医疗领域中的通信技术综述_通信技术综述

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医疗领域中的通信技术综述

摘要：本文主要介绍常见的有线通讯技术和无线通讯技术以及网络技术在医疗仪器设计中的应用。主要介绍了串行通讯、并行通讯、USB接口以及蓝牙技术、HomeRF技术、无线网络通讯、GPRS技术等的原理和其在医学仪器设计的应用。关键词:串行通讯；并行通信；USB接口；红外技术；蓝牙技术；GPRS

随着科学技术的不断发展，各种高端技术已经在医疗设备的研制上得到了广泛的应用，其中就包括了日新月异的通信技术。本文将从有线通信和无线通信两个方面介绍各种通信技术在医疗设备领域中的应用。

1、有线通讯

1.1、串行通信接口

串行通讯是指数据一位一位顺序传送的一种通讯方式，其突出的优点就是可以节省传送线的条数，特别适合长距离通讯。现在许多医疗仪器都采用串行通讯。其第二个优点就是控制编程简单，适用于对数据传输速率要求不高的场合。传输速率为1200~12800bps。

1.2、并行口通信

在计算机的标准外设中，并行打印口是使用非常方便，且易于扩展的I/O口。标准的PC机打印口由一个25芯的D-Shell连接器提供TTL 输入和输出信号。共占用PC机的3个I/O地址。打印口有12条输出线和5条输入线可以使用，它们决定了接口时的选址能力和读入数据的形式。对8位或者更高位数据的读入，可以使用74LS157等数据选择器将其分成4位一组后分别读入。另外，为防止高频信号的不稳定性对数据传输的影响，可以采取以下措施：(1)在程序中插入适当的延迟。信号的高速变化可能会导致数据读取错误，插入适当的延迟后，可以使信号达到稳定。在使用较长的连接线时，这是非常需要的，如果使用只有几十厘米的连接线，可以不采用插入延迟的方法；(2)增加滤波电容。在打印口的I/O线与连接器之间加入滤波电容，可以提高传输的可靠性。

1.3.USB接口通信

USB是英文Univeral Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”。它不是一种新的总线标准，而是应用在PC领域的新型接口技术。早在1995 年，就已经有PC机带有USB接口了，但由于缺乏软件及硬件设备的支持，这些PC机的USB口都是闲置未用的。1997年，微软在WIN95OSR(WIN97)中开始以外挂模块的形式提供对USB的支持，1998年后随着微软在Windows98中内置了对USB接口的支持模块，加上USB设备的日渐增多，USB 逐步走进了实用阶段。

USB 之所以能得到广泛支持和快速普及，是因为它具备下列的很多特点:

（1）使用方便：使用USB 接口可以连接多个不同的设备，支持热插拔，在软件方面，为USB 设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预。USB 设备也不涉及IRQ冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用PC机有限的资源，为用户省去了硬件配置的烦恼。USB 设备能真正做到“即插即用”。

（“）速度加快：快速性能是USB 技术的突出特点之一。USB2.0接口的最高传输率目前可达480Mb/s，比串口快了1万多倍，比并口也快了很多倍。

（G）连接灵活：USB 接口支持多个不同设备的串列连接，一个USB 口理论上可以连接127个USB 设备。连接的方式也十分灵活，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头(Hub)，把多个设备连接在一起，再同PC 机的USB 口相接。在USB 方式下，所有的外设都在机箱外连接，不必打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。USB 采用“级联”方式，即每个USB 设备用一个USB 插头连接到一个外设的USB 插座上，而其本身又提供一个USB 插座供下一个USB 外设连接用。通过这种类似菊花链式的连接，一个USB 控制器可以连接多达127 个外设，而每个外设间距离(线缆长度)可达5m。USB还能智能识别USB 链上外围设备的接入或拆卸。

（4）独立供电：普通使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而USB 设备则不需要，因为USB 接口提供了内置电源。USB 电源能向低压设备提供5V的电源，因此新的设备就不需要专门的交流电源了K从而降低了这些设备的成本并提高了性价比。

（5）支持多媒体：USB 提供了对电话的两路数据支持，USB 可支持异步以及等时数据传输K使电话可与PC集成K共享语音邮件及其它特性。USB 还具有高保真音频。由于USB 音频信息生成于计算机外，因而减少了电子噪音干扰声音质量的机会K从而使音频系统具有更高的保真度。

由于USB 接口有以上优越性，现在基于USB 接口的医疗仪器越来越有前景。逐步取代串行口和并行口的趋势很明显。广泛用于高速数据采集处理系统，如：脑电波分析系统，心电分析系统，高速图形传输等

2、无限通信模式

2.1射频技术

射频技术经过长期的发展, 其基本模式已经固定。从大的功能单元看, 主要由接收、发射2个单元组成,包括: 射频前端的信号处理网络、用于产生标准混频或时钟参考信号的本振、以VCO(或类似电路)为核心的射频信号发生网络、用于产生高质量且稳定可控的频率合成器(PLL)网络。发射部分包括: 信号调制或信号变换调制网络;接收部分包括: 变频、鉴相或鉴频以及具有类似功能的混合型网络, 其它部分则为基带信号的处理。随着数据变换器和DSP的进步, 这本身又促使无线通信设备的结构发生重大变革, 出现人们称之为的 “软件无线电”。对RF级的数字化, 是最具优点的, 提高接收灵敏度、无寄生动态范围、提高抗干扰性能等方面指标, 在RF链路的某一级进行数字化。

2.2 红外数据通信技术

红外通讯技术是一种点对点的数据传输协议, 是传统设备之间连接线缆的替代。它的通讯距离一般在0～1m之间, 传输速率最快可达16Mbps, 通讯介质是波长为900nm左右的近红外线。红外通讯技术的特点: 它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术, 被众多的硬件和软件平台所支持;通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。主要是用来取代点对点的线缆连接;新的通讯标准兼容早期的通讯标准;小角度(30°锥角以内), 短距离, 点对点直线数据传输, 保密性强;传输速率较高。目前4M速率的FIR技术已被广泛使用, 16M速率的VFIR技术已经发布。

2.3 蓝牙技术

蓝牙(Bluetooth)是由东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚于1998年5月共同提出的近距离无线数据通讯技术标准。它能够在10m的半径范围内实现单点对多点的无线数据和声音传输, 其数据传输带宽可达1Mbps。通讯介质为频率在2.402～2.480GHz之间的电磁波。蓝牙通讯技术的特点: 蓝牙工作在全球开放的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段;使用跳频频谱扩展技术, 把频带分成若干个跳频信道(hop channel), 在一次连接中, 无线电收发器按一定的码序列不断地从一个信道 “跳”到另一个信道: 一台蓝牙设备可同时与其它7台蓝牙设备建立连接;数据传输速率可达1Mbit /s;低功耗、通讯安全性好;在有效范围内可越过障碍物进行连接, 没有特别的通讯视角和方向要求;支持语音传输;组网简单方便。反观红外通讯技术,它具有技术成熟、成本低廉、兼容性好和通讯速率较高的特点,而且已经获得了广泛的软硬件支持并且正在被普遍使用。

3.远距离传输技术

许多情况下，远程医疗是需要长距离传输数据的，这就需要用到远程传输技术。远程传输可以采用有线的方式，如程控电话线，也可采用无线的方式，如GSM移动电话。随着INTERNET的迅速发展，利用INTERNET传输将得到越来越广泛的应用。

3.1电话线远程传输

随着现代通讯事业的发展，电话已经得到非常广泛的应用。由于电话线路的广泛分布，利用电话线传输距离远、费用少，使用方便，是一种很好的远程传输方式。目前，利用电话线传输数据的方法一般分为模拟和数字2种。迄今为止，已有很多公司生产了能实现电话线数据传输的调制解调器芯片。电话线远程传输技术已经广泛应用于远程会诊，远程心电信号传输，但由于带宽限制逐步被其他新技术所取代。

3.2 INTERNET远程传输

INTERNET 近年来飞速的发展，注定了它将是未来通讯的方向，医学仪器连入INTERNET也将是大势所趋。INTERNET从本质上说，是一个连接全世界的计算机

通讯网，它的传输媒质多种多样，可以是电话线、光纤、同轴电缆、卫星、微波等等。对于基于PC机的医学仪器来说，WINDOWS操作系统内置了对INTERNET的支持，我们可以用开发工具直接调用对INTERNET的操作，实现与INTERNET的连接，在INTERNET上实现不限距离的数据传输。对于基于单片机的医学仪器来说，连入INTERNET则比较困难，因为对网络协议的支持需要大量系统资源，所以一般来说必须是32位单片机才具备这样的能力。这种情况导致很多可以用8位/16位机完成的设计，为了加入连网功能，而不得不采用32位机。现有可用的方法：嵌入式MODEM、网络协议处理器、EMIT技术。

3.3 通过GSM传输数据

采用GSM网络进行传输，由于GSM是一个现存的成熟的网络，所以我们可以完全不考虑无线、射频的设计，传输的距离也可延伸至GSM 网络能达到的地方，使用非常方便，而且费用低廉。通过GSM传输数据可以采用常规电路交换和GPRS 2种方式。总之，随着通讯技术和网络技术的不断发展，医疗仪器的设计也逐步走向高速、无线和远程化。因此，掌握最新通讯技术对一个医学工程人员很重要。参考文献：

1.诸强, 王学明, 胡宾等.无线远程医疗系统[J].北京生物医学工程, 2004, 3(23): 225-227.2.丁明石, 吕扬生.采用移动通信技术的远程医疗研究进展[J].医疗设备信息, 2003, 18(12): 29-32.3.陶安顺.通信网络原理及其应用.北京: 人民邮电出版社, 2000

4.3 谭扬林.数字通信原理.北京: 人民邮电出版社, 1998