利用半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)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(yī)療保健行業(yè)更加強(qiáng)烈地感受到變革的壓力。醫(yī)療機(jī)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(shí)間，都有助于降低醫(yī)療成本，但這對(duì)病人來(lái)說(shuō)，代價(jià)又有多高呢?這是一個(gè)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(duì)提供更好的醫(yī)療服務(wù)的挑戰(zhàn)。

　　半導(dǎo)體技術(shù)對(duì)醫(yī)療系統(tǒng)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(guò)醫(yī)院內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)，將關(guān)鍵信息傳輸?shù)叫枰畔⒌娜耍瑥亩鰪?qiáng)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(lái)回傳輸數(shù)據(jù)，這不僅能在無(wú)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(shí)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(shí)現(xiàn)這種類型的遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)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(tái)，該平臺(tái)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(xiàn)成組件構(gòu)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(dāng)今市場(chǎng)上的任何一個(gè)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(chǔ)器，專供無(wú)線收發(fā)器上的聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(例如，簡(jiǎn)單專有無(wú)線協(xié)議IEEE802.15.4或ZigBee)使用。

　　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(fèi)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(gè)封裝內(nèi)，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(biāo)準(zhǔn)的無(wú)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(diǎn)。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(huì)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(yùn)行中的變化。高級(jí)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(yuǎn)比壓力傳感器復(fù)雜。它由兩個(gè)表面微機(jī)械電容式感應(yīng)單元(g-cell)以及包含在單個(gè)集成電路封裝中的信號(hào)調(diào)節(jié)ASIC組成。傳感元件使用微機(jī)械晶圓，密封在晶圓層中。

　　g-cell是一個(gè)使用半導(dǎo)體工藝形成的機(jī)械結(jié)構(gòu)，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(gòu)成兩個(gè)背對(duì)背電容器，隨著中心梁加速移動(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(cè)量g-cell電容，并從兩個(gè)電容之間的差異中提取加速數(shù)據(jù)。ASIC還進(jìn)行信號(hào)調(diào)節(jié)，并對(duì)信號(hào)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(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(cè)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(chǎng)上實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的加速計(jì)應(yīng)用。在過(guò)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利用最新的技術(shù)進(jìn)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(guò)處理，然后才能發(fā)送和保存，供醫(yī)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(hào)，并將信號(hào)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(USB)連接，對(duì)它們進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)或監(jiān)控器可以使用的數(shù)字信號(hào)。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(hào)。

　　一般來(lái)說(shuō)，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)器使用的通信協(xié)議。例如，處理兼容ZigBee的數(shù)據(jù)所需的存儲(chǔ)器就遠(yuǎn)低于簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)無(wú)線連接。傳感器和8位控制器相結(jié)合，提供一個(gè)緊湊的、經(jīng)濟(jì)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(guò)相關(guān)的射頻設(shè)備，發(fā)送到遠(yuǎn)程位置，或者用于提供現(xiàn)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(tǒng)中使用，這些系統(tǒng)可能只運(yùn)行幾天就被丟棄和更換。

　　此類技術(shù)的一個(gè)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(jì)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)它們的使用方法，還要攜帶大量笨重的組件，如胰島素庫(kù)、輸液器和血糖儀等。OmniPod系統(tǒng)包括兩個(gè)完整的集成的無(wú)線組件，即：一個(gè)小型的自粘式一次性O(shè)mniPod胰島素存儲(chǔ)和給藥系統(tǒng)，帶有無(wú)線接收器和個(gè)人血糖管理器(PDM);一個(gè)PDA尺寸的手持設(shè)備(帶有微控制器和射頻發(fā)射機(jī))。病人可以通過(guò)這個(gè)手持設(shè)備對(duì)OmniPod進(jìn)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(yùn)行，包含一個(gè)集成的血糖儀，可以自動(dòng)保存病歷。該系統(tǒng)能夠根據(jù)病人預(yù)先設(shè)定的個(gè)人基礎(chǔ)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(shè)計(jì)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(jià)格非常便宜，整個(gè)設(shè)備在使用了幾天后即可丟棄。通過(guò)此類應(yīng)用，病人能夠在經(jīng)濟(jì)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(kuò)展類似控制器設(shè)備的無(wú)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(cè)試結(jié)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(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(duì)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(shè)備，監(jiān)測(cè)哪怕是非常微小的泄漏，并傳輸時(shí)間和流量數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)保存下來(lái)，以供今后進(jìn)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(dòng)，比如躺下、站立、行走和跑步，幫助護(hù)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(yīng)對(duì)措施。

　　無(wú)線連接

　　無(wú)線通信技術(shù)可以讓便攜式傳感和處理設(shè)備變得對(duì)病人和護(hù)理人員更加有效。它還使設(shè)備能夠無(wú)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(shí)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(gè)經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。通過(guò)4線串行外圍設(shè)備接口(SPI)連接，用戶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(kuò)展，以適應(yīng)各種應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)系統(tǒng)一直到完整的ZigBee聯(lián)網(wǎng)。

　　要進(jìn)行簡(jiǎn)單的專有無(wú)線連接，只需要一個(gè)物理層(PHY)以及適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和STAR網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的簡(jiǎn)單媒體訪問(wèn)控制器軟件(SMAC)。簡(jiǎn)單無(wú)線連接的內(nèi)存要求不足2.5Kb，對(duì)于功率要求極低的應(yīng)用而言，它是非常經(jīng)濟(jì)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(jiǎn)單分組數(shù)據(jù)協(xié)議，適用于輕量級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)強(qiáng)大的通信協(xié)議包括了802.15.4PHY和媒體訪問(wèn)控制器(MAC)。對(duì)那些需要長(zhǎng)電池壽命，需要為控制器、傳感器和遠(yuǎn)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(jiǎn)單無(wú)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(tái)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(duì)簡(jiǎn)單無(wú)線連接、符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的解決方案、ZigBee平臺(tái)這三者進(jìn)行了比較，包括它們對(duì)微控制器存儲(chǔ)器的要求(使用飛思卡爾的S08內(nèi)核)和無(wú)線收發(fā)器示例(MC1319x系列設(shè)備)。

　　圖3：比較適用于醫(yī)療監(jiān)控應(yīng)用的三個(gè)無(wú)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(wú)線收發(fā)器。

　　ZigBee擁有幾項(xiàng)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(jìng)爭(zhēng)力的候選方案。很多應(yīng)用只是定時(shí)運(yùn)行，或者只運(yùn)行較短的時(shí)間。為了把功耗降到最小限度，極大地延長(zhǎng)電池的使用壽命，ZigBee和藍(lán)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(zhǎng)電池的使用壽命。Wi-Fi不能在休眠-喚醒-休眠模式下高效運(yùn)行，所以它必須始終開啟，這一點(diǎn)使得它不適合于很多應(yīng)用。

　　ZigBee和藍(lán)牙都可以在很短的工作周期中運(yùn)行(1%的工作周期意味著應(yīng)用只在1%的時(shí)間內(nèi)是運(yùn)行的)，但延遲卻是ZigBee的一大優(yōu)勢(shì)。藍(lán)牙設(shè)備可能需要幾秒鐘喚醒、與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)現(xiàn)更精確的排程，在每個(gè)喚醒周期內(nèi)延長(zhǎng)電池壽命。

　　ZigBee還可以通過(guò)增加存儲(chǔ)器或適當(dāng)?shù)能浖瑥暮?jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)應(yīng)用擴(kuò)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(lái)移動(dòng)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(wèn)?？刂破鲄^(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可以連接到以太網(wǎng)骨干，進(jìn)行整個(gè)醫(yī)療機(jī)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(guò)短途無(wú)線通信，可以實(shí)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(gè)房間推到另一個(gè)房間。

　　同樣，家庭醫(yī)療監(jiān)控設(shè)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(jiān)控信息都可以通過(guò)專用網(wǎng)站訪問(wèn)，專用網(wǎng)站還可以為醫(yī)療人員提供對(duì)病人醫(yī)療記錄的快速訪問(wèn)。醫(yī)院只需管理來(lái)自多個(gè)來(lái)源的信息流，從而對(duì)信息進(jìn)行有效的分析，實(shí)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(guò)去任何時(shí)候都要多，然而，如果在緊急情況下未對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行互連、分析、記錄和響應(yīng)，就不能實(shí)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(lái)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(jìn)行安全地遠(yuǎn)程監(jiān)控。床頭與醫(yī)療有關(guān)的設(shè)備可以通過(guò)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(guò)串行RS-232端口連接到監(jiān)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(zhǎng)產(chǎn)品壽命。為該應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的最新一代的微處理器提供了多種連接選項(xiàng)，如多個(gè)10/100快速以太網(wǎng)控制器、USB和排隊(duì)串行外圍設(shè)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(tǒng)性能帶來(lái)影響。對(duì)于從床頭設(shè)備接收的數(shù)據(jù)，微處理器會(huì)對(duì)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(duì)數(shù)據(jù)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(yī)療監(jiān)控網(wǎng)關(guān)塊狀圖。

　　除了能夠從遠(yuǎn)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?jī)?nèi)訪問(wèn)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(guò)網(wǎng)關(guān)的USB-以太網(wǎng)適配器端口來(lái)訪問(wèn)系統(tǒng)。USB-OTG是對(duì)USB2.0規(guī)范的新補(bǔ)充，通過(guò)增加USB外圍設(shè)備連接功能，增強(qiáng)了現(xiàn)有移動(dòng)設(shè)備和USB外圍設(shè)備的現(xiàn)有功能。憑借這種額外的USB功能，醫(yī)療服務(wù)提供商可在病人每次到醫(yī)院看病時(shí)保持對(duì)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。互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音(VoIP)是一個(gè)很有意思的技術(shù)應(yīng)用，它在消費(fèi)者和企業(yè)用戶中的應(yīng)用日益普及，并展示了它在醫(yī)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(hù)士工作站和其它部門進(jìn)行無(wú)線通信。由于信息作為數(shù)據(jù)包在互聯(lián)網(wǎng)上傳播，因而可以傳輸?shù)綆缀跞魏蔚胤剑热鐬槎嗉裔t(yī)院服務(wù)的中心處理區(qū)，或者傳輸?shù)絺€(gè)人的手機(jī)上，以適應(yīng)不斷擴(kuò)展的醫(yī)生/病人關(guān)系。而且，VoIP文本和語(yǔ)音數(shù)據(jù)可以直接保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而滿足快速檢索需求，避免使用體積龐大的磁帶存儲(chǔ)系統(tǒng)。

　　本文小結(jié)

　　醫(yī)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(shù)據(jù)，同時(shí)還要削減成本，這確實(shí)是一個(gè)非常苛刻的要求。在全球各地的醫(yī)院和診所中，半導(dǎo)體技術(shù)正在幫助保健醫(yī)療行業(yè)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。此外，半導(dǎo)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(yī)院和其它醫(yī)療設(shè)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(yī)生可以進(jìn)入家庭，發(fā)出虛擬家庭呼叫，醫(yī)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(dǎo)體技術(shù)將醫(yī)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(duì)于病人和醫(yī)護(hù)人員來(lái)說(shuō)都是一項(xiàng)非常有益的技術(shù)。