Appunti di Impianti Ospedalieri

Appunti di impianti a cura di Andrea Armagno

Ingegneria biomedica A.A. 2017 - 2018

Reti di comunicazione

La circolazione di informazione all’interno di reti dedicate è una realtà tecnologica consolidata. Lo schema base della comunicazione è composto da un generatore (o mittente) di informazione, un utilizzatore (o ricevente) dell’informazione, uniti da un canale di trasmissione attraverso cui viene trasferita l’informazione stessa. Sul canale agisce sempre un rumore di disturbo. Lo scopo della tecnologia è mandare a zero l’effetto del rumore.

Il modello di rete fatta di nodi (1. Generatori o sorgenti o emittenti, 2. Utilizzatori o destinatari, 3. Utilizzatori/Generatori, 4. Archivi o depositi) e rami (Canali) è applicabile anche al modello delle reti di comunicazione. Le definizioni sono istantanee (nel senso che un generatore o un utilizzatore puro non può, ad un certo istante, svolgere contemporaneamente le due funzioni, a differenza degli utilizzatori/generatori). Le reti informative possono avere geometrie molto complesse, costituite da strutture tridimensionali, di tipo gerarchico (ad albero) e molto spesso a maglie.

Tra i nodi, i generatori e gli utilizzatori puri si trovano collegati alla rete con un unico ramo, mentre gli utilizzatori/generatori si trovano nelle parti interne delle reti a maglie e svolgono in sostanza la funzione di “ripetitori” dell’informazione.

Reti di comunicazione dell’ospedale

L’informazione circolante negli impianti ospedalieri può essere classificata come:

• Informazione clinica: suddivisibile in bio immagini (refertazione crescente facilitata dall’introduzione dei sistemi PACS, facilitati scambi tra reparti e tra ASL sparse sul territorio), referti di parametri fisiologici, relazioni e diari clinici;
• Informazione tecnico amministrativa: gestione logistica, redazione documenti amministrativi, contabilità (quindi non connesso alla pratica clinica);
• Informazione verso gli utenti: nozioni di tipo pratico (guida fruizione servizi medici) o medico verso i pazienti e i familiari.

Rete telefonica

La telefonia si presenta come l’estensione di un’attitudine individuale umana che è la capacità di stabilire una comunicazione verbale con i propri simili. La comunicazione telefonica tuttavia differisce ancora dalla comunicazione verbale soprattutto per le modalità (come), e per i vincoli di luogo (dove, copertura rete), nonostante gli sforzi tecnologici che comunque hanno portato a garantire quasi totalmente la continuità temporale delle prestazioni della rete telefonica. Tuttavia gli sforzi tecnologici hanno permesso una estensione del dove e quando, che ha dato alla tecnologia telefonica la struttura di una rete.

La rete è costituita da tre componenti principali:

• Centrali di commutazione;
• Reti di collegamento;
• Apparecchi telefonici.

Caratteristiche proprie comunicazione ospedaliera

In quanto struttura sanitaria, l’ospedale fa molto conto sul sistema di comunicazione telefonico, sia per l’organizzazione interna sia per quanto riguarda i rapporti con l’esterno e/o con il resto dell’organizzazione sanitaria. Essenziale è l’accessibilità del personale medico sanitario in genere, che deve essere disponibile alla comunicazione in ogni circostanza. Inoltre anche il paziente ha esigenze di comunicazione sia con il personale medico che con l’esterno (esigenza sostenibile ormai con i telefoni cellulari).

La grande flessibilità di prestazioni offerte dalle reti telefoniche interne collegate alle moderne centrali a commutazione elettronica (PABX: Private Automatic Branch Exchange), può essere sfruttata sempre meglio per fare fronte a tali esigenze. Come tutte le strutture aziendali, anche l’ospedale utilizza la rete telefonica sia per la comunicazione verso l’esterno sia per la comunicazione interna.

Comunicazione con l’esterno

L’ospedale deve essere accessibile 24h/24. L’attività di prenotazione avviene spesso attraverso il CUP (Centro Unico Prenotazione), inoltre si considera in quest’ambito le comunicazioni per reparti di degenza, comunicazioni con pazienti in lista d’attesa, rapporti con ospedali, comunicazioni tecnico amministrative, etc. Tutto questo traffico telefonico passa attraverso il PABX principale dell’ospedale, che può essere l’unico presente oppure il nodo di riferimento di altri PABX locali, dedicati al traffico di un reparto o di un settore particolare.

La decisione di adottare un PABX locale anziché installare apparecchi derivati direttamente dal PABX principale dipende da fattori organizzativi (una ricezione centralizzata o meno delle chiamate telefoniche) o l’esigenza di usufruire di alcuni servizi come ad esempio la chiamata “viva voce” degli interessati. Per contro, oltre ai costi aggiuntivi dovuti alla presenza dei PABX locali, la loro adozione implica l’uso di apparecchi telefonici più complessi (proprio per i servizi che sono in grado di offrire) e quindi di uso non semplice.

La garanzia di accessibilità ai servizi si traduce in difficoltà di accesso telefonico (soprattutto in determinati periodi della giornata, tipicamente in tarda mattinata). Il problema non è di facile soluzione: oltre all’ovvio aumento delle linee in ingresso al PABX, una possibilità è data dall’adozione di PABX dedicati accessibili direttamente dall’esterno (come è il caso della centrale operativa 118). Un’altra possibilità alle limitazioni di accesso per linea occupata è data dall’instradamento della chiamata verso sistemi automatici di risposta (caselle vocali, risponditori con informazioni standard sul funzionamento dei servizi, disponibili sui moderni PABX).

Componenti impianti telefonici

L’apparecchio telefonico, cioè il terminale della rete, svolge le funzioni di:

• Trasmissione del segnale dal chiamante al chiamato (trasduttori meccanoelettrici);
• Trasmissione alle centrali di comunicazione di segnali di richiesta chiamata, identificazione utente, disponibilità utente (sotto forma di segnali elettrici).

La rete telefonica realizza un collegamento diretto tra coppie di utenti (attraverso coppie di conduttori elettrici). Quando il numero degli utenti cresce, il numero dei collegamenti da stabilire cresce in modo quadratico: C=n(n-1)/2 dove C = numero dei collegamenti, n = numero degli utenti. Per raggiungere tutti gli utenti sparsi su un territorio, la rete telefonica li collega in modo radiale alla centrale di commutazione di settore, che a sua volta è collegata con la centrale di distretto, che a sua volta è collegata alle centrali di compartimento e alla rete primaria nazionale sia da collegamenti radiali che trasversali. Si realizza così una rete a maglie a livelli gerarchici.

Parametri di misura delle reti telefoniche

• Durata di occupazione: il tempo totale durante il quale un organo di centrale o un circuito è impegnato per mantenere un collegamento. [t]
• Intensità di traffico: numero n dei collegamenti simultaneamente in corso in un certo istante t. [Erl]
• Traffico (nell’intervallo T): somma delle durate di occupazione dell’intervallo di tempo T. È in sostanza l’integrale di n(t) tra t e T. [t]
• Intensità del traffico: rapporto tra il TRAFFICO e l’intervallo di tempo T su cui è stato calcolato. [Erl]
• Grado di perdita: rapporto tra il numero delle chiamate non inoltrate immediatamente ai destinatari e il numero totale delle chiamate offerte.

In ospedale il grado di perdita diventa massimo tra le 10 e le 13. Come si è detto, il segnale fonico veniva trasformato, nella tecnologia telefonica tradizionale, nel suo analogo elettrico attraverso il microfono. Pertanto, lo spettro di frequenza delle onde sonore del segnale vocale (da 300 a 3400 Hz, circa) era il medesimo del segnale elettrico che veniva prodotto all’uscita del microfono e trasmesso attraverso il circuito telefonico stabilito tra i due utenti. Salvo altri inconvenienti, con questo sistema, per ogni coppia di conduttori era possibile far passare la comunicazione di due soli utenti.

Per ottimizzare le prestazioni dei tronchi di collegamento si adottava la tecnica delle frequenze portanti o vettrici: si effettuava una traslazione dei segnali telefonici analogici che, quindi, potevano viaggiare sulla medesima coppia di conduttori senza interferire tra di loro. Per ognuno dei collegamenti veniva riservata una banda di 3100Hz e la distanza tra le frequenze di inizio di due bande successive era di 4 kHz. I problemi più importanti legati all’adozione di questo metodo sono l’interferenza reciproca e l’attenuazione dei segnali (abbassamento qualità), risolvibili tramite l’adozione di canali fisici differenti dalla classica coppia telefonica: il cavo coassiale, il ponte radio fino alla fibra ottica.

Centrale telefonica

La centrale telefonica ha il compito di effettuare la commutazione telefonica, cioè quel complesso di operazioni che si conclude con il collegamento tra due utenti telefonici. Tali operazioni sono:

• Ricezione della chiamata da parte di un utente che intende collegarsi con un altro utente
• Ricezione dell’informazione relativa all’utente desiderato
• Verifica della esistenza di una linea libera fino all’utente chiamato
• Se la linea è libera, effettuazione della connessione; se la linea è occupata o non risponde, invio dell’opportuna segnalazione al chiamante
• Ricezione del segnale di fine conversazione dai due utenti
• Disconnessione del collegamento tra i due utenti
• Registrazione dei dati per l’addebito.

Le funzioni sopra elencate non sono svolte manualmente (come agli inizi della telefonia), ma da centrali automatiche costituite sostanzialmente da due parti: la rete di selezione (insieme dei collegamenti tra gli utenti) e il sistema di comando, costituito da dispositivi (selettori, permutatori, traslatori), destinati alla realizzazione dei collegamenti richiesti.

Tecnologie digitali in telefonia

Già negli anni ‘70 venne introdotto l’impiego delle reti telefoniche per la trasmissione dei segnali digitali propri della comunicazione informatica (abolizione del confine tra telefonia e informatica). Il fatto di partecipare al più ampio campo della telematica ha reso le reti telefoniche molto più aperte sia alla circolazione di altre forme di informazione (testi, immagini statiche e dinamiche) sia alla integrazione con altre reti (reti radio, televisive, informatiche). A tale fenomeno si dà il nome di convergenza tra le varie tipologie di reti.

Particolare successo è dovuto all’introduzione della commutazione di pacchetto (ITAPAC): essa consiste nel segmentare il messaggio da trasmettere in “pacchetti” che seguono percorsi diversi attraverso la rete (in funzione del traffico) per giungere al destinatario dove un buffer li raccoglie e gli riorganizza. Questo sistema è reso possibile anche grazie all’introduzione dello standard ISDN (Integrated Services Digital Network), sul modello degli standard ISO dell’area informatica.

L’ultimo sviluppo nel campo dei nuovi protocolli a commutazione di pacchetto per le reti telefoniche digitali riguarda la Voice Over IP (VoIP) ovvero il trasferimento di messaggi fonici attraverso la rete con protocolli internet. Tale evoluzione ha però dei problemi tra cui: 1. Il mancato rispetto dei tempi massimi di ritardo nella trasmissione accettabili (limite 150ms) 2. La perdita di pacchetti comunicazione (che non deve superare il 3% del totale) il che incide negativamente sulla qualità della trasmissione della voce.

Prestazioni componenti principali reti telefoniche digitali

L’apparecchio telefonico digitale mantiene le funzioni fondamentali di quelli tradizionali, ma ne aggiunge molte altre, assumendo una struttura più complessa e più simile a quella di un terminale informatico. Le tecnologie hardware si sono evolute con l’introduzione della fibra ottica (accanto alla classica coppia ed al cavo coassiale) la quale ha permesso di migliorare qualità di trasmissione. Oltre alla fibra ottica si assiste anche all’introduzione dei ponti radio e della rete satellitare.

Inoltre la codifica digitale dell’informazione fonica permette di effettuare controlli su errori di compressione che contribuiscono a superare problemi di portata nei canali di trasmissione. La centrale telefonica di commutazione digitale ha subito una profonda trasformazione. La struttura della centrale a commutazione elettronica d’utente (PBX) è quindi la seguente:

• Processore: normalmente costituito da un’architettura di microprocessori a 32 o 64 bit e dedicato al governo della centrale: i microprocessori sono collegati tra loro da un bus di comunicazione ad alta velocità (32 Mbit/s);
• Rete di commutazione: costituita da elementi corrispondenti alle porte di ingresso/uscita;
• Interfaccia: dei microprocessori con la rete di commutazione;
• Porte: slot disponibili per piastre a circuito integrato che collegano le linee di collegamento degli utenti a monte o a valle della centrale;

Inoltre vi è una struttura software che controlla le funzioni interne e gestisce le prestazioni della rete. Le caratteristiche delle centrali a commutazione elettronica ha permesso alle reti di erogare prestazioni decisamente più avanzate di quelle tradizionali. Lo standard ISDN cui si riferiscono permette:

• Servizi di fonia e trasmissione dati accessibili tramite la medesima interfaccia utente;
• Possibilità di instaurare due comunicazioni diverse (ad esempio, una conversazione ed un trasferimento dati) sullo stesso canale;
• Migliore qualità della voce con eliminazione dei disturbi;
• Tempi di connessione inferiori;
• Possibilità di conoscere il numero telefonico del chiamante prima di rispondere;
• Trasferimento di chiamata;
• Conteggio in tempo reale degli scatti consumati;

Per terminare la trattazione delle trasformazioni, va infine ricordato il moltiplicarsi dei terminali utente: oltre al tradizionale apparecchio di fonia, si deve tenere conto del grande sviluppo del telefax, e la diffusione della telefonia cellulare.

La telefonia cellulare

La rete cellulare è una rete la cui copertura geografica si ottiene con una “tassellatura” di aree adiacenti e/o sovrapposte. Si basa sulla procedura dell’Handover che consiste nel trasferimento da una cella all’altra dei dati di registrazione e localizzazione dell’apparecchio mobile e nel trasferimento di chiamata in corso.

Gli standard attualmente più impiegati per la gestione della comunicazione in rete sono:

• TDMA: time division multiple access (accesso multiplo a divisione di tempo);
• CDMA: code division multiple access (accesso multiplo a divisione di codice);

Le infrastrutture come tralicci e antenne suddividono in celle l’area geografica. I telefoni cellulari sono generatori di campi elettromagnetici (GSM attorno 900 1800 Mhz) e possono pertanto indurre dei transitori di tensione sull’alimentazione elettrica degli apparecchi elettromedicali. Tali transitori potrebbero causare un malfunzionamento dei suddetti dispositivi, perciò si è optato per la proibizione dell’utilizzo dei telefoni cellulari nei reparti ad alta intensità tecnologica (blocchi operatori, reparti di terapia intensiva, reparti di diagnostica per immagini).

Il cablaggio strutturato

Il cablaggio strutturato è l’infrastruttura a rete più estesa e sulla quale si muove gran parte della comunicazione ospedaliera. È l’impianto che permette il collegamento dei computer in rete locale e dei telefoni al PABX dell’edificio o aziendale: ogni utente collega il proprio computer/telefono e i fax alla rete mediante apposite prese.

Come per tutte le reti digitali di trasmissione dell’informazione, il suo funzionamento va inquadrato all’interno del modello ISO/OSI (International Standard Organization/Open Systems Interconnection). In base a tale modello ogni rete è basata su questi criteri:

• Architettura di comunicazione a livelli (layer);
• Ogni entità (entity) è univocamente associata ad un livello;
• Le entità di livello n-esimo si interfacciano solo con quelle del livello (n-1) e con quelle del livello (n+1) tramite i Service Access Point (SAP);
• Le entità di livello n-esimo comunicano solo con quelle dello stesso livello (peer entities) tramite opportuni protocolli;
• Le entità di livello 1 comunicano direttamente usando i canali trasmissivi fisici che le connettono;

I livelli ISO/OSI sono 7 e precisamente:

• Fisico;
• Dati;
• Rete;
• Trasferimento;
• Sessione;
• Presentazione;
• Applicazione.

Le considerazioni seguenti relative alla struttura del cablaggio strutturato lo descriveranno sostanzialmente dal punto vista dei primi tre livelli ISO/OSI. Un elemento importante che riguarda le prestazioni legate ai vari protocolli è la configurazione logica delle reti: a seconda dei casi vi sono:

• Reti ad anello (Token Ring);
• Reti a bus (Ethernet);
• Reti a stella.

Il cablaggio strutturato è una rete a struttura ibrida: può avere una rete primaria ad anello e le parti periferiche collegate a stella. La sua configurazione standard è gerarchica e costituita da vari tipi di nodi, tra cui: distributore di campus (CD), distributore di edificio (BD), distributori di piano (FD), terminali operatori (prese utente, sia per la telefonia che per i dati) (TO). La lunghezza massima del collegamento tra TO e FD è 100m e tra TO e CD 2000m. I collegamenti tra CD BD e FD sono in fibra ottica. Gli FD sono detti armadi di piano costituiti da placche di arrivo (connessioni PABX-LAN) e placche di uscita (connessioni TO).