簡(jiǎn)化低功耗藍牙醫療設備的設計

作者 Thomas S?derholm Nordic Semiconductor公司業(yè)務(wù)發(fā)展總監

摘要：介紹了低功耗藍牙為醫療電子領(lǐng)域帶來(lái)的諸多應用，及全新Nordic驗證概念的PCB使得開(kāi)發(fā)人員更容易為醫療設備加入無(wú)線(xiàn)連接優(yōu)勢。

　　許多開(kāi)創(chuàng )先河的醫療產(chǎn)品公司已經(jīng)在其產(chǎn)品配備低功耗藍牙技術(shù)來(lái)改善糖尿病患者、過(guò)敏患者和哮喘患者的生活(如圖1)。例如，加拿大Aterica Health公司開(kāi)發(fā)了用于腎上腺素自動(dòng)注射器的低功耗藍牙連接載體Veta Smart Case。最近，位于美國加利福尼亞州圣迭戈的Dexcom的G5移動(dòng)連續葡萄糖監測(CGM)系統也已獲得了美國食品和藥物管理局(FDA)的批準，該系統包括一個(gè)低功耗藍牙組件，用于從安裝在患者皮膚上的監視器讀取血糖水平，然后傳輸到智能手機或智能手表上的對應APP，如圖3所示。

　　這些無(wú)線(xiàn)連接的醫療產(chǎn)品為患者提供幫助，例如提醒他們何時(shí)服藥，當藥物快要過(guò)期時(shí)發(fā)出警告，并且在離家時(shí)提醒他們沒(méi)有隨身攜帶重要藥物。此外，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將產(chǎn)品連接到物聯(lián)網(wǎng)(通過(guò)智能手機網(wǎng)關(guān))，可以建立雙向鏈接，不僅可以將數據傳輸給遠程家庭和醫療保健專(zhuān)業(yè)人員，還可通過(guò)提供信息向患者進(jìn)行指導，對產(chǎn)品作出軟件增強或打上安全補丁。

　　無(wú)線(xiàn)連接還帶來(lái)醫療經(jīng)濟效益。通過(guò)幫助患者堅持服用藥物來(lái)對主要疾病進(jìn)行適當治療，可以減少并發(fā)癥，從而節省金錢(qián)。另一個(gè)顯著(zhù)的好處是可從云獲得有價(jià)值的數據，幫助醫療設備制造商了解患者如何、何時(shí)、在何地使用設備和藥物，從而制作更好的產(chǎn)品。

　　然而，RF工程是一門(mén)具有挑戰性的學(xué)科，所需要的熟練人才供不應求，因此，許多醫療產(chǎn)品制造商難以進(jìn)入市場(chǎng)。

1 簡(jiǎn)化設計

　　但是，現在Nordic Semiconductor推出了概念驗證(PoC)印刷電路板(PCB)，為開(kāi)發(fā)人員簡(jiǎn)化設計流程，如圖2所示。 PoC PCB帶有該公司的nRF52810低功耗藍牙解決方案和S112 協(xié)議棧(低功耗藍牙RF協(xié)議軟件堆棧)。該產(chǎn)品尺寸細小，并且針對低功耗和高性能進(jìn)行了優(yōu)化，是一款非常靈活和成熟可靠的藍牙5認證解決方案。

　　Nordic的nRF52810低功耗藍牙 SoC是nRF52系列中的基準器件，提供極佳的性?xún)r(jià)比和藍牙5功能，它具有100 dBm鏈路預算、2.4 GHz多協(xié)議無(wú)線(xiàn)電、64 MHz的32位ARM Cortex M4 MCU、196 kB Flash內存和24 kB RAM。值得注意的是，其內存分配足以運行典型的高容量、低成本應用(例如醫療設備)的應用程序代碼。與所有Nordic的nRF51和nRF52系列SoC一樣，nRF52810支持空中下載設備固件更新(OTA-DFU)，只需使用無(wú)線(xiàn)電鏈路即可升級現場(chǎng)設備的軟件。此外，與nRF52810 SoC 一起推出的Nordic最新版本S112協(xié)議棧是一款輕量級藍牙5認證堆棧。

　　nRF52系列還帶來(lái)了對醫療產(chǎn)品開(kāi)發(fā)至關(guān)重要的其他功能，特別是通過(guò)近場(chǎng)通信(NFC)進(jìn)行的“帶外”(OOB)配對，只要簡(jiǎn)單地碰觸配備N(xiāo)FC的智能手機，即可為醫療設備建立低功耗藍牙配對，不需要用戶(hù)進(jìn)行其他操作。其次，一旦醫療設備與智能手機配對，便可以使用128位AES加密保護低功耗藍牙鏈路，從而保護敏感醫療數據的安全。

　　S112 協(xié)議棧用于監督通信鏈路，但通常我們還需要一些應用程序代碼來(lái)優(yōu)化目標產(chǎn)品的軟件。例如，如果目標應用是哮喘吸入器，或許還需要一些編碼來(lái)監測這個(gè)裝置的使用頻率和時(shí)間。

　　在低功耗藍牙供應商中，Nordic在應用程序代碼開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中擁有獨特的優(yōu)勢。該公司的軟件架構將低功耗藍牙協(xié)議棧與應用程序代碼分隔，從而消除了兩者集成的復雜性。如果沒(méi)有分隔，在軟件編譯過(guò)程中，RF堆?？赡芎苋菀妆黄茐?，從而延長(cháng)了開(kāi)發(fā)和調試過(guò)程。Nordic的協(xié)議棧以經(jīng)過(guò)測試和驗證的二進(jìn)制文件形式交付，并且在編譯期間，該公司的開(kāi)發(fā)工具可以協(xié)調應用程序代碼與協(xié)議棧的對接。

　　Nordic還提供簡(jiǎn)化設計流程的開(kāi)發(fā)套件(DK)和軟件開(kāi)發(fā)套件(SDK)。 DK包含目標nRF51或nRF52系列SoC，而SDK可以簡(jiǎn)化SoC與開(kāi)發(fā)人員首選的ARM集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)的接口。 值得注意的是，SDK還包含簡(jiǎn)單的應用程序代碼示例，開(kāi)發(fā)人員可以使用這些示例來(lái)加速自己應用程序的編碼。

2 結合優(yōu)勢

　　Nordic新型PoC PCB將nRF52系列SoC、低功耗藍牙協(xié)議棧、獨特的軟件架構、參考設計和應用代碼開(kāi)發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵優(yōu)勢匯集在一起，經(jīng)設計用于簡(jiǎn)化為醫療設備增加無(wú)線(xiàn)連接的過(guò)程。

　　基于nRF52810 SoC的PoC PCB組裝在直徑為13.5 mm的電路板上，并包含匹配電路、天線(xiàn)和幣形電池。Nordic 根據需求提供PoC和必要的設計文件，其中包括簡(jiǎn)介和詳細的步驟說(shuō)明、電路板原理圖和物料清單(BOM)，這套解決方案允許設計人員根據這個(gè)藍牙5認證的外設設備操作PoC來(lái)開(kāi)發(fā)自己的設計。

　　該產(chǎn)品預裝了協(xié)議棧和Eddystone低功耗藍牙信標應用示例。開(kāi)發(fā)者可以通過(guò)OTA-DFUnRF52810 對這個(gè)SoC進(jìn)行編程。由于采用S112 協(xié)議棧的nRF52810 SoC構成了經(jīng)濟高效的藍牙5 /低功耗藍牙解決方案，因此Nordic醫療PoC PCB特別適用于廉價(jià)的一次性藥物輸送產(chǎn)品，如哮喘吸入器。根據市場(chǎng)分析機構Market Research Future報告，到2022年，單獨的“智能”(無(wú)線(xiàn))哮喘吸入器市場(chǎng)價(jià)值將達到16億美元。配備N(xiāo)ordic低功耗藍牙技術(shù)的吸入器可實(shí)現藥物管理(例如提供自動(dòng)藥物記錄)，向遠處的家庭成員和醫務(wù)人員發(fā)送通知以及使用統計數據。若得到患者許可，這些數據也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)發(fā)送給制造商，以改善未來(lái)產(chǎn)品的性能。

3 無(wú)聲革命

　　網(wǎng)絡(luò )醫療產(chǎn)品正在悄然進(jìn)行革命(如圖4)。由于監管環(huán)境嚴峻，這些產(chǎn)品需要一段時(shí)間才能進(jìn)入市場(chǎng)，但有許多創(chuàng )新應用即將實(shí)現商業(yè)化。低功耗藍牙非常適合從功率受限的設備傳輸少量數據，并且到處也可以見(jiàn)到它的應用，例如聽(tīng)診器連接和智能手機應用程序，甚至是監視護理中心幾十位老年人的血壓，并將數據轉發(fā)到云，確定何時(shí)施用高血壓藥物的解決方案。而低功耗藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)在智能手機和平板電腦中無(wú)處不在，這鞏固了其作為醫療產(chǎn)品卓越無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)的地位。

　　設計無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的工程十分浩大，可能令人望而生畏，而且許多醫療產(chǎn)品公司或許沒(méi)有內部RF專(zhuān)才來(lái)充分發(fā)揮相關(guān)技術(shù)。但是，通過(guò)與Nordic等低功耗藍牙供應商合作，即使只有很少RF設計經(jīng)驗的開(kāi)發(fā)人員也可以從中獲取經(jīng)過(guò)驗證的硬件、協(xié)議固件、參考設計、開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)專(zhuān)長(cháng)，從而可以輕松構建商用設備的原型，然后進(jìn)行量產(chǎn)。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第63頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。