基于遠(yuǎn)程醫(yī)療PAN 或 WAN 接口選擇的度量標(biāo)準(zhǔn)

引言

遠(yuǎn)程醫(yī)療正成為幫助人們提高生活品質(zhì)的一種新方式，而無線技術(shù)的廣泛使用也為個人健康與醫(yī)療設(shè)備的交互帶來了前所未有的巨大挑戰(zhàn)。這種挑戰(zhàn)源于人們想把一些帶有無線功能的儀器與終端設(shè)備實現(xiàn)相互通信的需求，而要滿足這種需求各種設(shè)備都使用相同的協(xié)議進(jìn)行通信就很重要，目的是保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。本文中，我們將討論與無線技術(shù)相關(guān)的一些通用性問題，并介紹在不同情況下選擇合適的無線標(biāo)準(zhǔn)的技巧。

作為今天增長最快的跨學(xué)科領(lǐng)域之一，遠(yuǎn)程醫(yī)療運用各種技術(shù)，通過遠(yuǎn)程及近距離有線和無線網(wǎng)絡(luò)為人們提供健康與醫(yī)療信息。遠(yuǎn)程醫(yī)療成為在衛(wèi)生保健領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信息服務(wù)創(chuàng)新的催化劑。它讓患者、醫(yī)生和其他供應(yīng)商擁有全新的通信方式，使那些慢性病患者能夠以更低的成本獲得更高的生活品質(zhì)，例如：心血管疾病、糖尿病、慢性呼吸道疾病和癌癥患者等。短距離無線連接技術(shù)出現(xiàn)以后，遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)仍然在健康、健身和運動市場起著關(guān)鍵性作用。下面兩個例子可以幫助更好地闡釋無線連接技術(shù)對遠(yuǎn)程醫(yī)療的影響：

比如一名慢跑鍛煉者可以隨身攜帶多種傳感器，用于監(jiān)測他的生命指標(biāo)（包括心率、血壓、SpO2）、皮膚濕度以及其他運動表現(xiàn)，例如：跑步速度、消耗卡路里和步長等。這些參數(shù)可在他跑步期間被收集到一個移動設(shè)備（例如：手表或者智能手機等）中，然后被下載或者發(fā)送給他的個人計算機、教練或者醫(yī)生。在對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以后，醫(yī)生或者教練便可以提出訓(xùn)練改進(jìn)建議，以提高慢跑者的運動耐力和效果。

再比如在事故現(xiàn)場執(zhí)行救援任務(wù)的救護(hù)車，應(yīng)事故要求出診的緊急醫(yī)療隊 (EMT) 可在返回醫(yī)院的途中就開始相關(guān)治療，立即開始監(jiān)測重傷人員的各種生命體征，對傷情做出診斷，并把重要數(shù)據(jù)和診斷細(xì)節(jié)發(fā)送給醫(yī)院的急診室。提前發(fā)送這些數(shù)據(jù)，可以讓護(hù)士和醫(yī)生更好地做好收治準(zhǔn)備，一旦傷者到達(dá)醫(yī)院便可立即實施正確的治療，從而節(jié)省大量寶貴的時間，最終達(dá)到挽救生命的目的。

這兩個例子證明了無線連接解決方案在廣泛運用的遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域能扮演和正在扮演的重要角色，它可以：

更精確、頻繁和低成本地收集數(shù)據(jù)
讓患者和醫(yī)療保健專業(yè)人員擁有一種新的聯(lián)系方式

康體佳健康聯(lián)盟 (Continua Health Alliance)

康體佳健康聯(lián)盟是一個國際非盈利、開放性行業(yè)組織，由 230 多家公司組成，目的是處理和解決遠(yuǎn)程醫(yī)療產(chǎn)品和服務(wù)在應(yīng)用和部署時出現(xiàn)的通用性問題。他們的任務(wù)就是要建立起一個個人醫(yī)療保健的生態(tài)系統(tǒng)，讓廣大消費者和各種組織都能夠更好地管理健康。該聯(lián)盟并不負(fù)責(zé)具體的新通信標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)，而是選擇一些已有的標(biāo)準(zhǔn)，然后制定出通用性指導(dǎo)原則。要想成功地解決通用性問題，需要完成下面 3 項重要的細(xì)化工作：

慢性病健康狀況管理
醫(yī)療與健康
個體壽命的延長

圖 1 顯示了由康體佳健康聯(lián)盟定義的一種架構(gòu)。

圖 1 康體佳遠(yuǎn)程醫(yī)療端到端系統(tǒng)架構(gòu)

這種端到端系統(tǒng)架構(gòu)包括如下 4 個主要部分：

個人醫(yī)療保健設(shè)備：監(jiān)測基本生命體征，例如：血壓、體重、脈搏、氧氣水平和血糖值，并通過有線或者無線連接方式發(fā)送這些數(shù)據(jù)。

集成管理器：讓個人健康設(shè)備能夠以電子病歷 (HER) 的形式記錄數(shù)據(jù)，以供家庭和/或醫(yī)院隨時查看。這種集成管理器可以利用智能電話、個人計算機或者其他專用設(shè)備。

健康服務(wù)中心：在某個集中地存儲和分析患者的相關(guān)信息。可以是醫(yī)生的辦公室、家里或者醫(yī)療保健機構(gòu)。
健康狀況記錄：用于存儲收集來的數(shù)據(jù)。形式包括個人健康狀況記錄 (PHR) 或者電子病歷 (HER)

這種集成管理架構(gòu)中定義了4種網(wǎng)絡(luò)，我們這里將主要介紹個人局域網(wǎng) (PAN)和廣域網(wǎng) (WAN)。

由于 PAN 以低功耗（一般為電池）為特點，因此我們選擇藍(lán)牙reg; 和 ZigBeereg; 這兩種技術(shù)作為以后幾代康體佳兼容型遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)的無線標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙技術(shù)一般用于移動集成管理器（例如：智能電話）和傳感器或醫(yī)療設(shè)備之間的連接；而 ZigBee 則用于低功耗傳感器的無線組網(wǎng)，比如一些讓患者能夠獨立在家的傳感器。PAN 網(wǎng)絡(luò)的連接距離一般為1米到 10-20 米，接入 PAN 網(wǎng)絡(luò)的大多數(shù)設(shè)備都使用電池供電。

需要更遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)（大于 30 米）并且?guī)捀髸r，最好使用廣域網(wǎng) (WAN) 接入?？刁w佳聯(lián)盟為 WAN 選擇了 w3c 標(biāo)準(zhǔn)，其可以利用任何IP型網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。這樣便讓諸如 Wi-Fi 和大多數(shù) 3G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等解決方案能夠從管理器/集線器到后端軟件傳輸數(shù)據(jù)。

需要注意的是，只有當(dāng)需要康體佳健康聯(lián)盟認(rèn)證的產(chǎn)品時才需要獲得授權(quán)，選擇一種具體的網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)準(zhǔn)。如果不要求康體佳認(rèn)證，系統(tǒng)/產(chǎn)品架構(gòu)可以選擇其他網(wǎng)絡(luò)接入標(biāo)準(zhǔn)，例如：IEEE 802.15.4、ANT、6lowPAN 甚至是 2.4 GHz 或 900 MHz 頻段的一些專有無線電標(biāo)準(zhǔn)。

選擇無線連接標(biāo)準(zhǔn)時的一些重要度量標(biāo)準(zhǔn)

選擇一種特殊的網(wǎng)線連接標(biāo)準(zhǔn)或者技術(shù)是一系列折中平衡與優(yōu)化的結(jié)果。我們可以根據(jù)諸多參數(shù)對各種無線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，例如：規(guī)定數(shù)據(jù)速率、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹鬏斁嚯x等等。這些參數(shù)就是度量標(biāo)準(zhǔn)。圖 2 顯示了選擇遠(yuǎn)程醫(yī)療與醫(yī)學(xué)應(yīng)用的無線標(biāo)準(zhǔn)時進(jìn)行對比的大多數(shù)參數(shù)。下面列出的度量標(biāo)準(zhǔn)并非都與特定應(yīng)用相關(guān)，度量標(biāo)準(zhǔn)的多少和種類均取決于具體的終端應(yīng)用。

圖 2 比較不同網(wǎng)絡(luò)連接標(biāo)準(zhǔn)時需要考慮的參數(shù)

表 1 概括了許多應(yīng)用的生理信息或生命體征采集所要求的數(shù)據(jù)速率，這些應(yīng)用包括慢性病管理或者健康狀況管理等。血壓監(jiān)測要求 1-10kbps 的數(shù)據(jù)速率。如果應(yīng)用涉及發(fā)送靜態(tài)圖像，則要求有 2Mbps 的數(shù)據(jù)速率。產(chǎn)品開發(fā)人員需要知道哪種技術(shù)可以支持應(yīng)用傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)速率。

工作頻率是我們需要考慮的另一個重要的度量標(biāo)準(zhǔn)。用于傳輸數(shù)據(jù)的頻譜由主要政府監(jiān)管部門規(guī)定。產(chǎn)品所面向的地區(qū)和市場（例如：醫(yī)院或者普通消費者）不同，頻譜要求和規(guī)定也會不同。另外，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡軙浖４笮∫约半娏飨漠a(chǎn)生影響。對于那些使用要求全網(wǎng)狀拓?fù)涞膮f(xié)議（例如：ZigBee）的應(yīng)用而言，更是如此。

表 1 不同受監(jiān)測生物信號的數(shù)據(jù)速率

圖 3、4 和 5 利用傳輸距離和數(shù)據(jù)吞吐量參數(shù)，對幾種無線網(wǎng)絡(luò)連接標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較。圖 3 表明藍(lán)牙技術(shù)和ANT協(xié)議是體域網(wǎng) (BAN) 最為適合的非專有標(biāo)準(zhǔn)，其要求距離非常短，而且功耗也非常低。圖 4 表明就高數(shù)據(jù)吞吐量而言，Wi-Fi 可能是最為適合的網(wǎng)絡(luò)連接標(biāo)準(zhǔn)。圖 5 顯示了不同標(biāo)準(zhǔn)所需的電池類型。從這些圖，我們可以清楚地知道 Wi-Fi 要求的功耗比其他幾種連接方法都要高。

圖 3 各種技術(shù)的通信距離。

圖 4 各種技術(shù)的數(shù)據(jù)吞吐量

圖 5 各種技術(shù)的要求電源

結(jié)論

毫無疑問，遠(yuǎn)程醫(yī)療極大地受益于無線技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其革命性地改變了醫(yī)療保健服務(wù)的提供方式。但是，無線技術(shù)的迅猛發(fā)展也帶來了不同無線器件和設(shè)備之間的通用性問題，讓我們難以選擇到正確的無線標(biāo)準(zhǔn)。遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用可以使用的無線標(biāo)準(zhǔn)有很多，對于廣大工程師和開發(fā)人員來說，選擇一種最適合于具體終端應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)很重要。在這個過程中，技術(shù)實現(xiàn)確實為患者、醫(yī)生、醫(yī)療服務(wù)提供商和所有其他醫(yī)療保健生態(tài)系統(tǒng)的參與者，都帶來了更加輕松、愜意的生活。