提升医疗应用效率的无线链路方案解析

　　护士的一个重要任务是每隔1、2或4小时记录一次血压、体温、血氧饱和度和心率。这个任务被称为监视生命体征。实际操作中它包含了扫描病人的腕带条码、将设备连接（如果还没有连接的话）到病人，然后手工记录测量结果。

　　在英国我们有国民医疗保健制度（NHS），这个项目覆盖了整个国家。有关改善NHS效率的技术应用的报纸头条常常关注一些重要的举措，比如试图创建统一的软件环境。在这种情况下，目标是将较大的综合性医院、区域性保健中心、小的社区医院和家庭医生办公室（在英国也称为普通执业医师）连接起来。然而，在NHS下有很高的地方自治程度，我住的医院已经在着手普及电子计算机。不过电脑主要用于记录药物的使用，而不是生命体征数据，这些数据仍需要手工录入纸质病历。

　　如果每个病人都有生命体征数据需要读取，比方说一天六次，每次需要花10分钟，那么这项工作会让护理人员在每个病人身上每天花费60分钟的时间，这个结果有点让我吃惊。而增加简单的无线链路可以快速推动这一过程的自动化。

　　因此我在想，究竟是什么问题阻止了自动化的实现？专用仪器似乎是明显的一个障碍。有许多主要供应商生产设备，但他们也许对机器联网不感兴趣。安全性是另外一个主因。

　　医院实际使用的专用机器一般都配备有数据接口连接器，形式是15针的D型RS－232串口。然而在医院病房的杂乱环境中，每次要将电缆连接到墙上的插座这样的想法是不切实际的。换句话说，将带条形码扫描器的外部无线通信模块作为"次佳"选项似乎是可行的。

　　实现无线链路

　　现代无线系统提供的可靠链路可以将医院设备连接到本地计算机。以Bluetooth Smart为商标的低功耗蓝牙（BLE） 就是一个很好的例子，针对特定的医疗应用也有现成的配置规范。低功耗蓝牙的第一个主要局限是覆盖范围，理论上可以扩展到100米（330英尺），但在大楼中使用时实际上可能只能局限于一个房间内。第二个问题是它使用的频谱——拥挤的2.4000至2.4835GHz频段中的干扰风险。

　　然而，要想充分发挥集成的无线系统优势，要求在更长距离内有足够的可靠性，以便读取的任何数据都能直接发送到护理站的中心控制系统中，这涉及到信号穿过几个中间病房墙体并且仍能在100-150米远（300至500英尺）的地方检测到。更低的射频频率，比如低于1GHz，可以提供更好的建筑材料穿透性能。基于这样的理由，美国使用的915MHz ISM频段、欧洲、中东和非洲（EMEA）使用的433.920MHz和亚洲使用的其它VHF/UHF频率都可以提供非常卓越的距离性能。

　　最新发布的FPRF器件被认为是解决无线部分问题的理想解决方案。这种芯片（型号是LMS7002M）在从100kHz至3800MHz的扩展范围内是用户可编程的，因此很容易覆盖用户感兴趣的频率。除了可编程频率外，用户还可以实时控制带宽和增益。

　　芯片采用双收发器架构，从数字化数据的输入/输出直到调制的射频信号的射频部分采用的都是低功耗、高性价比的解决方案。数据输入采用数据比特流的形式表示调制的同步（I）和正交（Q）分量。这些数据流经滤波后转换为模拟信号，再通过分开的I和Q路径处理后，与编程过的射频载频进行混频，最后在芯片输出端提供调制过的射频信号。

　　接收器的功能是接收无线信号，将它解调为代表数据的I和Q分量的模拟信号。在将信号转换为数字输出流之前，接收器会先对信号进行滤波和放大。

　　图1：RPRF框图。

　　在所考虑的应用中，无线网络可以被配置为多种拓扑，但鉴于相对短的循环时间（也就是说每个小时传送一次），最好选择随机访问机制。最常见的配置被称为带碰撞避免的载波侦测多路访问（CSMA/CA）。在这种情况下，当系统需要发送数据时，它首先会在载波频率上进行"侦听"，确保在发送数据包之前载频是空闲状态。为了促进这一机制，FPRF器件包含有接收信号强度指示（RSSI）功能，可以检测无线链路上的传输信号。如果链路已经在使用状态，器件可以被配置为等待一段预设的时间，然后重试，或使用不同的频率。

　　为了增强系统的可靠性，中央控制系统可以设计为向生命体征监测仪回送确认信号，信号的回送也可以使用独立的射频信道。发送节点等待接收来自护理站接入点的确认数据包，用于指示数据包已被正确地接收、解密并通过了校验和检查。

发送调制机制有许多方案。最简单的技术使用每个符号2个比特和正交相移键控（QPSK），其中的载波被调制到4个具有单一幅度的不同相位中的一个上。 QPSK支持低数据速率传送，非常适合信号条件较差的情况。在正交幅度调制（QAM）