藍牙無線通信技術在醫療監護中的應用

0引言

目前的醫療監控設備多數是由獨立設備構成，通過打印或屏幕顯示信息。獲取患者信息需要大量工作，護士需要不斷到患者床邊觀察監視器上的重要數據并將它們記錄下來，可能產生輸入錯誤。如何從醫療設備直接自動收集患者信息并通過網絡傳輸到數據庫，實時、遠程監護患者情況，成為當前醫療護理迫切解決問題。藍牙技術具有跳頻快、數據包短、功率低、穩定、抗干擾能力強、輻射小等特點，非常適合解決上述問題。文中基于藍牙技術特點，提出了無線監控系統設計方案，并對方案的關鍵部分進行了研究。

1藍牙技術及其特征

1.1藍牙技術

SIG組織于1999年7月26日推出了藍牙技術規范1.0版本。藍牙技術的系統結構分為三大部分：底層硬件模塊、中間協議層和高層應用。底層硬件部分包括無線跳頻^[1]（RF）、基帶（BB）和鏈路管理（LM）。無線跳頻層通過2.4GHz無需授權的ISM頻段的微波，實現數據位流的過濾和傳輸，本層協議主要定義了藍牙收發器在此頻帶正常工作所需要滿足的條件?；鶐ж撠熖l以及藍牙數據和信息幀的傳輸。鏈路管理負責連接、建立和拆除鏈路并進行安全控制。

藍牙技術結合了電路交換與分組交換的特點，可以進行異步數據通信，可以支持多達3個同時進行的同步話音信道，還可以使用一個信道同時傳送異步數據和同步話音。

中間協議層包括邏輯鏈路控制和適應協議、服務發現協議、串口仿真協議和電話通信協議。邏輯鏈路控制和適應協議具有完成數據拆裝、控制服務質量和復用協議的功能，該層協議是其它各層協議實現的基礎。服務發現協議層為上層應用程序提供一種機制來發現網絡中可用的服務及其特性。

主機控制接口層（HCI）是藍牙協議中軟硬件之間的接口，它提供了一個調用基帶、鏈路管理、狀態和控制寄存器等硬件的統一命令接口。藍牙設備之間進行通信時，HCI以上的協議軟件實體在主機上運行，而HCI以下的功能由藍牙設備來完成，二者之間通過一個對兩端透明的傳輸層進行交互。在藍牙協議棧的最上部是各種高層應用框架。

藍牙系統一般由４個功能單元組成，如圖１所示。

圖１ 藍牙系統功能單元

1.2藍牙技術特征

（1）工作在2.56GHz ISM頻段

（2）使用跳頻擴頻^[2]FHSS技術

（3）一個微微網中可支持8個設備

（4）全向傳輸，設備不須定向

（5）范圍為10米到100米

（6）成本低，每片藍牙技術芯片約20美元

（7）功率為1mW

（8）使用外部功放可將有效范圍擴展到100米左右

2藍牙技術在醫療監護中的應用

2.1系統硬件結構設計

圖2醫療監護系統框架圖

醫療監護系統硬件結構由中央處理芯片MSP430F449、藍牙芯片以及其它外圍模塊（語音模塊、數據提取模塊、鍵盤和液晶顯示屏等組成）。醫療監護系統的整體結構框架如圖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TI公司生產的一種以超低功耗為主要特色的16為單片機，同時具有高集成度、寬環境溫度范圍、高精度A/D轉換等技術性能，擁有串行通信接口、硬件乘法器、LTD驅動電路及高抗干擾能力等特點。

（2） 藍牙芯片

BRF6100是德州儀器（TEXAS INSTRUMENTS;TI）開發的。將藍牙基頻、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TI的說法，能夠提升晶片效能、降低成本、減少機板面積是BRF6100的三大特色。適用于 802.11b 的協作 I/F 與 TI 移動無線 LAN、OMAP^[3]平臺、TCS 芯片組解決方案無縫集成 其先進的架構在利用了數字射頻處理的獨特高性能處理特性的同時，還沿用了 TI 0.13u 數字 CMOS 處理技術。

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Slave裝置進行傳輸

2.3系統實現原理

將藍牙監控設備放在每個病房中，同醫療設備連接，收集病人的信息。經由基站接收機，將病人的信息和自身基站的地址信息相組合，經RS485總線發送給臨近的上一個基站接收機，再由這個基站上傳，直至發送到中心服務器，由中心服務器進行數據的分析，處理，并提供查詢，管理等功能。各科室可以時時了解病人信息，實現對病人的遠程監護，一旦病人病情惡化，藍牙監控設備將報警信號傳送到中心服務器上，監護人員可以在第一時間確定病人房間號碼和病人情況，以便采取應急措施。監控設備分布如圖3所示。

圖3 監控設備分布圖

數據采集與報警流程圖如圖4示。

圖4 系統流程圖

3藍牙抗干擾特性分析

藍牙技術成本低，功耗小，具有獨特的抗干擾性。

（1）抗噪性能分析

在高斯噪聲環境下，系統不受干擾的條件為：在誤碼率（BER）為0.1%的條件下，傳入C/I_AWGN達到21dB。為了保證接收機不受干擾，接收機接收的信號功率必須大于其接收靈敏度RX_SENX,按以下公式計算載波干擾比^[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）為接收機接收信號帶寬。

（2）抗同頻干擾性能分析

藍牙設備在保證系統可用性方面采取了一些措施，如采用跳頻、糾錯編碼^[5]、ARQ機制、HEC算法等。

4 結束語

基于藍牙無線通訊技術的醫療監護系統利用藍牙網絡容量大、功耗低、實時性等優勢，采用BRM6100藍牙芯片，實現藍牙無線定位和基站的通信，基站發送無線信號到中心服務器，可以實現控制中心對患者的動態監護。藍牙無線通訊技術存在著傳輸距離短，傳輸信號可能被干擾等問題，在一定程度上影響了藍牙技術在醫療中的應用。隨著藍牙技術的不斷成熟，藍牙技術在醫療中的應用會越來越廣泛。

本文創新點：充分利用藍牙技術的特點，將藍牙技術和現有醫療設備結合，動態提取患者信息，對患者進行遠程監護，從而更加完善了醫療監護系統。

參考文獻

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