软件无线电技术在医疗行业的应用-正文

1、14软件无线电技术在医疗行业的应用 一、绪论（一） 选题的目的和意义目前，很多医院的计算机都是放置在各部门或科室的固定位置，甚至在病房中放置计算机，通过计算机综合布线联网组成医院信息管理系统网络。随着医院信息管理系统应用的不断深入以及应用需求的不断增加，这种固定部署计算机方式所存在的局限性，已经制约了医院信息系统发挥更大的作用。因此，将无线通信技术引入医疗领域已经成为了国内外数字化医院建设的热点问题。无线通信可以分为无线局域网通信和无线移动通信两类。作为医院有线局域网的补充，无线局域网能为医院各种医疗活动提供准确、快捷、方便的服务，可以有效地克服有线网络存在的弊端，在医生查房、护理监控、输液管

2、理等方面提供更好的服务，有效地提高管理人员、医生和护士的工作效率，协调相关部门有序工作；而无线移动通信通过医院短信平台等方式可以加强医院与患者之间的交流与联系，并可以提供短信息群发、手机预约挂号、专家专科排班通知、相关活动通知、客户随访等一系列服务。随着无线技术不断成熟，无线电技术和3G技术在各个行业得到了应用。特别地在医疗这个特殊行业，对于医务工作者和患者之间的联系性和移动性的要求上比较高，无线技术的使用能够提高其工作效率，迅速解决突发状况，并能够提前做出应对措施。在医疗行业引进无线技术，是未来医疗事业发展的一个趋势。 （二） 国内外研究现状和发展趋势1、 研究现状国外对于软件无线电领域的研

3、究比较早，其技术也已经应用到各个行业，包括军事、教育、医疗、政府机构等。我国的无线技术研究起步比较晚，在多个行业中，通信技术还是以有线通信作为基本的通信基础。而在医疗行业，先今，只有少数医院已经建设起了无线局域网，在此方面我们的技术和管理上还是存在很多的不足之处。2、 发展趋势任何一种主要技术的发展都会带来相关基础工业的发展，软件无线电也不例外。软件无线电的许多潜在效益存在于价值链的不同层次上，最终的影响取决于如何是这种技术发展商业化。目前全世界软件无线电参与者正致力于确定软件无线电技术在产业链中的定位，未来软件无线电在应用层的实用性将为网络运营商提供新的发展机遇，它将从不同途径上对个人通信和

4、更多的产业产生深刻的影响。在医疗行业，软件无线电技术的应用将会产生重要的作用，对于医务工作者的工作产生巨大的帮助。二、软件无线电技术（一） 软件无线电的定义软件无线电（softwareradio）在一个开放的公共硬件平台上利用不同可编程的软件方法实现所需要的无线电系统，简称SWR。软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。功能的软件化实现势力要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理（A/D和D/A变换）尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性

5、，通过软件更新改变硬件配置结构，实现新的功能。SWR是宽带模数及数模变换器（A/D及D/A）、大量专用/通用处理器、数字信号处理器（DigitalSignalProicesser，DSP）构成尽可能靠近射频天线的一个硬件平台。在硬件平台上尽量利用软件技术来实现无线电的各种功能模块并将功能模块按需要组合成无线电系统。（二） 软件无线电的基本组成及结构1、 软件无线电的基本组成软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段，要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需求。射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、

6、功率放大等任务，接受时实现滤波、放大、下变频等功能。而模拟信号进行数字化后的处理任务全由DSP软件承担。为了减轻通用DSP的处理压力，通常把A/D转换器传来的数字信号，经过专用数字信号处理器件处理，降低数据流速率，并且把信号变至基带后，再把数据送给通用DSP进行处理。一个理想的软件无线电的组成结构如图2.1.1所示图2.1.12、 软件无线电的体系结构软件无线电主要有三种实现结构：射频全频段数字化采样、中频数字化采样结构、虚拟无线电结构。 （1）射频全频段数字化采样 依据器件水平，短波软件无线电的射频全频段数字化采样尚不能实现。按照Nyquist采样定理对短波频段采样速率至少需要70Msp/s

7、，短波频段通信对ADC的动态范围要求为120dB130dB，A/D是每bit提供6dB动态范围。这样对短波全频段采样需要130/622bits，ADC达不到此要求。 （2）中频数字化采样结构 中频采样是将射频信号预处理后，模拟变频到中频进行A/D采样，采样后的数据被送入DSP，在 DSP中进行数字下变频和数字解调处理。这种结构的软件无线电与中频数字化接收机的结构是类似的,均采用了多次混频体制。但是软件无线电的中频带宽较宽，且一次混频后的变频均在DSP中实现，所有调制解调等功能均由软件来实现，比普通超外差中频数字化接收机更灵活，功能更强。尽管和理想的软件无线电有一定差距，这已是短波软件无线电的最

8、佳选择。 （3）虚拟无线电结构 虚拟无线电是软件无线电的一个新的发展趋势。虚拟无线电利用工作站(或者高速PC机)的强大计算能力取代DSP来完成所有数字信号处理。 虚拟无线电以A/D变换为划分界线，整个系统分为子卡和工作站两个部分。子卡部分用于获得射频信号的采样数据，将射频信号模拟下变频到中频，然后对中频信号进行采样。采样后的数据流经过工作站上的GuPPI（通用PCII/O）接口被送入内存缓存区。为了满足实时数据处理的要求，这里采用DMA（直接存储接入）技术，数据流直接送入内存缓存区，无需经过设备驱动程序和操作系统功能的处理。然后，工作站中的软件无线电应用模块对内存中的采样数据流进行处理，完成软

9、件无线电技术中DSP所能完成的功能。 （三） 软件无线电的关键技术1、 宽带/分频段天线软件无线电台要求能够从短波到微波相当宽的频段内进行工作，最好能研究一种新型的全向宽带天线，可以根据实际需要用软件智能地构造其工作频段和辐射特性。目前的可行性方案是采取组合式多频段天线。2、多载波功率放大器（MCPA） 理想的软件无线电在发射方向上把多个载波合成一路信号，通过上变频后，用一种MCPA对宽带的模拟混合信号进行低噪音放大。因为混合信号中信号与信号的包络幅度相差很大，所以对放大器的非线性特别敏感，MCPA 采用前向反馈技术抑制不需要的互调载波，得到有效的功率利用。需要很好地选择器件并使用电路CAD

10、优化技术。3、高速宽带A/D ，D/A 变换 A/D 的主要性能是采样速率和采样精度，理想的软件无线电台是直接在射频上进行A/D 变换，要求必须具有足够的采样速率。根据Nyquist 采样定理，要不失真的反映信号特性，采样频率f s至少要是模拟信号带宽Wa的两倍。为保证性能，在实际应用中常进行过采样处理，要求f s 2. 5Wa。根据目前研究结果，其中一种解决方案是，可用多个高速采样保持电路和ADC，然后通过并串转换将量化速度降低，以提高采样分辨率。4、高速并行DSP数字信号处理（DSP） 芯片是软件无线电所必须的最基本的器件。软件对数字信号的处理是在芯片上进行的。中频以下主要包括三部分：基带

11、处理、比特流处理和信源编码。基带处理主要是完成各种波形的调制解调，扩频解扩以及信道的自适应均衡和各种同步的数字处理，每路需要几十到几百个MIPS 的处理能力。比特流处理主要完成信道编解码（软判决译码） 、复用或分解或交换、信令、控制、操作和管理以及加密解密等功能，每路需要几十个MIPS 的处理能力。信源编码要完成话音、图像等的编码算法、每信道需要十几个MIPS的处理能力。要完成如此巨大的信号处理运算，必须采用高速多个DSP 并行处理结构才有可能实现。5、软件无线电的算法软件的构造，自然是把对设备各种功能的物理描述建立起数学模型（建模），再用计算机语言描述的算法，最后转换成用计算机语言编制的程序

12、。三、无线技术在医疗上的应用（一） 无线局域网概述1、 无线局域网无线局域网是指利用无线传输介质（无线电、红外或激光）的局域网。无线局域网的应用为用户提供了方便的移动通信能力、扩展了网络用户的自由，解决了与线路有关的各种问题并且可以节约部署和维护的费用。无线局域网发展至今，其传输性能已经达到54Mbps甚至更高，现今常用的无线局域网产品普遍采用IEEE802.11b、IEEE802.11n标准，应用了DBPSK、PPCC、CCK、OFDM等技术进行调制，最为重要的是无线局域网采用专为工业、科学、医疗预备的ISM频段，产品制造商和使用者不需要特别申请频点就可以使用。当今无线局域网的数据传输速率可

13、以达到11Mbps54Mbps，完全可以满足数据，语音甚至视频传输的需求。采用ESSID、MAC地址控制以及有线对等加密（WEP）三种方式，对无线局域网的安全进行了控制。如今，技术相对成熟的无线局域网产品正在广泛地被应用在工业、科研、教育、医疗等行业，尤其在医疗卫生系统中，无线局域网更加提高了医疗工作的效率，并使医疗工作得到更好的效果。2、 无线局域网的连接方式无线局域网的连接方式可以分为无线网桥连接方式（无线桥接）和无线覆盖两种。在医疗系统中主要采用无线覆盖的技术将无线信号覆盖到医院的各个角落，应用无线桥接将不同医疗单位的网络进行连接。无线覆盖是应用多个无线接入点（APAccess Poin

14、t）将医疗单位的建筑区域进行类似窝蜂小区的覆盖，用户使用带无线网卡的笔记本电脑或者PDA接入无线局域网，再通过局域网接入有线网络。无线桥接是通过无线链路将两个或几个局域网络连接起来的技术。无线局域网通信属于微波通信。通过无线局域网的微波设备，可将不同的网络进行连接。无线接入点（AP）有专用桥接设备，有专用室内覆盖设备，还可用同时兼有覆盖和桥接两种功能的设备。通过连入两个网络的多个AP以及天线、放大器、射频线缆等设备可以连接室外3050公里的不同网络。无线局域网的设备主要有无线网卡、无线接入点（AP）、微波天线、功率放大器、射频线缆等设备，这些设备均可以做无线覆盖和无线桥接。（二） 医疗行业的无

15、线需求随着医院计算机网络的普及和网络医疗管理系统的完善，许多医院建立了功能强大的医疗信息管理系统(如HIS、PACS等)，医护人员可以通过计算机接入有线网络访问这类管理系统，并实现医生查房、病人监护、药剂师配药和分发、医疗设备管理和实时监控、药品库存管理、病人档案和病例查阅等功能，计算机也成为医院人员工作中不可缺少的工具。目前，很多医院的计算机都是放置在各部门或科室的固定位置，甚至在病房中放置计算机，通过计算机综合布线系统组成医院管理系统网络。这种固定部署计算机的方式存在终端设备移动不方便，信息点固定等局限性，制约了医院信息管理系统发挥更大的作用。如何利用计算机网络更有效的提高管理人员、医生、

16、护士、及相关部门的协调运作，是当前医院需要考虑的问题。无线局域网(WLAN)技术以其终端可移动性、接入灵活方便等特点在医院的应用彻底打破了这一局限性，使医院更加有效地提高管理人员、医生和护士的工作效率，协调相关部门有序工作。在医疗行业的无线局域网中，各种无线医疗终端也应运而生，比如：PDA移动医护掌上电脑、Wi-Fi无线电话、无线平板电脑、无线条码扫描枪、Wi-Fi RFID标签等。通过应用这些无线终端，医疗人员可以大大节省时间、提高工作效率和降低了工作强度。（三） 医疗行业的相关的无线应用最近几年，无线技术得到了迅猛的发展，各种无线技术设备运营而生。在医疗行业，无线应用发展相当丰富。由于这一

17、行业的特殊性，无线网络的移动性和灵活性在这个行业体现尤为显著。医疗行业的无线应用，根据现有的需要可以分为以下几类：1、无线查房服务医生在查房的过程中，往往需要随时调取患者的诊疗记录或病史等信息，并随时根据患者当时的具体病情下医嘱。无线网络的部署，可以使医生通过随身携带的具有无线上网功能的电脑或PDA，随时查询患者的相关信息。免除了医护人员携带一大堆病例记录本查房诊断的麻烦，帮助他们更加准确、及时、全面的了解患者的详细信息，使医生的查房工作变得简单轻松，而患者也能够得到及时、准确的诊治。2、无线上网服务在医院部署无线网络，不仅方便为病人和医务人员提供无线上网服务，还可以方便的为病人的家属、访客、

18、等提供上网服务。此外，由于医院会和许多供应商合作，为这些供应商的人员提供上网和数据服务也是非常必要的。无线技术的应用可以为各类用户提供便利的上网服务，从而提高医院服务满意度。3、无线追踪和定位服务由于医疗场所以及工作业务的特殊性，医院需要对病人位置、药品以及医用垃圾进行跟踪。确定病人位置可保证病人在出现病情突发的情况下能够得到及时抢救治疗;药品跟踪可使药品使用和库存管理更加规范，防止缺货以及方便当药品召回;定位医用垃圾的目的是明确医院和运输公司的责任，防止违法倾倒医疗垃圾，造成医院环境污染。无线定位则为这些工作提供了快速、准确的服务。带有RFID(射频识别标识)腕带的病人，贴有RFID标签的药

19、瓶和医用垃圾袋，均可通过无线网络的无线定位功能被随时跟踪其位置。其工作原理如图3.3.1所示图3.3.14、无线语音服务（VoWLAN）调查显示，出于对患者健康的考虑，部分医院通过屏蔽移动网络信号限制手机的使用。通过在医院网络实施基于WLAN语音服务，可满足医生对于移动语音通话的需求。只要是在无线网络覆盖到的区域，医护人员在医院的任何地方，通过一部WiFi手机，就可以随时进行无线通话，把手机变成自己的分机。H3C的无线VoIP 和WiFi语音解决方案，可以实现语音和数据业务的整合，在不影响病人健康的同时，降低了高额通讯费用，并保证语音和数据业务的安全。4、无线视频服务现在，很多医疗设备上都配备

20、WiFi功能，通过基于802.11n的无线AP，传输速率可达300Mbps以上，配合轮式移动工作站可以随时随地传输检查检验结果或数据，包括放射影像图像。通过安装无线IP摄像头，进行实时监控，在重症监护室(ICU病房)，可以使医生或患者家属时刻掌握病人治疗情况，在停车场和医院的外围，可以保障医院的治安。6、护士呼叫系统过无线IP电话的应用，可以将传统的护士呼叫只能到护士站的方式，改进为护士站和护士随身携带的无线IP电话同时振铃，或者改进为当护士站没有人接听后再转接到护士的无线IP电话上。护士可以看到呼叫者的病床号、能够接听处理，如果在一定的时间内没有接听，系统将向预先定义的上级人员发出通知信息。

21、通过该系统，既可以提高病患的满意度，又可以详细记录工作情况，提高管理透明度。护士呼叫系统的详细说明参见统一通信部分。7、患者服务人佩戴的RFID标签可以持续的监控他所在的位置。 而病人所佩带的医疗遥测系统与无线的定位服务功能结合，一旦遥测系统发出了病情相关的警报，病患的位置信息随同警报和病人的体征信息一起通过无线网络发送到医护人员的无线IP手机上。现有的无线医疗传感设备有遥感心电图仪、癫痫监测仪、呼吸仪等。如图3.3.2所示图3.2.2这样患者有更大的信心恢复，他们知道一旦问题发生将获得立即的救助，医护人员也有更多的行动自由来进行更多的病患护理工作。（四） 无线应用在医疗行业存在的问题1、 无

22、线设备对于医疗器械的干扰一直以来，国内医疗行业对WLAN的使用都比较谨慎。虽然无线网络所带来的移动灵活，部署简单等特点对医院业务的开展非常有帮助，但无线网络设备在工作时是否对医疗设备和病人(特别内置心脏起搏器的病人)存在辐射和干扰等问题，医院始终心存疑虑。无线的标准上，目前包括802.11a（5G频段、54Mbps）、802.11b/g（2.4G频段、11Mbps/54Mbps）、802.11n（5G和2.4G，单个模块理论速率300Mbps）。由于使用2.4G频段的物品比较多，比如蓝牙、微波炉、无绳电话等，所以2.4G频段的干扰源相对较多；5G频段的干扰比较少。所以，更多的无线技术设备往高频

23、率方向发展，虽然减少了相互干扰，但是高频率对人体伤害的辐射性也同样增加了。所以，在医疗行业，要找到一种频段和技术能够实现干扰少辐射低是现在无线技术在医疗领域需要解决的一大问题。2、 无线设备的无缝移动和安全特性通信终端的移动性对于医疗行业是非常重要的。由于工作需要医护人员经常处于移动状态，只有在医院内任何地方随时收到患者的呼叫和病况信息，才能够更好地实现“以病人为中心”的随身医疗服务的理念。WLAN技术是满足医疗移动通讯需求的首选技术，但是医护人员在移动过程中会出现通信掉线现象，因为无线覆盖技术还是存在会受到干扰与信号盲区等问题，在一些信号相对较弱的区域会出现通信异常，如果在这一时段内发生突发

24、性事件会造成无法挽回的后果，需要加强无线设备的无缝移动是实现无线局域网的传输稳定性需要解决的问题。同时，医院的有线网络一般分为内网和外网，但是无线技术本身的限制，使同一区域没法实现部署两套独立的网络，所以在同一区域内，内网和外网只是同一个无线网络，此时，如何保证内网的医疗应用安全，以及互联网Internet服务的接入就变得非常重要，网络安全性也成为了医院所关注的内容。四、3G技术在医疗上的应用（一） 3G技术概述3G是英文3rd Generation的缩写，指第三代移动通信技术。相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、TDMA等数字手机（2G）而言。第三代手机是指将无线通信与国际互联网等

25、多媒体通信结合的新一代移动通信系统。国际电信联盟（ITU）在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000和TDSCDMA三大主流无线接口标准，写入3G技术指导性文件2000年国际移动通讯计划（简称IMT2000）。它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，也就是从话音通信进入多媒体通信时代，相当于固定电话网络从ISDN，MODEM拨号时代进入宽带网络时代。无线网络能够支持高速数据传输速度，就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2 Mbps（兆字节每秒）、384 kbps（千字节每秒）以及144 kbps的传输速度。中国的3G进程

26、比全球慢一些，但是技术水平并不低。3种国际标准之一的TD-SCDMA标准是由中国独自制定的3G标准。该标准将智能无线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。3G时代的到来对于医院的信息基础设施带来新的机会和挑战，3G可以提升医院的信息系统网络层的能力，从而可以进一步丰富应用的发展，从原来有比较昂贵的专用网络提供的业务转向更加便宜和方便的公用网络来提供，从原来只能固定连接的方式转为移动连接，在3G网络逐渐走向成熟的今天，3G技术更是在医疗行业得到更广泛的应用。（二） 3G技术在医疗方面的应用1、 高速移动数据通信

27、在移动环境下的高带宽的接入数据网络，为医院服务提供了更多的服务能力：在紧急救护环境下，在急救现场以及救护车上可以利用公用的3G网络将病患的心电等实时数据传回到医院急救中心，及时给与现场支持和指导；对于一些长期需要监护的病患，佩戴与3G网路互通的随身监护设备，可以及时将病患的生理信息发送到医院，即使提供预警与处理；在临时的医疗出诊等情况下，医生可以通过移动网络接入医院的医疗信息系统获得相关的信息以及及时处理相关事务。Telstra Wireless（澳洲电信无线）执行董事MikeWright表示：“Telstra的3G网络覆盖面广、速度快，令客户享受更佳体验，并让高效的医疗及教育应用程序能得以实

28、践。例如，澳洲皇家飞行医生服务现已使用Telstra的移动数据及视频电话，并成为他们基本医疗用品装备的一部分，借此，工作人员可查阅患者记录及其他必要数据，以做出正常的重要护理决定。而在之前由于网络带宽的限制这些都是不能实现的。2、 流媒体与视频服务移动的视频电话将有助于用户之间的交流，简单病患的观察和处理可以在视频电话的支持下更加方便处理，这样医生可以在流动的环境下加以处理，而患者也拥有更多自由，提升医院的服务范围与灵活性移动流媒体业务的功能是给移动用户提供在线的不间断的声音、影像或动画等多媒体播放，而无需用户事先下载到本地。流媒体还可以提供视频点播/音频点播，这些可以作为医疗教育的节目向医院中等待的病患进行发送，并使其可以根据自己的需要进行选择既是很好的卫生普及服务也是减少病人等待的焦虑，并且适当的加入一些广告宣传内容也是合理的增收办法；并且流媒体的内容也可以作为医院内部教育培训的用途，提升医护人员的学习效率。3、 远程