Testarea și evaluarea comunicațiilor wireless în instalații și aplicații medicale
În centrele medicale, trebuie gestionate cantități mari de date – de la imagini la text – ceea ce duce la o cerere crescută pentru gestionarea eficientă a datelor, partajarea și coordonarea mai rapidă a informațiilor medicale și îmbunătățirea comunicării între profesioniștii din domeniul sănătății, atât în interiorul, cât și în afara acestor centre.
Pentru a răspunde acestor nevoi, unitățile medicale digitalizează procesele administrative și datele medicale și implementează comunicații wireless prin tehnologiile wireless LAN și Bluetooth®.
Bluetooth, cu caracteristicile sale de economisire a energiei, este o soluție potrivită pentru dispozitivele purtate de pacienți și pentru dispozitivele medicale care transmit și primesc cantități mici de date. Exemplele includ pulsoximetre, tensiometre, termometre, electrocardiografe și electroencefalografe.
Rețeaua LAN wireless oferă comunicații wireless de mare viteză pentru transmiterea imaginilor și a înregistrărilor video, fiind ideală pentru echipamente precum endoscoape și aparatură radiografică.
O altă tehnologie întâlnită în unitățile medicale – WMTS (Wireless Medical Telemetry System – sistem wireless de telemetrie medicală) – utilizează benzi de frecvență dedicate pentru a reduce la minimum interferențele radio. Acesta monitorizează datele vitale ale pacienților, cum ar fi ritmul cardiac (ECG), ritmul respirator, temperatura corpului și nivelul de oxigen din sânge al pacienților spitalizați, pe un ecran central amplasat în zona de lucru a asistentelor medicale. Echipamentul transmite semnale radio către ecranul central pentru afișare, prin intermediul unui sistem de antene amplasat în camera pacientului.
Probleme legate de comunicațiile dispozitivelor medicale
Comunicațiile wireless sunt ideale pentru pacienții care poartă senzori prin care se colectează date biometrice, deoarece acestea elimină cablurile pentru transferul de date și facilitează configurarea, adăugarea sau relocarea dispozitivelor. Pot apărea, însă, probleme precum întreruperi ale comunicațiilor sau scăderea vitezei de transmisie.
O problemă majoră în cazul rețelelor LAN wireless este suprapunerea canalelor radio utilizate de mai multe dispozitive. Cea mai mare parte a dispozitivelor acceptă banda de 2,4 GHz din spectrul de frecvențe utilizat de această tehnologie. Treisprezece canale sunt stabilite la intervale de 5 MHz, de la 2412 MHz la 2472 MHz. Deoarece lățimea de bandă a canalului este de 20 MHz, pot fi utilizate doar trei canale la intervale de 5 canale, pentru a evita interferențele de la canalele adiacente, de exemplu 1ch, 6ch și 11ch. În plus, într-o unitate medicală, interferențele pot proveni și de la echipamentele de la etajele superioare și inferioare.
Creșterea numărului de dispozitive
Figura 1: Configurarea canalelor de 2,4 GHz și lățimea de bandă a canalelor. (Sursă imagine: Anritsu)
O altă problemă majoră este creșterea numărului de dispozitive care se bazează pe tehnologia LAN wireless. Există un număr mare de dispozitive LAN wireless în unitățile medicale, printre care PC-urile și tabletele utilizate de medici și de personal. Totodată, pacienții își aduc diverse dispozitive, precum telefoane inteligente și console de jocuri portabile, care pot produce interferențe radio sau pot supraîncărca rețeaua. Excesul de dispozitive în rețea duce la dificultăți în stabilirea unei conexiuni wireless și la viteze reduse ale comunicațiilor.
Cea mai frecventă problemă pe care o întâmpină dispozitivul WMTS este lipsa conexiunii wireless datorată semnalului radio prea slab. Cauzele includ tensiunea scăzută a bateriei emițătorului, poziția necorespunzătoare a antenei, interferențe de la alte echipamente fără fir sau surse de zgomot, precum și atenuarea semnalului determinată de modificări în amenajarea spațiului și de elemente suplimentare care afectează propagarea semnalului.
Identificarea problemelor în domeniul comunicațiilor wireless
Problemele privind comunicațiile wireless în unitățile medicale se datorează în principal interferențelor și atenuării, care pot provoca a funcționare defectuoasă a echipamentelor medicale sau întreruperi ale comunicațiilor. Deoarece acest lucru poate pune în pericol siguranța pacienților, este important să se identifice și să se rezolve cauzele acestor probleme. Comunicațiile wireless pot fi identificate urmând un set de procese:
- Utilizați o măsurătoare simplă pentru a verifica puterea semnalului radio. Într-o rețea LAN wireless, se verifică și numărul de puncte de acces care pot recepționa datele.
- Pentru semnalele radio care nu sunt suficient de puternice, rearanjarea echipamentului radio sau schimbarea poziției obiectelor care ar putea acționa ca obstacole în calea propagării radio ar putea îmbunătăți puterea semnalului radio.
- Dacă problemele persistă, în ciuda faptului că puterea semnalului este suficientă, verificați dacă există interferențe. Pentru identificarea interferențelor potențiale și căutarea sursei poate fi utilizat un analizor de spectru.
- După identificarea sursei de interferență, analizați cum puteți rezolva această problemă.
Figura 2: Exemplu de măsurare a mediului de propagare a undelor radio într-o rețea LAN wireless utilizând un software gratuit. (Sursă imagine: Anritsu)
În figura 2 este prezentată o metodă simplă de măsurare bazată pe utilizarea unui software gratuit pentru a verifica intensitatea semnalului LAN wireless. Fiecare formă de undă este asociată cu un nume de rețea (SSID) și cu un canal wireless.
Pentru aplicațiile WMTS, monitorul central al WMTS este echipat cu o funcție simplă de analizor de spectru care permite măsurarea intensității semnalelor radio recepționate.
Dacă intensitatea semnalului radio într-o rețea LAN wireless sau WMTS se dovedește a fi suficientă conform rezultatelor măsurătorilor simple, dar problemele legate de comunicație persistă, se presupune că sursa problemei ar fi interferența undelor radio emise de alte dispozitive.
Identificarea interferențelor și a sursei acestora
Combinarea unui analizor de spectru cu antene proiectate pentru banda de frecvență radio analizată permite detectarea și vizualizarea semnalelor radio care provoacă interferențe în aceeași bandă de frecvență, pe lângă semnalele radio WMTS și cele ale rețelei LAN wireless.
În cazul în care puterea radio este suficientă, dar comunicațiile sunt compromise, se utilizează un analizor de spectru în timp real (RTSA) pentru a surprinde variațiile tranzitorii și instantanee ale frecvențelor radio în locul în care a apărut problema wireless. Acesta verifică atât intensitatea semnalului, cât și interferențele. Sunt necesare măsurători multiple în momente diferite, deoarece condițiile de propagare radio variază în funcție de ziua săptămânii, de ora din zi, chiar și de starea ușilor, deschise sau închise.
Figura 3: Exemplu de condiții de semnal radio măsurate cu ajutorul unui RTSA. (Sursă imagine: Anritsu)
În exemplul prezentat în figura 3, se observă semnale pe canalele 1, 3, 6 și 8 ale LAN wireless, trei dintre acestea suprapunându-se cu alte unde radio mai puternice. Sunt prezente vârfuri abrupte datorate dispozitivelor Bluetooth și semnalelor radio de origine necunoscută în gama de frecvențe superioare. Aceste semnale radio pot fi considerate a fi problematice, mai ales dacă echipamentul LAN wireless poate fi mutat într-un alt loc unde aceste alte semnale radio dispar sau sunt diminuate, iar comunicațiile se îmbunătățesc.
Patformă mobilă pentru testare
Odată confirmată prezența undelor interferente, se poate utiliza o platformă mobilă dotată cu un analizor de spectru alimentat cu baterii și o antenă acordată pe frecvența semnalelor radio vizate, pentru a restrânge zona în care apare interferența. Pentru controlul secvenței de măsurare și înregistrarea rezultatelor se utilizează un laptop. Platforma este deplasată în funcție de planul etajului secției pentru a măsura intensitatea interferențelor în mai multe puncte. Deoarece este posibil ca sursa să nu se afle pe același etaj, măsurătorile sunt efectuate la etajele superioare și inferioare, precum și în clădirile adiacente.
Sursa interferențelor poate fi identificată prin orientarea unei antene cu directivitate înaltă în mai multe direcții. Unele analizoare de spectru dispun de o funcție care indică intensitatea semnalului radio recepționat prin sunet (variații de ton și volum), facilitând localizarea sursei chiar și în absența unui afișaj sau a datelor. Sursa de interferență poate fi validată prin oprirea alimentării sau acoperirea cu o folie conductoare pentru a vedea dacă interferența dispare.
Perspective de viitor pentru asistența medicală wireless
Standardele wireless continuă să evolueze pentru a oferi viteze și capacități mai mari. De exemplu, dispozitivele conforme cu standardele Wi-Fi 6E și Wi-Fi 7 vor permite reducerea timpilor de transfer pentru datele medicale și monitorizarea în timp real a imaginilor de înaltă precizie. Tehnologia 5G rapidă și cu latență redusă, combinată cu o rețea LAN wireless mai rapidă, va depăși limitele de distanță cu care se confruntă dispozitivele și serviciile medicale.
Combinând comunicațiile mobile 5G cu fibre optice prin cablu este posibil schimbul de imagini de înaltă definiție, cum ar fi 4K și 8K, în timp real – contribuind la extinderea telemedicinei. De exemplu, telemedicina care utilizează această tehnologie poate, de asemenea, să partajeze imagini video ale pacienților în timpul transportului de urgență și să ofere asistență medicală îmbunătățită în zonele izolate. Testele demonstrative de chirurgie la distanță au început, printre altele, să utilizeze roboți pentru a realiza actul chirurgical.
Odată cu accelerarea comunicațiilor wireless, tehnologiile de realitate virtuală (VR), realitate augmentată (AR) și realitate mixtă (MR) devin din ce în ce mai răspândite. Denumite generic XR, aceste tehnologii pot fi utilizate pentru examinări medicale, educație, asistență chirurgicală și recuperare. De exemplu, AR/XR pot confirma poziția corectă a organelor și a vaselor de sânge ale pacientului obținute prin CT și alte echipamente de diagnosticare imagistică pentru a îmbunătăți eficiența chirurgicală și educațională.
Concluzie
Interferența este o problemă majoră de care trebuie să se țină seama atunci când se proiectează rețele wireless pentru aplicații medicale. Pe măsură ce tehnologia wireless avansează și spectrul devine mai aglomerat, problemele legate de interferențe vor fi mai complexe și vor trebui atenuate prin teste ample și proiectare atentă. Anritsu oferă o gamă largă de echipamente de test și o experiență vastă în testarea și evaluarea rețelelor wireless pentru instalații și aplicații medicale, inclusiv seturi de testare Bluetooth și WLAN, analizoare de spectru, VNA-uri și monitorizare a spectrului până la sisteme de testare a comunicațiilor, RAN și 5G. Mai mult, Anritsu este bine poziționată pentru a furniza produse pentru testarea și evaluarea standardelor Wi-Fi și 5G Advanced emergente, care vor fi predominante în anii următori.
Ca parte esențială a infrastructurii IT a unei unități medicale, tehnologiile de comunicație wireless din viitor vor necesita adoptarea de tehnologii care să ofere, de exemplu, conexiuni rapide, fiabile și stabile pe distanțe scurte și lungi, latență scăzută, securitate completă, viteze mari de transfer de date și video în timp real.
Echipamente de testare pentru comunicații wireless în instalații și aplicații medicale
Field Master MS2080A Figura 4 Analizoare de spectru Real-Time. (Sursă imagine: Anritsu)
Field Master Pro MS2090A
Anritsu oferă două analizoare de spectru portabile: Field Master MS2080A, care poate măsura frecvențe de la 9 kHz la 6 GHz și are o lățime de bandă RTSA de 40 MHz și Field Master Pro MS2090A, care are o gamă de frecvențe de la 9 kHz la peste 9 GHz și o lățime de bandă RTSA de 110 MHz.
Pentru investigarea interferențelor este disponibilă o gamă variată de antene; Anritsu, cunoscută pentru echipamentele sale de testare și antenele de înaltă performanță, oferă soluții specifice pentru acest tip de investigație.
Autor: Kazuichi Ichikawa, Assistant Manager
