利用半導(dǎo)體技術(shù)來實現(xiàn)醫(yī)生與病人間的信息化管理沒有其它任何一個

1、利用半導(dǎo)體技術(shù)來實現(xiàn)醫(yī)生與病人間的信息化管理沒有其它任何一個領(lǐng)域比醫(yī)療保健行業(yè)更加強烈地感受到 變革的壓力。 醫(yī)療機構(gòu)和服務(wù)部門迫切需要降低成本， 但難題在 于不能影響病人的生活質(zhì)量。減少員工、設(shè)備成本和能源消耗，限制病人住院時間， 都有助于降低醫(yī)療成本， 但這對病人來說， 代價又有多高呢？這 是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)， 醫(yī)療服務(wù)提供商正在依賴技術(shù)， 以合理的成 本，成功地應(yīng)對提供更好的醫(yī)療服務(wù)的挑戰(zhàn)。半導(dǎo)體技術(shù)對醫(yī)療系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠的影響。 病人監(jiān)控、 藥物 調(diào)劑以及其它很多應(yīng)用都可以采集病人的信息， 快速處理這些數(shù) 據(jù)，然后通過醫(yī)院內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，將關(guān)鍵信息傳輸?shù)叫枰畔⒌娜耍?從而增強人力資源的能力。

2、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(jù)， 這不僅能在無需增加人力資源的工作負(fù)荷下提供 精確的數(shù)據(jù)傳輸， 而且還讓很多應(yīng)用能夠在任何擁有互聯(lián)網(wǎng)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(jù)預(yù)定日程調(diào)劑藥物。要實現(xiàn)這種類型的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)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(gòu)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

3、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(dāng)今市場上的任何 一個通用8位微控制器，它帶有模數(shù)轉(zhuǎn)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(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（例如，簡單專有無線協(xié)議IEEE802.15.4或ZigBee）使用。 LU-IfIIRU%LU-ML9S0SGTD KMIMlnryMCMKSD KMIrudiU, bitUp IoMHASeftoi*TIKVI!L圖1：使用飛思卡爾半導(dǎo)體提供的組件的芯片組的示例，飛思卡爾半導(dǎo)體可為醫(yī)療和其它工業(yè)或消費應(yīng)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(jié)合在一個封裝內(nèi)，創(chuàng)建更加緊湊、高效的解決方案。圖2

4、顯示了飛思卡爾的系統(tǒng)封裝（SIP），SIP采用了符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器和 HCS08微控制器內(nèi)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(nèi)核。傳感器技術(shù)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(yīng)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(zhǔn)確 的線性電壓輸出，與施加的壓力直接成

5、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(shè)備遠比壓力傳感器復(fù)雜。它由兩個 表面微機械電容式感應(yīng)單元 (g-cell) 以及包含在單個集成電路封 裝中的信號調(diào)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(dǎo)體工藝形成的機械結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(shù)來測量 g-c

6、ell 電容，并從兩個電容之間的差異中提取加速數(shù) 據(jù)。 ASIC 還進行信號調(diào)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(gòu)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(yīng)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(guān)鍵的加速計應(yīng)用。 在過去幾年中， 加速 度傳感器已經(jīng)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

7、利用最新的技術(shù)進步。傳感器和微控制器應(yīng)用上述傳感器提供 3伏或 5伏的模擬輸出， 必須經(jīng)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(zhì)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(zhuǎn)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(jù)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

8、的通信協(xié)議。例如，處理兼容 ZigBee 的數(shù)據(jù)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(jié)合，提供一個緊湊的、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(shù)據(jù)。 這些數(shù)據(jù)可以通過相 關(guān)的射頻設(shè)備，發(fā)送到遠程位置，或者用于提供現(xiàn)場治療服務(wù)。 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(shù)的一個有趣應(yīng)用是 Insulet Corporation 公司提供 的 OmniPod 胰島素管理系統(tǒng)。 OmniPod 的設(shè)計目的是取代傳統(tǒng) 的胰島泵，這些老式設(shè)備要求糖尿病患者學(xué)習(xí)它們的

9、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(shè)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(shè)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(jù)病人預(yù)先設(shè)定的個人基礎(chǔ)率和藥物劑量來輸送胰島素。個人糖尿病管理器 （Personal Diabetes Manage，r

10、PDM） 的設(shè)計 非常緊湊， 足夠在口袋或錢包中攜帶。 OmniPod 中的半導(dǎo)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(shè)備在使用了幾天后即可丟棄。 通過此類應(yīng)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，他們還可以擴展類似控制器設(shè)備的無線功能，以便 直接連接到互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)， 從而直接與醫(yī)療服務(wù)提供商交流測試結(jié) 果和劑量信息。使用傳感器技術(shù)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(shè)備，

11、監(jiān)測哪怕是非常微小的泄漏， 并傳輸時間和流量數(shù) 據(jù)，將這些數(shù)據(jù)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(yīng)對措施無線連接無線通信技術(shù)可以讓便攜式傳感和處理設(shè)備變得對病人和 護理人員更加有效。它還使設(shè)備能夠無縫地向其它網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù) 據(jù)，如醫(yī)院以太網(wǎng)、 CAN 系統(tǒng)或互聯(lián)網(wǎng)，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(jù)鏈路和網(wǎng)絡(luò)提供了一個經(jīng)濟高效的解決方案。 通 過 4 線串行外圍設(shè)備接口 (

12、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(yīng)各種應(yīng)用，從簡單 的點到點系統(tǒng)一直到完整的 ZigBee 聯(lián)網(wǎng)。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(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的簡單媒體訪問控制器軟件（SMAC） 。簡單無線連接的內(nèi)存要求不足2.5Kb ，對于功率要求極低的應(yīng)用而言， 它是非常經(jīng)濟高效的， 這些應(yīng)用包括便攜式的 一次性醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備等。2003年， IEEE 發(fā)布了基于 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的簡單分組數(shù)據(jù)協(xié) 議，適用于輕量級無線網(wǎng)絡(luò)。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

13、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(yīng)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(wǎng)狀和集群樹網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中使用。IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的功能還為完全符合 ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的 嵌入式平臺奠定了基礎(chǔ)。 ZigBee 堆棧包括網(wǎng)絡(luò)和安全層、應(yīng)用 框架、應(yīng)用配置文件 （可以加載到符合 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器上 ）。 圖 3 對簡單無線連接、符合 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)核）和無線收發(fā)器示例

14、（MC1319X系列設(shè)備）。Simple802/15.4ZigBee圖3:比較適用于醫(yī)療監(jiān)控應(yīng)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(nèi)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(yīng)用的最有競爭力的候選方案。很多應(yīng)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(yīng)用。ZigBee和藍牙都可以在很短的工作周

15、期中運行（1%的工作周期意味著應(yīng)用只在1%的時間內(nèi)是運行的），但延遲卻是ZigBee的 一大優(yōu)勢。藍牙設(shè)備可能需要幾秒鐘喚醒、與網(wǎng)絡(luò)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(nèi)延長電池壽命。ZigBee 還可以通過增加存儲器或適當(dāng)?shù)能浖?，從簡單?點到點應(yīng)用擴展到大型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。通信的延伸醫(yī)院和其它醫(yī)療設(shè)施更多地依賴于網(wǎng)絡(luò)通信來移動大量數(shù) 據(jù)，使其它需要數(shù)據(jù)的人能夠更加輕松地訪問。 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 最初是為汽車應(yīng)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

16、可以連接到以太網(wǎng)骨干，進行整個 醫(yī)療機構(gòu)范圍的數(shù)據(jù)傳輸。 但是，醫(yī)院使用的大多數(shù)設(shè)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(wǎng)絡(luò)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(shè)備也可以通過 Wi-Fi 接入點或家庭聯(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(jiān)控信息都可以通過專用網(wǎng)站訪問， 專用網(wǎng)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(zhǔn)確的響應(yīng)。醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)關(guān)當(dāng)今的醫(yī)療人員獲取病人信息的渠道比過去任何

17、時候都要 多，然而，如果在緊急情況下未對數(shù)據(jù)進行互連、分析、記錄和 響應(yīng)，就不能實施信息的多樣性。 新興的關(guān)鍵應(yīng)用之一由醫(yī)療監(jiān) 控網(wǎng)關(guān)組成， 這些網(wǎng)關(guān)允許醫(yī)療人員從本地和中央基站監(jiān)控和連 接設(shè)備。 來自不同醫(yī)院房間的設(shè)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(guān)的設(shè)備可以通過以太網(wǎng)連接到基于微處理器的本地醫(yī)療監(jiān) 控網(wǎng)關(guān)，如果是與傳統(tǒng)醫(yī)療有關(guān)的設(shè)備，則通過串行 RS-232 端 口連接到監(jiān)控網(wǎng)關(guān)。 在正常情況下， 每個方面的網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)中使用的微處理器必須提供連接和安全性， 延長產(chǎn) 品壽命。為該應(yīng)

18、用專門設(shè)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(wǎng)控制器、 USB 和排隊串行外 圍設(shè)備接口。 最新一代微處理器有助于在整個安全以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)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(shè)備接收的數(shù)據(jù)， 微處理器會對其進行加密， 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(shù)據(jù)進行解密和解析。wwiMjhan 厶鬥 E.，MCF5275I BB 甲 J duJ* M I D UMd 1 KG C43MLfluaTUA口1Ittai圖4:使用飛思卡爾 MCF5275ColdFire嵌入式處理器的醫(yī)療監(jiān)控網(wǎng)關(guān)塊狀圖。除了能夠從遠程中央基站監(jiān)控指定房間內(nèi)的床頭醫(yī)療設(shè)備之外，醫(yī)療人員還希望使用 USB接口，在病人的病房內(nèi)訪問相 同的數(shù)據(jù)。例如，使用帶有 USBOn-The-Go(OTG)端口的PDA， 用戶可以通過網(wǎng)關(guān)的USB-以太網(wǎng)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(shè)備 連接功能，增強了現(xiàn)有移動設(shè)備和USB外圍設(shè)備的現(xiàn)有功能。憑借這種額外的U