藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用

0引言

目前的醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備多數(shù)是由獨(dú)立設(shè)備構(gòu)成，通過(guò)打印或屏幕顯示信息。獲取患者信息需要大量工作，護(hù)士需要不斷到患者床邊觀察監(jiān)視器上的重要數(shù)據(jù)并將它們記錄下來(lái)，可能產(chǎn)生輸入錯(cuò)誤。如何從醫(yī)療設(shè)備直接自動(dòng)收集患者信息并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)患者情況，成為當(dāng)前醫(yī)療護(hù)理迫切解決問(wèn)題。藍(lán)牙技術(shù)具有跳頻快、數(shù)據(jù)包短、功率低、穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、輻射小等特點(diǎn)，非常適合解決上述問(wèn)題。文中基于藍(lán)牙技術(shù)特點(diǎn)，提出了無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案的關(guān)鍵部分進(jìn)行了研究。

1藍(lán)牙技術(shù)及其特征

1.1藍(lán)牙技術(shù)

SIG組織于1999年7月26日推出了藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范1.0版本。藍(lán)牙技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三大部分：底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高層應(yīng)用。底層硬件部分包括無(wú)線跳頻^[1]（RF）、基帶（BB）和鏈路管理（LM）。無(wú)線跳頻層通過(guò)2.4GHz無(wú)需授權(quán)的ISM頻段的微波，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)位流的過(guò)濾和傳輸，本層協(xié)議主要定義了藍(lán)牙收發(fā)器在此頻帶正常工作所需要滿足的條件?；鶐ж?fù)責(zé)跳頻以及藍(lán)牙數(shù)據(jù)和信息幀的傳輸。鏈路管理負(fù)責(zé)連接、建立和拆除鏈路并進(jìn)行安全控制。

藍(lán)牙技術(shù)結(jié)合了電路交換與分組交換的特點(diǎn)，可以進(jìn)行異步數(shù)據(jù)通信，可以支持多達(dá)3個(gè)同時(shí)進(jìn)行的同步話音信道，還可以使用一個(gè)信道同時(shí)傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音。

中間協(xié)議層包括邏輯鏈路控制和適應(yīng)協(xié)議、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議、串口仿真協(xié)議和電話通信協(xié)議。邏輯鏈路控制和適應(yīng)協(xié)議具有完成數(shù)據(jù)拆裝、控制服務(wù)質(zhì)量和復(fù)用協(xié)議的功能，該層協(xié)議是其它各層協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議層為上層應(yīng)用程序提供一種機(jī)制來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中可用的服務(wù)及其特性。

主機(jī)控制接口層（HCI）是藍(lán)牙協(xié)議中軟硬件之間的接口，它提供了一個(gè)調(diào)用基帶、鏈路管理、狀態(tài)和控制寄存器等硬件的統(tǒng)一命令接口。藍(lán)牙設(shè)備之間進(jìn)行通信時(shí)，HCI以上的協(xié)議軟件實(shí)體在主機(jī)上運(yùn)行，而HCI以下的功能由藍(lán)牙設(shè)備來(lái)完成，二者之間通過(guò)一個(gè)對(duì)兩端透明的傳輸層進(jìn)行交互。在藍(lán)牙協(xié)議棧的最上部是各種高層應(yīng)用框架。

藍(lán)牙系統(tǒng)一般由４個(gè)功能單元組成，如圖１所示。

圖１ 藍(lán)牙系統(tǒng)功能單元

1.2藍(lán)牙技術(shù)特征

（1）工作在2.56GHz ISM頻段

（2）使用跳頻擴(kuò)頻^[2]FHSS技術(shù)

（3）一個(gè)微微網(wǎng)中可支持8個(gè)設(shè)備

（4）全向傳輸，設(shè)備不須定向

（5）范圍為10米到100米

（6）成本低，每片藍(lán)牙技術(shù)芯片約20美元

（7）功率為1mW

（8）使用外部功放可將有效范圍擴(kuò)展到100米左右

2藍(lán)牙技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用

2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)框架圖

醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由中央處理芯片MSP430F449、藍(lán)牙芯片以及其它外圍模塊（語(yǔ)音模塊、數(shù)據(jù)提取模塊、鍵盤(pán)和液晶顯示屏等組成）。醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

2.2 硬件介紹

（1） MSP430F449芯片

微處理芯片采用的是MSP430F449芯片，由美國(guó)TI公司生產(chǎn)的一種以超低功耗為主要特色的16為單片機(jī)，同時(shí)具有高集成度、寬環(huán)境溫度范圍、高精度A/D轉(zhuǎn)換等技術(shù)性能，擁有串行通信接口、硬件乘法器、LTD驅(qū)動(dòng)電路及高抗干擾能力等特點(diǎn)。

（2） 藍(lán)牙芯片

BRF6100是德州儀器（TEXAS INSTRUMENTS;TI）開(kāi)發(fā)的。將藍(lán)牙基頻、射頻、記憶體、電源管理、PLL、Loop filter、antenna switch、filters整合成單一芯片，也率先采用0.13微米 CMOS銅制程。根據(jù)TI的說(shuō)法，能夠提升晶片效能、降低成本、減少機(jī)板面積是BRF6100的三大特色。適用于 802.11b 的協(xié)作 I/F 與 TI 移動(dòng)無(wú)線 LAN、OMAP^[3]平臺(tái)、TCS 芯片組解決方案無(wú)縫集成 其先進(jìn)的架構(gòu)在利用了數(shù)字射頻處理的獨(dú)特高性能處理特性的同時(shí)，還沿用了 TI 0.13u 數(shù)字 CMOS 處理技術(shù)。

BRF6100的特性包括：

制程：0.13u CMOS

使用電力：25mA

電壓：1.7-3.6V

靈敏度：-85dBm (0.1% BER)

整合RF Switch

最高傳輸速度為723.2K/s

可在- 40～+85℃的溫度下工作

最高可與7個(gè)Slave裝置進(jìn)行傳輸

2.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

將藍(lán)牙監(jiān)控設(shè)備放在每個(gè)病房中，同醫(yī)療設(shè)備連接，收集病人的信息。經(jīng)由基站接收機(jī)，將病人的信息和自身基站的地址信息相組合，經(jīng)RS485總線發(fā)送給臨近的上一個(gè)基站接收機(jī)，再由這個(gè)基站上傳，直至發(fā)送到中心服務(wù)器，由中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析，處理，并提供查詢(xún)，管理等功能。各科室可以時(shí)時(shí)了解病人信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)病人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，一旦病人病情惡化，藍(lán)牙監(jiān)控設(shè)備將報(bào)警信號(hào)傳送到中心服務(wù)器上，監(jiān)護(hù)人員可以在第一時(shí)間確定病人房間號(hào)碼和病人情況，以便采取應(yīng)急措施。監(jiān)控設(shè)備分布如圖3所示。

圖3 監(jiān)控設(shè)備分布圖

數(shù)據(jù)采集與報(bào)警流程圖如圖4示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

3藍(lán)牙抗干擾特性分析

藍(lán)牙技術(shù)成本低，功耗小，具有獨(dú)特的抗干擾性。

（1）抗噪性能分析

在高斯噪聲環(huán)境下，系統(tǒng)不受干擾的條件為：在誤碼率（BER）為0.1%的條件下，傳入C/I_AWGN達(dá)到21dB。為了保證接收機(jī)不受干擾，接收機(jī)接收的信號(hào)功率必須大于其接收靈敏度RX_SENX,按以下公式計(jì)算載波干擾比^[4]為：

其中，G_N為總噪聲增益，G為放大器增益,N₀+10logB（dBm）為接收機(jī)輸入加性高斯白噪聲功率,N₀（dBm/Hz）為單位接收噪聲密度，B（Hz）為接收機(jī)接收信號(hào)帶寬。

（2）抗同頻干擾性能分析

藍(lán)牙設(shè)備在保證系統(tǒng)可用性方面采取了一些措施，如采用跳頻、糾錯(cuò)編碼^[5]、ARQ機(jī)制、HEC算法等。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于藍(lán)牙無(wú)線通訊技術(shù)的醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)利用藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低、實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)，采用BRM6100藍(lán)牙芯片，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線定位和基站的通信，基站發(fā)送無(wú)線信號(hào)到中心服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)患者的動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)。藍(lán)牙無(wú)線通訊技術(shù)存在著傳輸距離短，傳輸信號(hào)可能被干擾等問(wèn)題，在一定程度上影響了藍(lán)牙技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用。隨著藍(lán)牙技術(shù)的不斷成熟，藍(lán)牙技術(shù)在醫(yī)療中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。

本文創(chuàng)新點(diǎn)：充分利用藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)，將藍(lán)牙技術(shù)和現(xiàn)有醫(yī)療設(shè)備結(jié)合，動(dòng)態(tài)提取患者信息，對(duì)患者進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，從而更加完善了醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

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