān)

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

　　醫療網(wǎng)關(guān)中使用的微處理器必須提供連接和安全性，延長(cháng)產(chǎn)品壽命。為該應用專(zhuān)門(mén)設計的最新一代的微處理器提供了多種連接選項，如多個(gè)10/100快速以太網(wǎng)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(gè)安全以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )中提供安全的點(diǎn)到點(diǎn)通信，而不會(huì )給系統性能帶來(lái)影響。對于從床頭設備接收的數據，微處理器會(huì )對其進(jìn)行加密，然后再由以太網(wǎng)將其發(fā)送到中央基站前。在中央基站對數據進(jìn)行解密和解析。

　　圖4：使用飛思卡爾MCF5275ColdFire嵌入式處理器的醫療監控網(wǎng)關(guān)塊狀圖。

　　除了能夠從遠程中央基站監控指定房間內的床頭醫療設備之外，醫療人員還希望使用USB接口，在病人的病房?jì)仍L(fǎng)問(wèn)相同的數據。例如，使用帶有USBOn-The-Go(OTG)端口的PDA，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)的USB-以太網(wǎng)適配器端口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)系統。USB-OTG是對USB2.0規范的新補充，通過(guò)增加USB外圍設備連接功能，增強了現有移動(dòng)設備和USB外圍設備的現有功能。憑借這種額外的USB功能，醫療服務(wù)提供商可在病人每次到醫院看病時(shí)保持對病人狀況的跟蹤。

　　個(gè)人接觸

　　在通常情況下，沒(méi)有什么可以替代語(yǔ)音交流?；ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音(VoIP)是一個(gè)很有意思的技術(shù)應用，它在消費者和企業(yè)用戶(hù)中的應用日益普及，并展示了它在醫療服務(wù)行業(yè)的巨大潛力。它可以提供更多的語(yǔ)音通信服務(wù)。例如，病床可以采用VoIP技術(shù)，與護士工作站和其它部門(mén)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。由于信息作為數據包在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，因而可以傳輸到幾乎任何地方，比如為多家醫院服務(wù)的中心處理區，或者傳輸到個(gè)人的手機上，以適應不斷擴展的醫生/病人關(guān)系。而且，VoIP文本和語(yǔ)音數據可以直接保存到數據庫中，從而滿(mǎn)足快速檢索需求，避免使用體積龐大的磁帶存儲系統。

　　本文小結

　　醫院必須以前所未有的高效率來(lái)記錄、處理、傳輸、保存容量龐大的數據，同時(shí)還要削減成本，這確實(shí)是一個(gè)非?？量痰囊?。在全球各地的醫院和診所中，半導體技術(shù)正在幫助保健醫療行業(yè)實(shí)現這一目標。此外，半導體技術(shù)還提供了一些工具，讓病人能有更多時(shí)間呆在家中，而減少在醫院和其它醫療設施的時(shí)間，從而幫助病人享受生活。而且，通過(guò)先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò )通信，醫生可以進(jìn)入家庭，發(fā)出虛擬家庭呼叫，醫療服務(wù)提供商將能獲得及時(shí)、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(shù)將醫生/病人的關(guān)系延伸到家庭，延伸到世界的任何一個(gè)地方。它對于病人和醫護人員來(lái)說(shuō)都是一項非常有益的技術(shù)。