無線鏈路提升醫療應用效率

最近發生的兩件事讓我有了寫這篇文章的念頭。我已經寫過好幾篇有關現場可程式設計射頻(FPRF)元件的文章了，因為這些元件可以成為幾乎通用的無線元件。最近剛好因為在醫院住了兩週，讓我有充裕的時間思考醫院病房的無線應用。

我看到護士的一個重要任務是每隔1、2或4小時記錄一次血壓、體溫、血氧濃度和心率。這個任務被稱為監視生命徵象。實際操作中它包含了掃描病人的腕帶條碼、將裝置連接到病人，然後手動記錄測量結果。

在英國，我們有國民醫療保健制度(NHS)，這個計劃涵蓋了整個國家。有關改善NHS效率的技術應用經常是報紙頭條關注的焦點，例如試圖創建統一的軟體環境。在這種情況下，其目標在於將較大的綜合性醫院、區域性保健中心、較小的社區醫院以及小型診所(在英國稱為普通執業醫師)連繫起來。然而，在NHS下仍然存在高度的地方自治，在我住的醫院中已經著手普及電腦化作業了。不過，電腦主要用於記錄藥物的使用，而不是生命徵象資料，這些資料仍需要手工記錄紙本病歷。

如果每個病人都有生命徵象資料需要讀取，例如一天六次，每次需要花10分鐘，那麼這項工作會讓護理人員在每個病人身上每天花費60分鐘的時間，這個結果有點讓我驚訝。事實上，只要增加簡單的無線鏈路就可以加速推動這一過程的自動化。

因此我在想，究竟是什麼問題阻礙了自動化的實現？很顯然地，專用儀器似乎是障礙之一。市面上有多家主要的供應商生產設備，但他們也許對機器連網不感興趣。此外，安全性又是另外一個重要因素。

醫院實際使用的專用機器一般都配備資料介面連接器，採用15針D型RS-232序列埠的形式。然而在醫院病房的雜亂環境中，想要將電纜連接到牆上的插座卻是不切實際的。換句話說，退而求其次地將帶有條碼掃描器的外部無線通訊模組作為選項似乎更為可行。

實現無線鏈路

現代無線系統提供可靠的鏈路，能將醫院設備連接到本地電腦。以Bluetooth Smart為商標的低功耗藍牙(BLE)就是一個針對特定醫療應用配置現成規範的例子。BLE的第一項主要限制是覆蓋範圍，理論上雖然可以擴展到100公尺(330英呎)，但在建築物中使用時實際上可能只能局限於一個房間內。第二個問題是它使用的頻譜——擁擠的2.4000至2.4835GHz頻段中存在干擾的風險。

然而，為了充份發揮整合的無線系統優勢，必須能在更長距離內提供足夠的可靠性，以便讀取的任何資料都能直接發送到護理站的中心控制系統，這包括讓訊號穿過幾個可能帶來干擾的病房牆體而仍能在100-150公尺遠(300至500英呎)的地方被檢測到。更低的RF頻率，如低於1GHz，可以提供更好的建築材料穿透性能。基於這樣的理由，美國使用的915MHz ISM頻段、‘歐洲、中東和非洲’(EMEA)使用的433.920MHz以及亞洲使用的其它VHF/UHF頻率都可以提供非常卓越的距離性能。

最新發佈的FPRF元件被認為是解決無線部份問題的理想解決方案。這種晶片(型號是LMS7002M)在從100kHz至3800MHz的擴展範圍內具有用戶可程式設計性能，因此很容易就涵蓋使用者感興趣的所有頻率。除了可程式設計頻率外，使用者還可以即時控制頻寬和增益。

該晶片採用雙收發器架構，從數位資料的輸入/輸出直到調變的RF訊號，其RF部份都採用低功耗且高性價比的解決方案。資料輸入採用數位位元串流的形式表示調變的同相(I)和正交(Q)分量。這些串流經濾波後轉換為類比訊號，再分別經過I和Q路徑處理後，與程式設計過的RF載頻進行混頻，最後在晶片輸出端提供調變過的RF訊號。

接收器的功能在於接收無線訊號，將它解調為代表資料I和Q分量的類比訊號。在將訊號轉換為數位輸出串流之前，接收器會先對訊號進行濾波和放大。

圖1：RPRF架構圖

在所考慮的應用中，無線網路可以被配置為多種拓撲，但鑒於相對較短的週期時間(即每小時傳送一次)，最好選擇隨機存取機制。最常見的配置被稱為‘載波偵測多路存取/避免碰撞’(CSMA/CA)。在這種情況下，當系統需要發送資料時，首先會在載波頻率上進行‘監聽’，確保在發送資料封包之前載頻處於閒置狀態。為了促進這一機制，FPRF元件包含接收訊號強度指示(RSSI)功能，可以檢測無線鏈路上的傳輸訊號。如果鏈路已經在使用狀態，該元件可被配置為等待一段預設的時間後重試，或使用不同的頻率。

為了增強系統的可靠性，中央控制系統可以設計為向生命徵象監測儀回送確認訊號，訊號的回送也可以使用獨立的ED通道。發送節點等待接收來自護理站存取點的確認資料封包，以便指示資料封包已被正確地接收、解密以及通過校驗與檢查。

發送調變機制有許多方案。最簡單的技術使用每個符號2位元和QPSK，其中的載波被調變到4個具有單一振幅的不同相位之一。QPSK支援低資料速率傳送，非常適合訊號條件較差的情況。在正交振幅調變(QAM)中，相位被轉移到多個不同角度和振幅中的一個，用於定義星座圖中的不同位元位置，而每個符號資料最多可攜帶6位元。QAM提供頻譜使用更高效的調變方案，但只適用於較佳SNR的條件，而不適於這種應用。

然而，最新的傳輸機制被稱為多輸入多輸出(MIMO)，這是一種複雜的配置結構，使用兩根或多根實體上短距離隔開的天線。MIMO技術可以提高頻譜效率，實現提高鏈路可靠性的多種增益。MIMO訊號的一個關鍵屬性是提供更強勁的性能。該技術經過發展可以因應由於衰減和干擾引起的訊號退化，還能在多徑傳輸條件下使用。在多徑傳輸條件下，從建築物反射回來的訊號將在接收端形成失真的訊號。LMS7002M支援MIMO，並可提供醫療應用所需的可靠性和訊號完整性。

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