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 é composto da 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 é 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

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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 famigliari.

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 sopratutto

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

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estensione del dove e quando, che ha dato alla tecnologia telefonica la struttura di una rete.

La rete é 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 é 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 Ranch 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

CPU (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

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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 (sopratutto 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

1. Durata di occupazione: il tempo totale durante il quale un organo di centrale o un

circuito è impegnato per mantenere un collegamento. [t]

2. Intensità di traffico: numero n dei collegamenti simultaneamente in corso in un certo

istante t. [Erl]

3. Traffico (nell’intervallo T): somma delle durate di occupazione dell’intervallo di tempo T.

E’ in sostanza l’integrale di n(t) tra t e T. [t]

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4. Intensità del raffico: rapporto tra il TRAFFICO e l’intervallo di tempo T su cui è stato

calcolato. [Erl]

5. 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:

1. Ricezione della chiamata da parte di un utente che intende collegarsi con un altro utente

2. Ricezione dell’informazione relativa all’utente desiderato

3. Verifica della esistenza di una linea libera fino all’utente chiamato

4. Se la linea è libera, effettuazione della connessione; se la linea è occupata o non risponde,

invio dell’opportuna segnalazione al chiamante

5. Ricezione del segnale di fine conversazione dai due utenti

6. Disconnessione del collegamento tra i due utenti

7. 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);

❑ il sistema di comando, costituito da dispositivi (selettori, permutatori, traslatori),

❑ destinati alla realizzazione dei collegamenti richiesti;

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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 ed

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 é 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 é 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

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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 é 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:

1) Servizi di fonia e trasmissione dati accessibili tramite la medesima interfaccia utente;

2) Possibilità di instaurare due comunicazioni diverse (ad esempio, una conversazione ed un

trasferimento dati) sullo stesso canale;

3) Migliore qualità della voce con eliminazione dei disturbi;

4) Tempi di connessione inferiori;

5) Possibilità di conoscere il numero telefonico del chiamante prima di rispondere;

6) Trasferimento di chiamata;

7) Conteggio in tempo reale degli scatti consumati;

8)

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 cellulare sono generatori di campi elettromagnetici (GSM attorno 900 1800 Mhz) e

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possono pertanto indurre dei transistori 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:

1. Fisico;

2. Dati;

3. Rete;

4. Trasferimento;

5. Sessione;

6. Presentazione;

7. 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:

1. Reti ad anello (Token Ring) A.A.

2. Reti a bus (Ethernet)

3. 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 é 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). Negli armadi sono colloc