Chapter5 远程医学仪器设计

第五章

面向通信与网络的接口技术远程医学仪器设计Telecare&TelemedicineSpecialistreferralservicePatientconsultationsRemotepatientmonitoringMedicaltele-education与传统医疗相比的优势经济方便，解决看病难、看病贵及时权威用途广泛平衡资源远程医疗Telemedicine使用远程通信技术和计算机多媒体技术提供医学信息和服务包括远程诊断、远程会诊及护理、远程教育、远程医学信息服务等所有医学活动为患者提供优质医疗服务，以提高全民医疗保健水平，大幅度降低全社会的医疗保健费用支出。国外这一领域的发展已有近40年的历史，在我国时间很短。Datamonitor,2006AccordingtoresearchreportsfromindependentmarketanalystgroupDatamonitor,theworldwidemarketforclinicaltelemedicineisexpectedtogrowatarateof9.9%overthenext5years,theoverallglobaltelehealthmarket(includinghometelehealth)willexceed$8billionby2012(Chang,2007),andU.S.spendingontelehealthisexpectedtoreach$4.5billionby2010—agrowthrateof64%,annually.远程家庭卫生保健Tele-Homecare第一代：个人报警系统，危重呼叫电话第二代：可穿戴传感技术第三代：基于智能家庭的虚拟社区医疗环境WearableWearableConsult瑞士信贷预测，未来2-3年，可穿戴技术市场规模将由目前的30-50亿美元增长至300-500亿美元，未来3-5年终端复合增速将不低于50%。目前我国可穿戴设备市场仍处于起步阶段，但未来的市场增量空间巨大。艾媒咨询发布的《2013中国可穿戴设备市场研究报告》显示，2012年中国可穿戴设备市场规模达到6.1亿元，预计到2015年中国可穿戴设备市场规模将超过100亿元，达到114.9亿元。第二代：可穿戴传感技术源于对病人较长时间段内进行实时监护的需要可以实现长达几周甚至数月的实时监护小型化仪器、移动式计算机技术的发展使穿戴式生物传感系统呈现出长足进展的趋势SmartshirtHospitalNetworkRobotSurgeryPuma560daVinci

生理信号远程传输协议DICOM美国VITAL欧洲MDDLIEEE10735.2医学仪器通信接口设计长距离传输电话（程控）通信网移动通信网GSM、GPRS、CDMA、3GWWW短距离传输串行通信RS-232，1394，USB无线局域网Wi-Fi802.11a/b/g/nHomeRF蓝牙Blue-tooth红外通信IrDA以无线通信为主，采用灵活的通信模式。5.2.2无线局域网WLAN

医学信息无线传输的必要性和可能性

WLAN是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。以无线多址信道作为传输媒介，利用电磁波完成数据交互，实现传统有线局域网的功能。安装便捷：布线简单，只需要安装一个或多个无线访问点(accesspoint，AP)就可覆盖整个建筑的局域网络，而且便于管理、维护。高移动性：在无线局域网中，各节点可随意移动，不受地理位置的限制。易扩展性：无线局域网有多种配置方式，每个AP可支持100多个用户的接入5.2.2无线局域网WLANIEEE802.11,

Wi-Fi（WirelessFidelity）IEEE802.11802.11eQualityofServiceEDCFparameterizedQoSandHCFpolling-basedQoS802.11iSecurityRobustSecureNetwork:(1)AESEncryption,(2)EAPAuthentication802.11hDFS/TPCRadardetectionandavoidanceforEuropeanoperation802.11fInter-AccessPointProtocolCommunicationbetweenAPsforroamingandhandover802.11kRadioResourceManagementImprovedphysicallayermanagementandreportingIEEE802.11n（2009年）a/b/g之后的下一代标准提供到300Mbps甚至高达600Mbps的速度MIMOOFDM技术，提高了无线传输质量，也使传输速率得到极大提升采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天线阵列，覆盖范围可以扩大到好几平方公里，使WLAN移动性极大提高。采用软件无线电技术，一个完全可编程的硬件平台，使得不同系统的基站和终端都可以通过这一平台的不同软件实现互通和兼容MIMO无线局域网协议数据链路层MAC 介质访问控制层

物理层PLCP

物理层会聚协议子层PMD 物理介质相关子层物理层——扩频技术信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。频带的展宽通过编码及调制的方法实现，与所传信息数据无关很强的抗干扰能力可进行多址通信安全保密抗多径干扰直接序列扩频DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息伪随机编码调制信号相关处理跳频扩频FrequencyHoppingSpreadSpectrum,FHSSCSMA/CA协议(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoid

)

同一时间只有一个设备可以传输数据，否则发生数据包冲突当感应到传输介质空闲>=DIFS，立即启动传输当传输介质繁忙，传输延迟到本次传输结束+DIFSADIFSFrameBFrameCDDIFSdeferdeferdeferCWindowDIFSFrameCWindowDIFSFrameDIFSFrame5.2.3蓝牙Blue-tooth短距离（约10m，Bluetooth4.050m）、点到多点的数据和语音传输的射频规范BSIG（BluetoothSpecialInterestGroup）创建于1998年9月。在全球消费者对于主流传输技术的认知程度和整体印象中，蓝牙以85％高居榜首，排在第二位和第三位的分别是57％的ＵSB和53％的Wi-Fi。蓝牙的名字来源于10世纪，丹麦国王Harald

Blatand，英译为HaroldBluetooth工作频段2.4GHz；功耗2.5mW；传输速率3MbpsPiconet&Scatternet蓝牙无线组网支持移动联网不需要使用物理线路，安装非常简便，成本低、体积小，可用于更多的设备。网络使用的高频电波可以穿透墙壁或玻璃窗，所以设备可以在有效范围任意放置。多层安全防护措施可以确保用户隐私。改动网络结构或布局时，不需要对网络进行重新设置。技术要点解决蓝牙与WiFi及其他潜在干扰源共存时相互间的干扰适应性跳频技术(AFH)时分多路复用(TDM)根据信道质量确定数据速率(CQDDR)扩展型同步定向连接信道(eSCO)蓝牙协议栈所有应用都要使用蓝牙技术规范中的数据链路层和物理层尽可能利用现有的各种高层协议不是任何应用都必须使用全部协议（1）基带协议基带协议确保各个蓝牙设备之间的射频连接，以形成微微网络。（2）链路管理协议（LMP）负责蓝牙各设备间连接的建立和设置。LMP通过连接的发起，交换和核实进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组大小；还控制无线设备的节能模式和工作周期，以及微微网络内设备单元的连接状态。（3）逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）是基带的上层协议，可以认为L2CAP与LMP并行工作。L2CAP与LMP的区别在于当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务。（4）服务搜索协议使用服务搜索协议（SDP），可以查询到设,备信息和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。蓝牙假肢两个假肢的踝部装有蓝牙接收器，该装置可以互相沟通，协调它们的行动步调，并保持一致的速度、方向及力量。它们之间互相模仿，互相借鉴，用于控制步幅。蓝牙假肢可以上坡，下坡。它们之间可以有不同的速度，但是通过蓝牙控制器则尽量使两者保持协调一致。据患者Bieill表示，当他决定慢下来，就会给自己的大腿施加阻力，这样两只腿就会逐渐慢下来。本来这种概念性的蓝牙假肢是为仅失去一条腿的患者设计的，但是在Bieill身上测试发现，也同样适用。他现在还在使用手杖，但是他希望能够通过锻炼去掉手杖的帮助。5.2.4红外通信InfraredDataAssociation,IrDA低功率、定向型、短距离、点对点工作频段：3.409～3.529×105GHz半双工，通讯距离1m左右速度：2.4kbps~115.2kbpsIrDAvs.Bluetooth都是短距离无线接入技术都能实现安全可靠、低功耗、低成本的话音、数据及视频的传输采用的电磁波频段不同导致完全不同的信号传播特性障碍物移动WIFIIEEE802.11b，11Mbps，100m与Bluetooth工作在同一频段——干扰问题蓝牙的功耗非常小

所以适合

手机近距离的小文件传输；

wifi

速度高

距离远

是连接互联网的。DICOMDigitalImagingandCommunicationsinMedicine数字医学影像的交换标准，医学图像存储与传输标准目前包括16个不同的部分，描述DICOM协议的格式，指定其兼容性由美国放射性协会(ACR)和美国电气制造商协会(NEMA)所组成的DICOM标准联合委员会制定DICOM支持各种影像设备如：MRI，CT，PET，超声，显微镜等涵盖了大多数医学影像设备的图像格式受到世界范围的医院和医学影像诊断中心的广泛接受DICOMFILEFormatDICOMHeaderFrames:2Rows:256Columns:256Bitsstored:8794Bytes1131072Bytes1131072Bytes目的--推动不同制造商的设备间数字图像信息通信标准的建立。--促进和扩展图片归档及通讯系统(PACS)，使它可以与其它医院信息系统进行交互。--允许广泛分布于不同地理位置的诊断设备创建统一的诊断信息数据库。AllrelevantinfoaccessiblePart1ofDICOMstates…

“TheDICOMStandardpertainstothefieldofMedicalInformatics.Withinthatfield,itaddressestheexchangeofdigitalinformationbetweenmedicalimagingequipmentandothersystems.Becausesuchequipmentmayinteroperatewithothermedicaldevices,thescopeofthisStandardneedstooverlapwithotherareasofmedicalinformatics.However,theDICOMStandarddoesnotaddressthebreadthofthisfield.”DICOM标准文件引言与概述兼容性信息对象的定义服务类的描述数据结构及编码数据字典消息交换消息交换的网络通讯支持消息交换的点对点通讯支持数据交换的存储介质与文件格式介质存储应用说明用于介质交换的物理介质和介质格式点对点通信支持的打印管理灰度图像标准显示功能安全措施和系统管理标准内容参考资源解释信息固定对象的网络存取DICOM

Objects

ServicesDICOM-Objects最小的信息单元Selfcontainedfile由文件头和内容组成文件头包含大量文本信息，用以说明内容的类型DICOM中信息对象的定义称为IODInformationObjectDefinition属性列表（强制的，可选的和有条件的）相关的属性组成模块InformationModelInformationObjectsDefinition(IOD)DefinitionofinformationtobeexchangedNormalizedorcomplexi