藍牙無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)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(guò)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(guān)察監視器上的重要數據并將它們記錄下來(lái)，可能產(chǎn)生輸入錯誤。如何從醫療設備直接自動(dòng)收集患者信息并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸到數據庫，實(shí)時(shí)、遠程監護患者情況，成為當前醫療護理迫切解決問(wèn)題。藍牙技術(shù)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(diǎn)，非常適合解決上述問(wèn)題。文中基于藍牙技術(shù)特點(diǎn)，提出了無(wú)線(xiàn)監控系統設計方案，并對方案的關(guān)鍵部分進(jìn)行了研究。

1藍牙技術(shù)及其特征

1.1藍牙技術(shù)

SIG組織于1999年7月26日推出了藍牙技術(shù)規范1.0版本。藍牙技術(shù)的系統結構分為三大部分：底層硬件模塊、中間協(xié)議層和高層應用。底層硬件部分包括無(wú)線(xiàn)跳頻^[1]（RF）、基帶（BB）和鏈路管理（LM）。無(wú)線(xiàn)跳頻層通過(guò)2.4GHz無(wú)需授權的ISM頻段的微波，實(shí)現數據位流的過(guò)濾和傳輸，本層協(xié)議主要定義了藍牙收發(fā)器在此頻帶正常工作所需要滿(mǎn)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(jìn)行安全控制。

藍牙技術(shù)結合了電路交換與分組交換的特點(diǎn)，可以進(jìn)行異步數據通信，可以支持多達3個(gè)同時(shí)進(jìn)行的同步話(huà)音信道，還可以使用一個(gè)信道同時(shí)傳送異步數據和同步話(huà)音。

中間協(xié)議層包括邏輯鏈路控制和適應協(xié)議、服務(wù)發(fā)現協(xié)議、串口仿真協(xié)議和電話(huà)通信協(xié)議。邏輯鏈路控制和適應協(xié)議具有完成數據拆裝、控制服務(wù)質(zhì)量和復用協(xié)議的功能，該層協(xié)議是其它各層協(xié)議實(shí)現的基礎。服務(wù)發(fā)現協(xié)議層為上層應用程序提供一種機制來(lái)發(fā)現網(wǎng)絡(luò )中可用的服務(wù)及其特性。

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

藍牙系統一般由４個(gè)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(shù)特征

（1）工作在2.56GHz ISM頻段

（2）使用跳頻擴頻^[2]FHSS技術(shù)

（3）一個(gè)微微網(wǎng)中可支持8個(gè)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(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展到100米左右

2藍牙技術(shù)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(yǔ)音模塊、數據提取模塊、鍵盤(pán)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(chǎn)的一種以超低功耗為主要特色的16為單片機，同時(shí)具有高集成度、寬環(huán)境溫度范圍、高精度A/D轉換等技術(shù)性能，擁有串行通信接口、硬件乘法器、LTD驅動(dòng)電路及高抗干擾能力等特點(diǎn)。

（2） 藍牙芯片

BRF6100是德州儀器（TEXAS INSTRUMENTS;TI）開(kāi)發(fā)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(shuō)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(xié)作 I/F 與 TI 移動(dòng)無(wú)線(xiàn) LAN、OMAP^[3]平臺、TCS 芯片組解決方案無(wú)縫集成 其先進(jìn)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(shí)，還沿用了 TI 0.13u 數字 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系統實(shí)現原理

將藍牙監控設備放在每個(gè)病房中，同醫療設備連接，收集病人的信息。經(jīng)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(jīng)RS485總線(xiàn)發(fā)送給臨近的上一個(gè)基站接收機，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)行數據的分析，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(wù)器上，監護人員可以在第一時(shí)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(shù)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(huán)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(yǔ)

基于藍牙無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的醫療監護系統利用藍牙網(wǎng)絡(luò )容量大、功耗低、實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢，采用BRM6100藍牙芯片，實(shí)現藍牙無(wú)線(xiàn)定位和基站的通信，基站發(fā)送無(wú)線(xiàn)信號到中心服務(wù)器，可以實(shí)現控制中心對患者的動(dòng)態(tài)監護。藍牙無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)存在著(zhù)傳輸距離短，傳輸信號可能被干擾等問(wèn)題，在一定程度上影響了藍牙技術(shù)在醫療中的應用。隨著(zhù)藍牙技術(shù)的不斷成熟，藍牙技術(shù)在醫療中的應用會(huì )越來(lái)越廣泛。

本文創(chuàng )新點(diǎn)：充分利用藍牙技術(shù)的特點(diǎn)，將藍牙技術(shù)和現有醫療設備結合，動(dòng)態(tài)提取患者信息，對患者進(jìn)行遠程監護，從而更加完善了醫療監護系統。

參考文獻

[1] 劉傳菊,王克強,肖明明. 無(wú)線(xiàn)系統中Bluetooth鏈路的有效性及可靠性研究[J]. 微計算機信息，2006(14):213-215.

[2] 李莉. 一種藍牙無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的實(shí)現[J].微計算機信息，2006（20）：244-246.

[3] 金純,林金朝,萬(wàn)寶紅.藍牙協(xié)議及其源代碼分析[M].北京: 國防工業(yè)出版社,2006:10-11.

[4] 楊光松,石江宏,孫建民.藍牙抗干擾技術(shù)及2.4GHz無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )頻率共存分析[J]. 信息技術(shù),2003(9):9-10.

[5] 馬建倉,羅亞軍,趙玉亭.藍牙核心技術(shù)及應用[M]．北京:科學(xué)出版社,2003:184-185.