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作者:徐業良,甘凱文 (2008-02-23)
附註:本文為滄海書局出版「老人福祉科技與遠距居家照護技術」第八章。

第八章 資通訊技術在遠距居家照護系統之應用

資通訊科技的快速發展,對醫療照護的形式帶來很大衝擊,也提供了更方便的工具。結合資通訊科技產生的新興醫療照護形式,近十年來廣泛受到重視,在建置遠距居家照護系統時,也需要對現代資通訊技術及工具有基礎而全面的瞭解。

8.1 通訊技術基本概念

「通訊」意指將聲音、文字、影像、數據等訊號透過介質傳輸於兩地間,包括以實體線材(如電話線、同軸電纜線、光纖等)作為介質,與無線通訊的傳輸方式。傳輸的距離以及傳輸的速度,是有線或無線通訊技術上考量的兩個重點。通訊傳輸的速度通常以“data rate”來表示,意指每秒鐘傳輸之數據量,單位通常會使用kbpskilo bytes per second,每秒鐘傳輸多少kilo byte的數據量)、Mbpsmega bytes per second,每秒鐘傳輸多少mega byte的數據量)等。

無線通訊使用上的便利性當然遠超過有線通訊,近年來無線通訊技術快速發展,成本大幅降低,普遍性也大幅提升是目前通訊技術應用上熱門的發展方向,採用無線方式傳輸數據的醫療與健康監測器材也越來越多。

無線通訊是以電磁波傳輸,圖8-1所示為電磁波頻譜,包含電磁輻射所有可能的波長l與頻率n(每秒鐘內產生相同波形的次數,單位赫茲(Hz)),波長與頻率成反比,其乘積是一個常數(即光速c,如式(8.1))。此外電磁波的能量與頻率成正比,比例係數為「普朗克常數(Planck’s constant)h,即電磁波頻率越高,波長越短,能量越大(式(8.2))。

                                                                                                          (8.1)

                                                                  (8.2)

如圖8-1所示,電磁波依照頻率低至高可分為無線電波、紅外線、可見光、紫外線、χ射線與γ射線等,其中可見光的頻段只是電磁波頻譜中一個很小的部分,約在Hz~Hz(或波長700nm~400nm),而Hz~Hz的無線電波頻段,則是無線通訊所使用的頻段。日常生活中常使用的無線裝置,如收音機的調幅(AM, 535kHz~1.7MHz)與調頻(FM, 88MHz~108MHz)、電視頻道(54MHz~88MHz為頻道第2~6台,174MHz~220MHz為頻道第7~13台)、無線電話(40MHz~50MHz)、手機(900MHz, 1800MHz, 1900MHz),以及全球定位系統(Global Positioning System, GPS, 1227MHz, 1575MHz)等,都使用不同頻率的無線電波頻段。

8-1. 電磁波頻譜

8-2依照傳輸距離的遠近,整理了幾項主要的無線通訊技術類型,包括「無線廣域網路(Wireless Wide Area Network, WWAN)」、「無線都會區域網路(Wireless Metro Area Network, WMAN)」、「無線區域網路(Wireless Local Area Network, WLAN)」、「無線個人區域網路(Wireless Personal Area Network, WPAN)」,以及「近距離無線通訊(Near Field Communication, NFC)」等,將在後續章節一一介紹。

8-2. 無線技術種類與通訊距離

建置遠距居家照護系統所需要的通訊技術,大致分為近端傳輸與遠端傳輸兩個部分。圖8-3是一個遠距居家照護系統典型通訊架構圖,居家端感測裝置所量測到的生理訊號,透過特定的通訊協定,以有線或無線的方式傳送到居家資料收集裝置,如手機、個人數位助理(Personal Digital Assistant, PDA)、機上盒(set-top box)、個人電腦(Personal Computer, PC)等,再以這些裝置當作對外傳送的「通訊閘道(gateway)」,透過標準的通訊協定,以有線或無線的方式傳送到遠端的健康資料庫進行資料儲存與分析。而照護人員則使用手機、PDAPC等通訊裝置,以有線或無線的方式從資料庫讀取所需的生理資訊。這裡所謂「通訊協定(communications protocol)」,是指規範在通訊裝置之間傳送資訊時所使用的資料格式,以及傳輸確認、錯誤檢查的一套標準規則,簡單的說,通訊裝置之間必須共同遵守事前定好的通訊協定,才能可靠地發送、接收資料,且能正確闡釋所傳輸資料的內容。

8-3. 遠距居家照護系統典型通訊架構

以下將針對遠距居家照護系統可能使用的資通訊技術,包括近端和遠端的傳輸技術以及相關資訊安全標準及法規等,做基礎性的說明。

8.2 近端生理訊號傳輸技術

如前節所述,遠距居家照護系統近端感測裝置所量測的生理訊號,如血壓值、血糖值、心電圖等,必須以單筆或連續傳輸方式,將訊號傳送至使用者家中的資料收集裝置,再以這些裝置作為對外傳送的通訊閘道,將資料傳送到遠端的資料庫。目前最常使用在生理訊號量測裝置(如血壓計、血糖計等)與資料收集裝置之間的有線通訊介面,主要包括RS-232USB,因為多數資料收集裝置都以電腦為基礎,而RS-232USB都是電腦所具備的基本通訊介面。

RS-232是一種串列式通訊介面,是目前市面上生理訊號量測裝置最常使用的有線傳輸通訊介面。RS-232由美國電子工業協會(Electronic Industry Asociation, EIA)所制定,因此也稱為EIA-232C,其中RS表示「推薦標準(Recommend Standard)」,232為其代碼,C則代表所公布RS-232最快的傳輸速度為115.2kbps,傳輸距離最長可達60公尺。

USB(Universal Serial Bus)也是目前市售生理訊號量測裝置常見的有線傳輸通訊介面,是1995年由CompaqDigital Equipment Corp.IBMIntel Corp.Microsoft Corp.NECNorthern Telecom等七個公司所組成的聯盟所定義的傳輸標準。USB提供電腦周邊標準化的介面,可隨插即用(plug and play)及熱插拔(hot swapping),同時也可以透過USB對低耗電裝置供電,不需使用外接電源。USB傳輸速度比RS-232快得多,依據不同公布時間可區分成USB 1.1USB 2.0種版本,分別有三種傳輸速度,如表8-1所示。

8-1. 不同版本USB傳輸速度對應表

 

USB 1.1 host control

USB 2.0 host control

相容

USB 1.1

USB 2.0

USB 1.1

USB 2.0

低速

1.5Mbps

1.5Mbps

1.5Mbps

1.5Mbps

全速

12Mbps

12Mbps

12Mbps

12Mbps

高速

12Mbps

12Mbps

12Mbps

480Mbps

無線通訊技術帶來的便利性,在遠距居家照護系統的應用上有明顯的優勢。近端的生理訊號量測裝置與資料收集裝置之間的通訊連結,可能應用之無線通訊技術包括近距離無線通訊(NFC)、無線個人區域網路(WPAN)、以及無線區域網路(WLAN)等三類,技術選擇的主要考量包括其耗電量、傳輸速度、傳輸距離、及資料傳送的可靠度。

(1)   近距離無線通訊(NFC)

NFC是一種近距離或接觸式的無線通訊技術,是目前發展中的新興技術,由NokiaSonyPhilips三家公司所共同推動,其使用頻段為13.56MHz,傳輸距離約0.2公尺,傳送資料速率有106kbps212kbps424kbps三種可供選擇。NFC是由無線射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)技術發展而來,而NFC元件架構比單純RFID更為強大,包括安全晶片、NFC通訊晶片與感應天線,使得NFC能進行非接觸式點對點資料傳輸,也能夠讀取或寫入非接觸式卡片或RFID標籤。

NFC具備完整的非接觸式智慧卡之功能,目前應用上主要將門禁卡、有VisaWavePayPass功能的信用卡、悠遊卡等功能,整合於消費性電子產品如手機或PDA中,市場上已有商品化產品,提供更加便利的生活。NFC技術在遠距居家照護系統的應用上還不常見,但RFID則已廣泛應用在藥品管理及病患追蹤管理上。

(2)   無線個人區域網路(WPAN)

無線個人區域網路利用短距離、低功率無線傳輸技術,連接個人隨身的行動應用裝置,如資訊周邊裝置、手機、PDA、筆記型電腦等,進行資料的傳輸與交換,主要是針對距離10公尺以內的區域網路所制定的通訊協定。

紅外線是早期發展的短距離無線傳輸技術,利用直線光波進行傳輸,相互傳輸點之間不能有任何阻隔或其他電子設備干擾,傳輸角度也受到限制。IrDA(Infrared Data Association)1993年由HPIBMSharpSONY50家廠商在美國建立的標準,主要在整合資訊周邊紅外線傳輸裝置,建立統一傳輸標準。近年來在IrDA組織的努力下,紅外線傳輸距離已從1公尺提升到5公尺以上,傳輸速率最快可達16Mbps,傳輸角度更由30度擴展到120度。紅外線傳輸最常被應用在家用電器的遙控器,也應用於桌上型電腦、筆記型電腦、數位相機、行動電話及PDA等數位產品之資料傳輸。

近幾年來WPAN的無線通訊技術也被大量應用於家庭使用之生理訊號量測裝置,其中更以IEEE 802.15系列短距離無線通訊技術,包括藍牙(Bluetooth)ZigBee以及UWB(Ultra-Wide Band)等為主流。

IEEE 802.15.1藍牙(Bluetooth)通訊技術

藍牙技術最早由Ericsson創定,後來由Sony EricssonIBMIntelNokiaToshiba等業界龍頭共同創立SIG(Special Interest Group),制定藍牙通訊技術標準。藍牙傳輸使用2.4GHz的頻段,傳輸距離約10公尺,新技術已可達100公尺,傳輸速度可達3Mbps,有低功率、高可靠度、高安全性及擴充性佳等優勢,此外藍牙傳輸不受物體屏蔽影響,無傳輸角度之限制,為全向性傳輸。

藍牙技術應用範圍多為手機、PDA、電腦、滑鼠、鍵盤、印表機、MP3及相機等設備間之無線通訊,可說是目前最普及之WPAN技術。在遠距居家照護系統中,藍牙也是最為廣泛應用的通訊技術之一,許多生理訊號量測裝置皆結合藍牙傳輸介面,可方便連結手機、PDA、電腦等同樣具有藍牙功能之裝置,傳送生理資訊。

IEEE802.15.4 ZigBee低功率無線通訊技術

ZigBee是一項新興的無線傳輸技術,具有低成本、低耗電、小體積、容易佈建等特色,非常適合短距離、低資料量的無線傳輸。ZigBee使用頻段為2.4GHz,傳輸距離約數十公尺(取決於輸出功率和環境參數),傳輸速度10kps~250kbpsZigBee支援大量網路節點與多種網路拓撲(星形、樹形、網狀等三種通訊架構),每個ZigBee裝置都可以擔任中繼路由器(intermediate router),彼此透過多重跳點(multi hop)的方式傳遞資訊,可用於佈建「無線感測網路(Wireless Sensor Network, WSN)」,應用在數位家庭控制、安全監控、環境資訊收集等領域,在遠距居家照護系統的應用上也有非常大的潛力。

IEEE 802.15.3a UWB(Ultra-WideBand)超寬頻無線通訊技術

UWB就是過去所稱的「隱形波」,是由美國軍方為了要避免通訊遭竊聽與監聽所研發的技術。由於UWB是利用極短的脈衝訊號來傳遞數據,這些脈衝所佔用的頻寬高達幾GHz,因此最大傳輸速度可高達幾百Mbps,且發送功率很小,耗電量相對低,是具備低耗電與高速傳輸優勢的無線個人區域網路通訊技術,曾被視為未來在大量資料傳輸與影像多媒體傳輸技術的主流。UWB的傳輸範圍為10公尺內,平均傳輸速率為110Mbps,距離短時可高達480Mbps。但是由於相關政策與法規問題,UWB的發展並不順利,應用亦不廣泛。

(3)   無線區域網路(WLAN)

無線區域網路採用由IEEE所制定的802.11無線網路標準,提供室內低移動率之高速無線傳輸服務,常用於建立家庭或建築物內之無線區域網路,提供筆記型電腦或安裝有無線網路卡的資訊裝置無線上網。IEEE 802.11包括使用2.4GHz頻段的802.11b/g,以及使用5GHz頻段的802.11a,最大傳輸速率可達54Mbps,表8-2為三者之比較。IEEE 802.11常被統稱為“Wi-Fi”,實際上Wi-Fi是一個無線通訊相容認證標誌,1999年工業界成立了Wi-Fi聯盟(Wi-Fi Alliance),目的為推動一個全球公認的高速無線區域網路標準,並提供產品認證,凡通過Wi-Fi聯盟認證的無線通訊產品皆可貼上“Wi-Fi”標籤,確保不同製造商的無線區域網路產品能夠彼此互通。

8-2. IEEE 802.11無線通訊標準之比較

項目\規格名稱

802.11a

802.11b

802.11g

核訂時間

19997

19997

20036

頻段

5GHz

2.4GHz

2.4GHz

最高傳輸速度

54Mbps

11Mbps

54Mbps

傳輸距離

100m

>100m

>100m

優點

電波不易受干擾

低成本

兼容802.11b

缺點

802.11b/g不相容

電波易受干擾

電波易受干擾

在遠距居家照護應用上,近端生理訊號傳輸技術已經相當成熟,但仍有許多問題需要被克服。例如生理訊號量測裝置在進行資料傳輸時並無共通之通訊規範與標準,不同公司所生產之器材設備往往無法相互溝通,也無法相容於醫療院所之資訊系統,且資料傳輸之安全性亦待規範。目前已有許多組織,如Continua Health AllianceBluetooth Medical Device Working Group等,正在制定可讓醫療器材互相溝通之規範與標準。

Continua Health Alliance是由Intel公司在20066月創立,由全球多家電子公司、醫療機構及醫療器材公司等所共同組成的開放性產業組織,著眼於未來之健康、疾病管理和老年人保健系統的市場,相關醫療、保健器材都必須能夠相互連結,並透過個人電腦、手機等資訊設備連結到網路。為促進醫療系統與服務相容性,Continua Health Alliance正著手制定相關通訊規範與標準,例如在Continua Health Alliance2008年初公布的首版指南中,定義了特殊用途的藍牙與USB,以作為連結血壓計、血糖機、各式感測器及監視器等家庭醫療、保健設備之傳輸介面。

8.3 遠端健康資料傳輸技術

前述的RS-232USB兩種傳輸介面局限於短距離資料傳輸,長距離資料傳輸,如病患家中的資料收集裝置與後端的健康資料庫間之資料連結,需要一個穩定且傳輸距離遠之通訊方式。目前家庭中最常見的有線傳輸介面為傳統電話線,稱為「普通老式的電話服務(Plain Old Telephone Service, POTS)」或「公共交換電信網路(Public Switched Telephone Network, PSTN)」。以標準電話線來傳送資料,其缺點為傳輸速度慢(上限為56kbps,且收發資料的同時,使用者無法接聽電話,而優點則在於傳統電話線是很普遍的系統,相當容易取得與使用。

家庭中網際網路環境也日益普及,如「整合服務數位網路(Integrated Services Digital Network, ISDN)」與「非同步數位用戶專線(Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL)」是相似的通訊網路,兩者均以電話線路作為媒介來傳輸數位資料,國內又以ADSL為家庭網際網路環境的主流。家庭中使用ADSL進行資料傳輸的同時,使用者仍可撥接電話,傳輸速度也比PSTN來的快,資料下載速度最快可達9Mbps,但使用ADSL每月必須額外支付月租費用。家庭環境中另一種常見的實體有線網路為「纜線數據機(cable modem)」,以有線電視線路作為媒介來傳輸數位資料,傳輸速度為512kbps~5Mbps。表8-3為家庭環境中常用的這幾種有線網路傳輸速度之比較

8-3. 有線網路傳輸速度之比較

有線網路

資料傳輸速度

POTS/PSTN

<56kbps

ISDN

64kbps~1.5Mbps

ADSL

128kbps~9Mbps

Cable Modem

512kbps~5Mbps

廣域的無線通訊技術方面,主要包括無線都會區域網路(WMAN)和無線廣域網路(WWAN)兩種,分別介紹如下。

(1)   無線都會區域網路(WMAN)

WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)是近年來非常受到重視的無線都會區域網路技術,或譯為「全球互通微波存取」。WiMax傳輸距離長(在空曠地區理論上可達50公里),傳輸速度快,被視為未來可取代目前以ADSL等固定式有線網路,為「最後一哩(last mile)」高速連線服務之可能方案。WiMAX的標準規格為IEEE802.16(如表8-4),由於其高速傳輸與傳輸範圍廣等特性,對於通訊基礎建設不足的地區,也可提供通訊服務,對個人、家庭與企業的行動化將有很大助益,在遠距居家照護系統的應用上也有很大潛力。我國國家通訊傳播委員會(NCC)也在20077月核准發放了6WiMax營運執照。

8-4. IEEE 802.16之比較

 

使用頻段

傳輸距離

傳輸速度

模式

IEEE 802.16

10GHz~66GHz

1.6公里~4.8公里

32 Mbps ~134Mbps

固定式

IEEE 802.16d

3.5 GHz5.8GHz

6.4公里~8.6公里

75Mbps

固定式

IEEE 802.16e

2.5 GHz3.5GHz

1.6公里~4.8公里

15Mbps

移動式

(2)   無線廣域網路(WWAN)

無線廣域網路又稱為「行動數據網路(mobile data network)」,包含了行動電話、呼叫器、行動衛星通訊等,傳輸範圍可以跨越國家或不同城市間之網路。目前常見的行動數據網路包括GSMGlobal System for Mobile Communications)GPRS(General Packet Radio Service)3G3.5G等。

早期使用GSM(8.6kbps)GPRS(64~115kbps)傳輸數據速度太慢,3G(114kbps~2Mbps)3.5G(384kbps~3.6Mbps)則有足夠的頻寬提供多種類型、高品質多媒體服務,且可以全球漫遊移動。3G行動數據網路在2.7GHz工作頻率之下,車行時速90公里時,傳輸速率可以達144kbps,步行速度的傳輸速率達384kbps,室內或固定時的傳輸速率可達2Mbps,而3.5G加上了HSDPA(High Speed Download Packet Access)高速下行分組接入技術功能,讓下載速度加快。

行動電話早已成為最普及、最方便的個人通訊工具,遠距居家照護系統的設計也多以行動電話為查詢健康資料和傳送緊急訊息之平台,甚至生理訊號量測設備也開始採用行動數據網路直接傳輸生理訊號至健康資料庫,而不須經由家中的資料收集裝置,更可達到「無所不在的照護(Ubiquitous Care, UCare)」。

8.4 醫療資訊系統相關規範

資訊系統應用在醫療保健領域越來越廣泛,也是遠距居家照護系統中很重要的一環。本節中概略介紹醫療資訊系統幾個有代表性的規範與通訊協定,包括HIPAAHL7DICOM等。

美國在1996年所提出的「醫療保險可攜性與責任法案(Health Insurance Portability and Accountability Act, HIPAA)」,是為了讓被保險人因換工作而必須轉換保險公司時,可以順利移轉其相關病歷資料,而訂定的重要法案[Centers for Medicare and Medicaid Services, 1996]。其中對於醫療資訊系統的規範主要提出了安全規則(security rule)與隱私規則(privacy rule)二個議題。

(1)    安全規則

HIPAA在健康資訊系統的安全防護上,規範了實體安全防護(physical safeguards)、技術安全防護(technical safeguards)、行政管理安全防護(administrative safeguards)以及通訊安全防護(communication safeguards)等四個層面,而這些防護機制的目的皆是為了確保健康資料的完整性(integrity)、保密性(confidentiality)與可用性(availability)

(2)    隱私規則

隱私權是電子醫療資訊交換、應用中最受大眾關注的焦點。為了避免在轉換被保險人資料的過程中,危害到被保險人的隱私權,HIPAA在隱私權方面規範得非常詳盡,其重要精神是“病歷或健康資料屬於病患個人所有”。HIPAA規範保護的健康資訊(Protected Health Information, PHI)包括了與醫師交談內容、儲存的資訊,以及任何形式溝通或紀錄資料,例如紙本紀錄、電子資料、病人名牌、影片、底片等,保障範圍包括由醫院、健康照護提供者、健康資訊交換所(health clearinghouse)所持有的個人醫療紀錄或健康資訊,而對於不當的醫療紀錄公開或利用,也建立相關的賠償與刑罰[Department of Health and Human Services, 2002]

除了HIPPA對醫療資訊系統安全及隱私的規範之外,為了讓各醫療院所的醫療電子資訊能夠互通與共享,就必須有相關的「電子資料交換(Electronic Data Interchange, EDI)」之資通訊協定,其中最重要的兩個協定為「醫療資訊標準第七層(Health Level 7, HL7)」與「醫學數位影像傳輸(Digital Imaging and Communications in Medicine, DICOM)」相關資訊協定。

HL7出現於1987年,主要的目的是建立一套在各個醫療資訊系統間的資訊交換標準,此一資訊交換標準的主要內容有病患管理系統、醫囑登錄系統、檢驗及診斷報告系統、財務管理系統等,使不同醫療機構的應用系統間能夠進行重要資料的交換和溝通[Health Level Seven Inc., 1994]。我國目前醫療資訊交換標準是採用HL72.2版,這個版本的標準內容涵蓋了病患住院、出院、轉診、醫囑、財務管理、醫師主檔、觀察報告等醫療資料傳輸規範的定義。

HL7是以訊息方式傳遞資料,在這架構下的電子病歷交換是以字串編碼方式進行傳輸,病歷資訊皆包含在字串訊息中,發送與接收兩端必須具備編碼(encode)、解碼(decode)能力才能完成資料交換。HL7是一套嚴謹及開放的統一標準,讓醫療資訊能共同遵循並應用,容許不同系統在交換資料及數據取得快速且一致,HL7也清楚定義病患的個人基本資料與其相關的各項資訊,並對傳送資料的內容、資料形式及必要性皆有詳細規定,使得各系統在接收到HL7訊息之後可以迅速解碼並加以處理。

DICOM則是一種傳送醫學影像資料的共通傳輸標準協定,由美國放射學會(American College of Radiology, ACR)和國家電子製造商協會(National Electrical Manufacturers Association, NEMA)爲主所制定的數位化醫學影像傳送、顯示與儲存的標準。任何廠牌的醫療儀器,只要符合這個標準,皆可以相互交換資訊。藉由DICOM傳輸標準協定可以使「醫學影像儲存傳輸系統(Picture Archiving and Communication System, PACS)」更靈活的進行儲存、查詢,對於醫療院所所有的醫療檢查儀器的影像圖檔,可加以整合與管理。

PACS基本功能在管理電子病歷中的文字檔與圖形影像檔,而圖形影像檔包含了X光片、超音波掃描儀圖形報告、電腦斷層掃描(Computer Tomography, CT)報告、核磁共振掃描(Magnetic Resonant Imaging, MRI)報告、心電圖檢查報告、內視鏡檢查等,PACS將這些圖形影像正確儲存,使醫師對於醫療影像資料查詢及取得更加快速及正確,相對的醫院也可以減少X光片的存放空間與管理,減少後續洗X光片的耗材(如底片、藥水)和人事成本開支。利用DICOM傳輸標準協定,可使不同的醫療人員可以在不同的地點檢閱同一份醫療影像報告,達到同步會診的目的,此外還可利用此系統進行臨床影像教學、病例討論、治療計畫,甚至於對病人家屬進行病情的解釋與教育。

8-4DICOM的編碼格式,一個資料元素(data element)是由TagVR(Value Representation)Value LengthValue所組成,Tag為一組數字,用來表示欄位的編號,VR表示此欄位的資料型態,Value Length則是表示Value欄位中之資料長度,Value則是表示這欄位所實際儲存的文字、數值、或圖形資料。數個資料元素組成的集合稱為資料集(data set),而整個DICOM檔案就是以資料集方式在各電腦間進行資料互換[National Electrical Manufacturers Association, 2004]

8-4. DIOCM編碼格式