Chapter5 遠程醫(yī)學儀器設計

第五章

面向通信與網絡的接口技術遠程醫(yī)學儀器設計Telecare&TelemedicineSpecialistreferralservicePatientconsultationsRemotepatientmonitoringMedicaltele-education與傳統(tǒng)醫(yī)療相比的優(yōu)勢經濟方便，解決看病難、看病貴及時權威用途廣泛平衡資源遠程醫(yī)療Telemedicine使用遠程通信技術和計算機多媒體技術提供醫(yī)學信息和服務包括遠程診斷、遠程會診及護理、遠程教育、遠程醫(yī)學信息服務等所有醫(yī)學活動為患者提供優(yōu)質醫(yī)療服務，以提高全民醫(yī)療保健水平，大幅度降低全社會的醫(yī)療保健費用支出。國外這一領域的發(fā)展已有近40年的歷史，在我國時間很短。Datamonitor,2006AccordingtoresearchreportsfromindependentmarketanalystgroupDatamonitor,theworldwidemarketforclinicaltelemedicineisexpectedtogrowatarateof9.9%overthenext5years,theoverallglobaltelehealthmarket(includinghometelehealth)willexceed$8billionby2012(Chang,2007),andU.S.spendingontelehealthisexpectedtoreach$4.5billionby2010—agrowthrateof64%,annually.遠程家庭衛(wèi)生保健Tele-Homecare第一代：個人報警系統(tǒng)，危重呼叫電話第二代：可穿戴傳感技術第三代：基于智能家庭的虛擬社區(qū)醫(yī)療環(huán)境WearableWearableConsult瑞士信貸預測，未來2-3年，可穿戴技術市場規(guī)模將由目前的30-50億美元增長至300-500億美元，未來3-5年終端復合增速將不低于50%。目前我國可穿戴設備市場仍處于起步階段，但未來的市場增量空間巨大。艾媒咨詢發(fā)布的《2013中國可穿戴設備市場研究報告》顯示，2012年中國可穿戴設備市場規(guī)模達到6.1億元，預計到2015年中國可穿戴設備市場規(guī)模將超過100億元，達到114.9億元。第二代：可穿戴傳感技術源于對病人較長時間段內進行實時監(jiān)護的需要可以實現(xiàn)長達幾周甚至數(shù)月的實時監(jiān)護小型化儀器、移動式計算機技術的發(fā)展使穿戴式生物傳感系統(tǒng)呈現(xiàn)出長足進展的趨勢SmartshirtHospitalNetworkRobotSurgeryPuma560daVinci

生理信號遠程傳輸協(xié)議DICOM美國VITAL歐洲MDDLIEEE10735.2醫(yī)學儀器通信接口設計長距離傳輸電話（程控）通信網移動通信網GSM、GPRS、CDMA、3GWWW短距離傳輸串行通信RS-232，1394，USB無線局域網Wi-Fi802.11a/b/g/nHomeRF藍牙Blue-tooth紅外通信IrDA以無線通信為主，采用靈活的通信模式。5.2.2無線局域網WLAN

醫(yī)學信息無線傳輸?shù)谋匾院涂赡苄?/p>

WLAN是計算機網絡與無線通信技術相結合的產物。以無線多址信道作為傳輸媒介，利用電磁波完成數(shù)據交互，實現(xiàn)傳統(tǒng)有線局域網的功能。安裝便捷：布線簡單，只需要安裝一個或多個無線訪問點(accesspoint，AP)就可覆蓋整個建筑的局域網絡，而且便于管理、維護。高移動性：在無線局域網中，各節(jié)點可隨意移動，不受地理位置的限制。易擴展性：無線局域網有多種配置方式，每個AP可支持100多個用戶的接入5.2.2無線局域網WLANIEEE802.11,

Wi-Fi（WirelessFidelity）IEEE802.11802.11eQualityofServiceEDCFparameterizedQoSandHCFpolling-basedQoS802.11iSecurityRobustSecureNetwork:(1)AESEncryption,(2)EAPAuthentication802.11hDFS/TPCRadardetectionandavoidanceforEuropeanoperation802.11fInter-AccessPointProtocolCommunicationbetweenAPsforroamingandhandover802.11kRadioResourceManagementImprovedphysicallayermanagementandreportingIEEE802.11n（2009年）a/b/g之后的下一代標準提供到300Mbps甚至高達600Mbps的速度MIMOOFDM技術，提高了無線傳輸質量，也使傳輸速率得到極大提升采用智能天線技術，通過多組獨立天線組成的天線陣列，覆蓋范圍可以擴大到好幾平方公里，使WLAN移動性極大提高。采用軟件無線電技術，一個完全可編程的硬件平臺，使得不同系統(tǒng)的基站和終端都可以通過這一平臺的不同軟件實現(xiàn)互通和兼容MIMO無線局域網協(xié)議數(shù)據鏈路層MAC 介質訪問控制層

物理層PLCP

物理層會聚協(xié)議子層PMD 物理介質相關子層物理層——擴頻技術信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬。頻帶的展寬通過編碼及調制的方法實現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據無關很強的抗干擾能力可進行多址通信安全保密抗多徑干擾直接序列擴頻DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS直接用具有高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端去擴展信號的頻譜。而在收端，用相同的擴頻碼序列去進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息偽隨機編碼調制信號相關處理跳頻擴頻FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSSCSMA/CA協(xié)議(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoid

)

同一時間只有一個設備可以傳輸數(shù)據，否則發(fā)生數(shù)據包沖突當感應到傳輸介質空閑>=DIFS，立即啟動傳輸當傳輸介質繁忙，傳輸延遲到本次傳輸結束+DIFSADIFSFrameBFrameCDDIFSdeferdeferdeferCWindowDIFSFrameCWindowDIFSFrameDIFSFrame5.2.3藍牙Blue-tooth短距離（約10m，Bluetooth4.050m）、點到多點的數(shù)據和語音傳輸?shù)纳漕l規(guī)范BSIG（BluetoothSpecialInterestGroup）創(chuàng)建于1998年9月。在全球消費者對于主流傳輸技術的認知程度和整體印象中，藍牙以85％高居榜首，排在第二位和第三位的分別是57％的ＵSB和53％的Wi-Fi。藍牙的名字來源于10世紀，丹麥國王Harald

Blatand，英譯為HaroldBluetooth工作頻段2.4GHz；功耗2.5mW；傳輸速率3MbpsPiconet&Scatternet藍牙無線組網支持移動聯(lián)網不需要使用物理線路，安裝非常簡便，成本低、體積小，可用于更多的設備。網絡使用的高頻電波可以穿透墻壁或玻璃窗，所以設備可以在有效范圍任意放置。多層安全防護措施可以確保用戶隱私。改動網絡結構或布局時，不需要對網絡進行重新設置。技術要點解決藍牙與WiFi及其他潛在干擾源共存時相互間的干擾適應性跳頻技術(AFH)時分多路復用(TDM)根據信道質量確定數(shù)據速率(CQDDR)擴展型同步定向連接信道(eSCO)藍牙協(xié)議棧所有應用都要使用藍牙技術規(guī)范中的數(shù)據鏈路層和物理層盡可能利用現(xiàn)有的各種高層協(xié)議不是任何應用都必須使用全部協(xié)議（1）基帶協(xié)議基帶協(xié)議確保各個藍牙設備之間的射頻連接，以形成微微網絡。（2）鏈路管理協(xié)議（LMP）負責藍牙各設備間連接的建立和設置。LMP通過連接的發(fā)起，交換和核實進行身份驗證和加密，通過協(xié)商確定基帶數(shù)據分組大??；還控制無線設備的節(jié)能模式和工作周期，以及微微網絡內設備單元的連接狀態(tài)。（3）邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）是基帶的上層協(xié)議，可以認為L2CAP與LMP并行工作。L2CAP與LMP的區(qū)別在于當業(yè)務數(shù)據不經過LMP時，L2CAP為上層提供服務。（4）服務搜索協(xié)議使用服務搜索協(xié)議（SDP），可以查詢到設,備信息和服務類型，從而在藍牙設備間建立相應的連接。藍牙假肢兩個假肢的踝部裝有藍牙接收器，該裝置可以互相溝通，協(xié)調它們的行動步調，并保持一致的速度、方向及力量。它們之間互相模仿，互相借鑒，用于控制步幅。藍牙假肢可以上坡，下坡。它們之間可以有不同的速度，但是通過藍牙控制器則盡量使兩者保持協(xié)調一致。據患者Bieill表示，當他決定慢下來，就會給自己的大腿施加阻力，這樣兩只腿就會逐漸慢下來。本來這種概念性的藍牙假肢是為僅失去一條腿的患者設計的，但是在Bieill身上測試發(fā)現(xiàn)，也同樣適用。他現(xiàn)在還在使用手杖，但是他希望能夠通過鍛煉去掉手杖的幫助。5.2.4紅外通信InfraredDataAssociation,IrDA低功率、定向型、短距離、點對點工作頻段：3.409～3.529×105GHz半雙工，通訊距離1m左右速度：2.4kbps~115.2kbpsIrDAvs.Bluetooth都是短距離無線接入技術都能實現(xiàn)安全可靠、低功耗、低成本的話音、數(shù)據及視頻的傳輸采用的電磁波頻段不同導致完全不同的信號傳播特性障礙物移動WIFIIEEE802.11b，11Mbps，100m與Bluetooth工作在同一頻段——干擾問題藍牙的功耗非常小

所以適合

手機近距離的小文件傳輸；

wifi

速度高

距離遠

是連接互聯(lián)網的。DICOMDigitalImagingandCommunicationsinMedicine數(shù)字醫(yī)學影像的交換標準，醫(yī)學圖像存儲與傳輸標準目前包括16個不同的部分，描述DICOM協(xié)議的格式，指定其兼容性由美國放射性協(xié)會(ACR)和美國電氣制造商協(xié)會(NEMA)所組成的DICOM標準聯(lián)合委員會制定DICOM支持各種影像設備如：MRI，CT，PET，超聲，顯微鏡等涵蓋了大多數(shù)醫(yī)學影像設備的圖像格式受到世界范圍的醫(yī)院和醫(yī)學影像診斷中心的廣泛接受DICOMFILEFormatDICOMHeaderFrames:2Rows:256Columns:256Bitsstored:8794Bytes1131072Bytes1131072Bytes目的--推動不同制造商的設備間數(shù)字圖像信息通信標準的建立。--促進和擴展圖片歸檔及通訊系統(tǒng)(PACS)，使它可以與其它醫(yī)院信息系統(tǒng)進行交互。--允許廣泛分布于不同地理位置的診斷設備創(chuàng)建統(tǒng)一的診斷信息數(shù)據庫。AllrelevantinfoaccessiblePart1ofDICOMstates…

“TheDICOMStandardpertainstothefieldofMedicalInformatics.Withinthatfield,itaddressestheexchangeofdigitalinformationbetweenmedicalimagingequipmentandothersystems.Becausesuchequipmentmayinteroperatewithothermedicaldevices,thescopeofthisStandardneedstooverlapwithotherareasofmedicalinformatics.However,theDICOMStandarddoesnotaddressthebreadthofthisfield.”DICOM標準文件引言與概述兼容性信息對象的定義服務類的描述數(shù)據結構及編碼數(shù)據字典消息交換消息交換的網絡通訊支持消息交換的點對點通訊支持數(shù)據交換的存儲介質與文件格式介質存儲應用說明用于介質交換的物理介質和介質格式點對點通信支持的打印管理灰度圖像標準顯示功能安全措施和系統(tǒng)管理標準內容參考資源解釋信息固定對象的網絡存取DICOM

Objects

ServicesDICOM-Objects最小的信息單元Selfcontainedfile由文件頭和內容組成文件頭包含大量文本信息，用以說明內容的類型DICOM中信息對象的定義稱為IODInformationObjectDefinition屬性列表（強制的，可選的和有條件的）相關的屬性組成模塊InformationModelInformationObjectsDefinition(IOD)DefinitionofinformationtobeexchangedNormalizedorcomplexi