Từ vài thập kỷ trước, các kỹ sư và nhà khoa học đã sử dụng rộng rãi hệ thống giao tiếp truyền thông cũ trong ngành công nghiệp y tế như HPIB hoặc một số hệ thống bus nối tiếp như Profibus, CAN bus,…
Trong thời đại hiện nay, công nghệ ngày càng phát triển đặc biệt là trong lĩnh vực truyền thông mở trong ngành công nghiệp y tế. Xu hướng này được phát triển để chuyển sang giao thức TCP/IP là bus nội bộ thay vì các thiết kế truyền thống như GPIB, Profibus, CAN bus.
Tiếp cận cấu trúc mở đang dần phổ biến trong ngành công nghiệp y tế. Hầu hết toàn bộ nhà sản xuất thiết bị đều sử dụng hệ thống bus mới nhất cho giao diện giao tiếp mở cho sản xuất thiết bị.
Kết nối bus mới nhất là kết nối rất thông minh bởi nhiều lý do như dễ cắm và chạy thiết bị, thiết bị ngoại vi Universal Serial Bus (USB), kết nối tốc độ cao như IEEE 1394 và card điều khiển mạng tốc độ cao.
2.1.1. Những ứng dụng mới của bus trong ngành công nghiệp hiện nay
Từ 10 năm qua, ứng dụng các kết nối bus mới là rất chậm trong ngành công nghiệp so với hệ thống bus truyền thống. Ngày nay trong ngành công nghiệp, những bus như IEEE 1394, Ethernet Controller và Universal Serial Bus (USB) được sử dụng trong quy mô rộng.
Universal Serial Bus (USB) và bộ điều khiển Ethernet sử dụng như kết nối bus tiêu chuẩn cho thử nghiệm và ứng dụng đo lường trong ngành công nghiệp. Tuy nhiên, như chúng ta biết công nghệ được phát triển từng ngày, vì vậy nó là cơ hội khá tốt để sử dụng những loại thiết bị có hỗ trợ bus trong tương lai như công cụ thử nghiệm và kiểm soát đo lường trong một khoảng thời gian dài.
Công nghệ mới trong các hệ thống bus của phần cứng là một lý do để sử dụng GPIB (bus giao diện mục đích chung) trong ngành công nghiệp hiện nay cho việc điều khiển thiết bị và cho kết nối mạng. Các GPIB được thiết kế để điều khiển thiết bị và hy
vọng nó sẽ được dùng trong nhiều năm để thử nghiệm và ứng dụng đo lường trong ngành công nghiệp.
Đối với công nghiệp sản xuất Personal monitor system(PMS), số lượng lớn các máy PMS cũ sử dụng hệ thống bus truyền thống. Vì vậy, các nhà sản xuất như National Instrument đưa ra được thiết bị bắc cầu với sự hỗ trợ của GPIB, người dùng có thể kết nối hệ thống bus mới nhất với các hệ thống bus cũ. Các sản phẩm này giúp người sử dụng dễ dàng kết nối bus công nghệ mới nhất vào các hệ thống cũ sau đó các thiết bị có thể cắm và sử dụng với sự hỗ trợ của công nghệ bus mới và cũng được sử dụng để kiểm soát thiết bị kiểm tra và hệ thống đo lường trong ngành công nghiệp.
Những sản phẩm bắc cầu giúp kết nối các hệ thống giám sát bệnh nhân cũ đến với hệ thống mạng lưới bệnh viện hiện tại. Có một số sản phẩm bắc cầu có sẵn trong ngành công nghiệp dùng cho kiểm tra và đo lường của các thiết bị.
2.1.2. GPIB điều khiển bên phần cứng
Đặc điểm của Bộ điều khiển Ethernet với GPIB:
• Tương thích với Windows Vista, Windows XP và Windows 2000
• Hệ thống mạng sẽ tạo trang chủ và chia sẻ lên đến 14 thiết bị GPIB với các mạng khác nhau
• Giao thức cấu hình động máy chủ (DHCP) và cũng có thể chỉnh cấu hình địa chỉ IP và nó tương thích với 10BASE-T và 100BASE-TX
• Điều khiển một mạng TCP/IP Ethernet dựa trên chuẩn IEEE 488 2.1.3. Từ bộ điều khiển Ethernet tới GPIP điều khiển tốc độ cao
Đặc điểm của USB GPIB điều khiển:
• Dựa trên chuẩn IEEE 488.1, tốc độ truyền tải lên tới 1,8 Mb/giây • USB tốc độ cao tương thích với USB 1.x
• Không yêu cầu kết nối cáp GPIB, có tính năng “cắm là chạy”
• Tương thích hoàn toàn với Windows Vista, Windows XP, Windows 2000, Windows Me, Windows 98, Mac OS X, và Linux IEEE 488.2
Đặc điểm của USB GPIB điều khiển:
• Dựa trên chuẩn IEEE 488.1, tốc độ truyền tải lên tới 1,8 Mb/giây • USB tốc độ cao tương thích với USB 1.x
• Không yêu cầu kết nối cáp GPIB, có tính năng “cắm là chạy”
• Tương thích hoàn toàn với Windows Vista, Windows XP, Windows 2000, Windows Me, Windows 98, Mac OS X, và Linux IEEE 488.2 9
2.1.5. Tiếp cận phần mềm linh hoạt trong hệ thống cấu trúc mở
Khả năng tương thích phần mềm luôn là một vấn đề quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất thiết bị đặc biệt là khi các thế hệ bus mới nhất được giới thiệu. Trong ngành thiết bị y tế, việc phát triển hệ thống giao diện nhiều nhà cung cấp đang ngày càng phổ biến trong thời gian gần đây. Phần mềm có thể duy trì khả năng tương thích với bus mới cũng như bus cũ, trong khi với ngành thiết bị y tế hiện nay, việc sử dụng duy nhất một phần mềm tiêu chuẩn dành cho tất cả các thiết bị là một hướng đi đúng đắn.
Hiện nay những tiêu chuẩn được đưa ra là Nền tảng thiết bị ảo (IVI Foundation) và Cấu trúc phần mềm thiết bị ảo (VISA). IVI được phát triển vào năm 2001. Họ cho các nhà cung cấp phần mềm, phần cứng, dụng cụ và hệ thống đa cung cấp cho các cấp độ tương thích làm thành viên. Vì vậy, hiện nay trong ngành công nghiệp hầu hết các nhà cung cấp sử dụng IVI và VISA để giảm thiểu chi phí của người dùng cuối, đặc biệt khi người dùng có nhu cầu tương thích với hệ thống bus mới.
Mục đích chính của tiêu chuẩn hóa phần mềm là để duy trì sự tồn tại trên thị trường của sản phẩm và tính sẵn có càng lâu càng tốt. Cụ thể là:
• Dễ dàng sử dụng các thiết bị có hiệu suất tối ưu .
• Tăng cường và duy trì khả năng tương thích lâu dài của các thiết bị thuộc nhiều nhà cung cấp.
• Phần mềm hỗ trợ cho hệ thống cấu trúc mở cho nhiều nhà cung cấp . • Tái sử dụng phần mềm cũ và mới với nhiều nhà cung cấp.
Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch hệ thống giám sát bệnh nhân
2.1.6. Tổng quan về kết nối mạng trong hệ thống trung tâm giám sát bệnh nhân
Do đặc tính hệ thống có sự kiểm soát của trung tâm, hệ thống monitor trung tâm đặt vấn đề kết nối mạng cục bộ lên một mức rất cần thiết. Để duy trì liên tục, không bị trễ, tính phản hồi cao, thực thi lệnh theo thời gian thực, các khung thông tin sử dụng trong hệ thống phải được tối ưu hóa theo các chuẩn được đưa ra bởi nhà sản xuất. Bên cạnh đó, các thiết bị hỗ trợ cấu hình mạng cũng cần phải đáp ứng đầy đủ yêu cầu được đưa ra.
2.1.7. Hệ thống giám sát bệnh nhân sử dụng một máy chủ
Trong CMS, máy chủ kết nối với các máy khách tại giường bệnh thông qua các thiết bị mạng và có quyền truy cập tới tất cả chúng. CMS có nhiệm vụ ghi lại và quản lý
dữ liệu bệnh nhân theo thời gian thực. Máy chủ được cài hệ điều hành chuyên dụng như Windows NT Server, Windows 2008 hay Linux…
Trong hệ thống giám sát bệnh nhân sử dụng một máy chủ có 3 loại máy chủ:
• Các máy chủ tập tin có chức năng quản lý dữ liệu đa thông số theo thời gian thực ở các giường bệnh khác nhau.
• Các máy chủ ứng dụng có chức năng như một cơ sở dữ liệu, ngoài ra chúng còn được sử dụng để lập trình và nâng cấp các máy theo dõi ở giường bệnh.
• Các máy chủ in được dùng để in dữ liệu từ tất cả các máy khách trong hệ thống.
Hình 2.2 Hệ thống trung tâm quản lý bệnh nhân
Những vấn đề phát sinh với hệ thống giám sát bệnh nhân sử dụng một máy chủ
Trong thời đại công nghệ hiện nay, các hệ thống quản lý từ xa đang trở nên phổ biến. Vấn đề của các hệ thống này là việc lưu trữ dữ liệu và nguy cơ quá tải đối với máy tính trung tâm.
Ngày nay, mạng nội bộ trong các bệnh viện đều được kết nối với hệ thống thông tin bệnh viện (HIS). Thông thường, máy chủ có một số đĩa cứng để lưu dữ liệu của các máy khách. Nếu máy chủ bị sập hoặc đĩa cứng bị lỗi, toàn bộ hệ thống giám sát bệnh nhân sẽ bị ảnh hưởng cục bộ.
Xuất phát từ thực tế này, các nhà nghiên cứu đã “chia nhỏ” hệ thống để tránh việc quá tải dữ liệu. Đó là việc đưa mạng đồng đẳng (Peer-to-Peer network) vào để giải quyết những vấn đề trên.
Mạng đồng đẳng không phải là một khái niệm mới, thậm chí còn là khá cũ trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Bản chất của các mạng đồng đẳng là chia sẻ và lưu trữ dữ liệu ở các máy chủ hệ thống trong mạng, từ đó tránh gây ra việc quá tải. Mạng tồn tại dưới dạng các nút mạng được kết nối với nhau, cho phép thực thi dữ liệu giữa các mạng một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Các nút mạng của mạng đồng đẳng không có điểm gốc và được dùng như các chu trình xử lý lý tưởng, lưu trữ dữ liệu và băng thông của các nút mạng qua mạng.
Trong PMS, theo một nghiên cứu mới của kĩ sư Lê và đồng nghiệp, họ đã phát triển một ứng dụng mô tả hoạt động của mạng đồng đẳng, có thể tương thích với các cảm biến về thân nhiệt, huyết áp và điện tim. Nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình tham chiếu PARM, giúp truyền thẳng dữ liệu từ giường bệnh đến máy chủ ở bệnh viện đó, cho phép các bác sĩ có thể phản ứng kịp thời trước các tình huống khẩn cấp.
Ban đầu họ xây dựng một mô hình nhỏ để thử nghiệm, sau đó phát triển thành những mô hình lớn hơn dựa trên PARM. PARM có tiềm năng phát triển để trở thành hệ thống chăm sóc y tế điện tử, giúp giảm chi phí khám chữa bệnh do sử dụng mạng đồng đẳng.
2.1.8. Mạng đồng đẳng với hệ thống giám sát bệnh nhân
Mạng đồng đẳng có những ưu điểm như: kết nối đơn giản, chia sẻ dữ liệu dễ dàng và đặc biệt là chi phí thấp hơn hệ thống sử dụng một máy chủ. Với việc sử dụng mạng đồng đẳng trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, hiệu quả công việc sẽ được nâng lên: cải thiện việc chăm sóc bệnh nhân, cân đối tổng chi phí và giảm nhẹ các công việc bằng tay, đơn giản như thông tin bệnh nhân có thể được lưu trữ bằng hệ thống mạng.
Một số tính năng nổi bật của mạng đồng đẳng ứng dụng trong môi trường bệnh viện:
• Lưu trữ các chỉ số sinh lý của bệnh nhân thay vì viết trên giấy. • Bệnh nhân có thể truy cập trang web để đăng ký thông tin.
• Dữ liệu về bệnh nhân có thể được truy cập bất kì lúc nào và bất kì đâu trên thế giới.
• Các bác sĩ có thể khám bệnh thông qua video thời gian thực.
Hiệu năng của mạng đồng đẳng
Hiệu năng là vấn đề lớn nhất của mỗi mạng đồng đẳng, và đối với CMS, chúng ta cần chia sẻ hay trao đổi một lượng dữ liệu lớn theo thời gian thực. Trong CMS, máy chủ và máy khách sử dụng chung chuẩn dữ liệu.
Mạng đồng đẳng được thiết lập bằng cách kết nối các hệ thống giám sát bệnh nhân với máy chủ thông qua các hub hoặc switch. Mục đích chính của việc này là khi xảy ra sự cố ở một máy chủ thì hệ thống giám sát bệnh nhân và các máy khách vẫn tiếp tục hoạt động bình thường.
Hình 2.3 hệ thống giám sát bệnh nhân đa thông số dựa trên mạng đồng đẳng
Trong mạng đồng đẳng, các máy khách được thiết lập để chia sẻ dữ liệu một cách bình đẳng và có cùng hệ điều hành. Trong PMS, các máy chủ và máy khách đều có quyền gửi và nhận dữ liệu cũng như lưu trữ và chia sẻ chúng. Mỗi máy đều có địa chỉ IP để dễ nhận diện.
Ưu điểm của mạng quản lý bệnh nhân ngang hàng
Mạng đồng đẳng có những ưu điểm rõ ràng như:
• Dữ liệu luôn sẵn sàng: Dữ liệu được phân bố ở các thành phần của mạng, cho phép truy cập liên tục.
• Thời gian lưu trữ dài: Dữ liệu có thể đực lưu trữ trong một khoảng thời gian dài trên hệ thống.
• Dữ liệu được bảo mật: Bảo mật luôn là vấn đề lớn với bất kì mạng nào. Nguy cơ phổ biến nhất là các cuộc tấn công từ chối dịch vụ (DOS) mà trong đó mạng nhận được quá nhiều yêu cầu cùng một lúc gây ra tình trạng tắc nghẽn giống như có virus tấn công. Các cuộc tấn công DOS có thể phá hủy dữ liệu và làm gián đoạn hoạt động của mạng trong một khoảng thời gian nhất định. Trong mạng đồng đẳng, nguy cơ DOS là rất ít do mạng đồng đẳng không có một trung tâm quản lý nào. Ngoài ra, có một số giao thức bảo mật khác cũng hoạt động trong hệ thống như IP-sec, SSL, VPN,…
2.2. Bộ điều khiển mạng chuẩn Ethernet
Trong hệ thống monitor trung tâm, liên kết truyền thông mạng là vô cùng quan trọng. Do đó, việc quan tâm tới cách thức kết nối mạng sao cho hợp lí là vô cùng quan trọng. Tùy thuộc vào tình hình thực tế mà khi lắp đặt sử dụng các thiết bị mạng phù hợp. 2.2.1. Tổng quan về mạng Ethernet
Giới thiệu về Ethernet
Ethernet là công nghệ khu vực nội bộ được sử dụng để kết nối các thiết bị mạng ở khoảng cách gần, được vận hành chỉ trong một toà nhà. Ở mức tối đa, người ta có thể sử dụng hàng trăm mét để kết nối các thiết bị Ethernet. Nhưng để kết nối các thiết bị ở khoảng cách địa lý xa thì không thể. Ngày nay, nhờ những tiến bộ về mặt công n ghệ, người ta có thể xem xét lại trở ngại về mặt địa lý này, cho phép mạng lưới Ethernet mở rộng đến hàng chục kilômet. Gần đây, nó đã có phiên bản 100 Mbps được gọi là Fast Ethernet và 1000 Mbps gọi là Gigabit Ethernet.
Thông số kĩ thuật
Cấu hình truyền thống : Có cấu trúc dạng tuyến phân đoạn, đường truyền dùng cáp đồng trục, tuy nhiên mỗi thành phần của nó có thể là cấu trúc Star ( Star-wired bus). Tín hiệu truyền trên mạng được mã hóa theo kiểu đồng bộ.
Quy cách kỹ thuật 802.3
Vận tốc truyền : 10Mbps,100Mbps,…..10Gbps
Loại cáp : Cáp đồng trục mảnh, cáp đồng trục dày, cáp xoắn đôi, cáp sợi quang. Chiều dài tối đa của một đoạn cáp tuyến là 500m, các đoạn tuyến này có thể được kết nối lại bằng cách dùng các bộ chuyển tiếp và khoảng cách lớn nhất cho phép giữa 2 nút là 2,8km.
Sử dụng tín hiệu băng tầng cơ bản, truy xuất tuyến hoặc tuyến token (token bus),giao thức là CSMA/CD, dữ liệu chuyển đi trong các gói (64 – 1518 byte).
Ngày nay, khái niệm Ethernet thường được sử dụng để chỉ một mạng LAN CSMA/CD, phù hợp với tiêu chuẩn 802.3, đặc điểm :
• Hoạt động ở mức liên kết dữ liệu
• Theo nguyên tắc CSMA/CD cảm biến sóng mang có phát hiện đụng độ • Thành phần chính:
- Phần cứng mạng : Các thiết bị nối mạng . - Giao thức điều khiển truy xuất đường truyền. - Khung Ethernet : Đơn vị dữ liệu truyền trên mạng.
Hình 2.4 Chuẩn IEEE 802.2
Chức năng của chuẩn IEEE802.2:
• Điều khiển truy cập phương tiện truyền (MAC-Địa chỉ MAC có 48 bit) - quy định việc truyền dữ liệu lên phương tiện truyền chia sẻ.
- dựng khung và đánh địa chỉ.
- Liên hệ với các thành phần vật lý được dùng để truyền thông tin. • Kiểm soát kết nối luận lý (LLC)
- Có những chức năng kiểm soát quá trình truyền thông với độ tin cậy cao - Làm cầu nối cho phép giao tiếp chung.
- Nhận thông tin từ tầng mạng ở bên gửi và chuyển đến cổng thích hợp của bên đích.
Hình 2.5 Chuẩn IEEE802.2 trong mô hình TCP/IP
2.2.3. Giao thức CSMA/CD
Để truyền thông tin, mỗi giao tiếp mạng phải lắng nghe cho tới khi không có tín hiệu trong kênh chung, lúc này nó mới có thể truyền thông tin. Nếu một giao tiếp mạng