藍牙技術(shù)在現代醫療電子設備中的應用

0 引言

藍牙(bluetooth)技術(shù)是一種個(gè)人無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通信協(xié)議，它起源于是1998年由愛(ài)立信、IBM、英特爾、諾基亞、東芝等5家公司聯(lián)合推出的一項先進(jìn)的近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

1998年2月，以愛(ài)立信為首，聯(lián)合東芝、IBM、Intel和諾基亞成立了特別興趣小組(SpecialInterest Group)，共同發(fā)布了藍牙無(wú)線(xiàn)電接入技術(shù)，即在全球范圍內建立和運用通用、先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)接口技術(shù)標準。到目前為止有數千家的企業(yè)參與支持和開(kāi)發(fā)藍牙技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)品。

藍牙技術(shù)的最終目標就是要建立一種全球統一的無(wú)線(xiàn)連接標準，使不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的各種移動(dòng)、便攜設備和固定終端，在近距離內用無(wú)線(xiàn)電自動(dòng)連接，實(shí)現互操作與資料共享。

藍牙系統一般由天線(xiàn)單元、鏈路控制(固件)單元、鏈路管理(軟件)單元和藍牙軟件(協(xié)議棧)單元四個(gè)功能單元組成，如圖1所示。

藍牙技術(shù)以其獨特、實(shí)用的魅力，從開(kāi)始誕生就吸引了眾多的關(guān)注，它通過(guò)一個(gè)9mm*9mm的微芯片和藍牙無(wú)線(xiàn)收發(fā)器嵌入各種便攜式設備，傳輸距離為10米，取代所有數字設備上的有線(xiàn)接口。例如計算機、主機、鍵盤(pán)、打印機和顯示器之間通過(guò)藍牙技術(shù)的連接，可以省去紛亂的連接線(xiàn);手機應用藍牙技術(shù)，可以使手機和耳機分離，方便開(kāi)車(chē)和商務(wù)活動(dòng)。由此可見(jiàn)藍牙技術(shù)可以隨著(zhù)人們的需要不斷在擴大使用范圍，日益進(jìn)入了各行各業(yè)之中，同樣在醫療設備中也在逐漸引進(jìn)該技術(shù)。

隨著(zhù)現代社會(huì )不斷發(fā)展，現代醫療事業(yè)也取得蓬勃發(fā)展。醫院病房監護系統和醫療會(huì )診系統的出現為現代醫療事業(yè)的發(fā)展做出突出貢獻。但其最大的弊端就是病人身上的線(xiàn)纜，不但給病人的行動(dòng)帶來(lái)很大的不便，而且在病人需要大面積活動(dòng)時(shí)不得不中斷對病人病情的監控或需要人力監控。

一、藍牙技術(shù)在現代醫療電子設備中的應用

1.藍牙最初考慮的多數應用都是用于取代有線(xiàn)連接。醫療設備在醫院每臺設備基本都是獨立的系統，因此各種設備，都配有自己的計算機系統和打印機等外設系統，都是數據線(xiàn)獨立連接，因此，讀取機器狀態(tài)、重新配置設備、傳感器數據、病人資料、病人監護、安全訪(fǎng)問(wèn)數據、資產(chǎn)追蹤等為了安全性考慮，都是獨立的系統，最常見(jiàn)的現象如手術(shù)室，放射科室，可以看見(jiàn)到處是電纜線(xiàn)連接，交錯地散在地上，一旦出了儀器故障，要花費醫生很大的功夫順著(zhù)電線(xiàn)檢查每個(gè)接口是否連接好，整理線(xiàn)就很費事，這樣浪費很多時(shí)間，時(shí)間對搶救病人而語(yǔ)言是十分寶貴的。在有藍牙技術(shù)聯(lián)接后的各個(gè)設備，就解決了醫療設備使用者的麻煩。

2.有些醫療儀器，如腦電圖、心電圖等電生理儀器，是從患者的體表接受電電信號，將生物電信號，通過(guò)電纜傳輸到醫療設備中，進(jìn)行分析。其間，因為電纜的連接，限制了患者的位置和運動(dòng)，只能在臥位接受體檢，于是不能了解到在其他體位，甚至是運動(dòng)狀態(tài)下患者在一定范圍活動(dòng)的生物電信號的情況。

3.有些醫療的禁區，如層流病房、手術(shù)室、放射攝片室、放療室、搶救室等，不是適宜所有醫務(wù)人員的進(jìn)出，必須要有嚴格的隔離制度，藍牙在這些地方就能發(fā)揮很到的作用，醫生可以使有些檢查和治療無(wú)線(xiàn)遙控進(jìn)行，減少了工作人員直接進(jìn)出的機率，同時(shí)不妨礙醫生的治療和會(huì )診的工作。

藍牙系統在醫療領(lǐng)域應用的主要模式圖如圖2所示：

二、藍牙在電子醫療設備中的實(shí)現條件

1.多機通信中必須保證主機與所選擇的從機進(jìn)行可靠的通信，而且通信接口必須具有較強的識別能力，對于藍牙多機通信更容易受到干擾，因此除了要求外界的干擾盡可能少外，還需要有比較可靠的通信協(xié)議。

2.藍牙協(xié)議的組成：藍牙協(xié)議作為開(kāi)放性的近距離高速通信標準，主要包括以下4個(gè)方面內容：藍牙核心協(xié)議議(BB、LMP、L2CAP、SDP)、電纜替代協(xié)議(RFCOMM)、電話(huà)控制協(xié)議(TSC Binary、AT命令集)以及選用協(xié)議(PPP、TCP/IP、DUP/IP、OBEX、WAP、……)。根據具體的應用，藍牙協(xié)議可以進(jìn)行靈活的配置，并鼓勵盡可能利用各種高層協(xié)議，保證現有網(wǎng)絡(luò )技術(shù)與藍牙技術(shù)的融合。因此除了藍牙核心協(xié)議是必需的，其他三方面協(xié)議根據應用的具體需要而定。

3.生理電信號傳輸的要求和實(shí)現：生理電信號是由生物體在生命活動(dòng)中由機體、組織、器官、細胞等各級系統產(chǎn)生的特定表征轉化成的電信號，反映特定的生命活動(dòng)細節。這里主要指的是針對一維生理電信的藍牙數據傳輸，如：心音、心電、腦電、肌電、胃電，以及轉為電信號的血壓、脈搏、呼吸等生理參數。

按照信號的頻率圍可以分成三類(lèi)：

(1)低頻信號，即最高頻率小250Hz,以心電為代表;

(2)中高頻信號，主要是心音;

(3)寬帶高頻信號，指肌電。

由于藍牙在A(yíng)CL數據分組共有7種，其中適合生理信號的帶有2種校驗機制的是DMI、DM3、DM5分組，在8位或12位采樣系統中，心電等低頻信號應采用DM1據分組，心音信號應采用DM3數據分組，肌電信號應采DM5數據分組。

三、藍牙在醫療電子設備中的實(shí)現目標

1.抑制無(wú)線(xiàn)電電磁干擾：藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫學(xué))頻段。藍牙的數據速率為1Mb/s.跳頻技術(shù)是把頻帶分成若干個(gè)跳頻信道(Hop channel)，在一次連接中，無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器按一定的碼序列(偽隨機碼)不斷地從一個(gè)信道到另一個(gè)通信信道，藍牙系統內地收發(fā)雙方是按這個(gè)規律進(jìn)行通信地，而其他無(wú)線(xiàn)電設備不可能按同樣地規律進(jìn)行工作。所以從很大程度上抑止了無(wú)線(xiàn)電。

2.建立“個(gè)人微型網(wǎng)”(Personal areanet)：藍牙采用了擴頻技術(shù)，使整個(gè)藍牙頻段內噪聲影響變得最低。與其他工作在相同頻段地系統相比，藍牙調頻更快，藍牙設備與其他無(wú)線(xiàn)通信設備相比是低功耗地，藍牙技術(shù)地無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器地鏈接距離可達10米，使用高增益天線(xiàn)可以將有效通信范圍擴展到100米。不限制在直線(xiàn)范圍內，甚至設備不在同一個(gè)房間內也能相互鏈接，并且可以鏈接多個(gè)設備，活動(dòng)最多可達7個(gè)，在線(xiàn)設備可達200個(gè)，這樣就可以把用戶(hù)身邊地設備都鏈接起來(lái)，形成一個(gè)“個(gè)人微型網(wǎng)”.

3.不使生物電信號受影響：藍牙技術(shù)具有傳輸信號穩定、不易受干擾和不受物體阻礙等優(yōu)點(diǎn)，一般情況下通過(guò)藍牙技術(shù)，能有效取代傳統病房監護系統中病人身上的醫療傳感器與分析儀、PDA和電腦等分析設備之間的線(xiàn)纜。

對人體生命參數的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監控是廣大醫患的共同愿望，但基于傳統電子技術(shù)實(shí)現起來(lái)有無(wú)法避免的缺點(diǎn)。藍牙不僅可以取代個(gè)人電腦周邊的數據線(xiàn)纜，也能夠滿(mǎn)足監護病區中的患者周邊無(wú)線(xiàn)化的需求。通過(guò)病區藍牙網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現藍牙監護網(wǎng)與有線(xiàn)局域網(wǎng)的無(wú)縫連接，從而結合多種不同網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)，帶給患者簡(jiǎn)潔舒適的環(huán)境。

四、藍牙的使用安全性問(wèn)題

任何醫療設備的使用，首先要保證對人的絕對安全性，才有可能投入臨床使用，才能被被醫患雙方接受使用。安全性包括信息安全和生態(tài)安全。

1.信息安全

有實(shí)驗證明，微波爐的使用，會(huì )使數據傳送的速度減慢300k/s,除此之外，擴頻設備、跳頻設備、無(wú)線(xiàn)LAN等均會(huì )使數據傳送速度減慢。但是國際SIG在各種環(huán)境中做過(guò)實(shí)驗，低功率藍牙產(chǎn)品對其他同類(lèi)產(chǎn)品干擾微乎其微，相反，其他產(chǎn)品對藍牙的干擾可通過(guò)軟件或硬件方法解決。所以信息安全問(wèn)題更多地是在軟件協(xié)議棧中加以強調，由軟件工程師去主要解決。

2.生態(tài)安全

生態(tài)安全問(wèn)題是指當藍牙設備靠近人體時(shí)是否帶來(lái)危，主要是否有電離輻射等，這是使用的醫患雙方都十分敏感的問(wèn)題。由世界衛生組織、IEEE等專(zhuān)家組成的小組表示，檢測中并未發(fā)現藍牙產(chǎn)品的輻射對人體有影響。藍牙的問(wèn)題主要是由于藍牙使用和微波爐一樣的頻率范圍，是否會(huì )帶來(lái)不良的后果目前雖然尚無(wú)定論，但是一些組織分析認為藍牙輸出功率很小，只有1mW,是微波爐使用功率的百萬(wàn)分之一，也僅是移動(dòng)電話(huà)的輻射的幾分之一，而在這些輸出中僅僅只有一小部分被物體吸收，基本檢測不到局部有溫度增加。由于藍牙理想的連接范圍為5厘米~5米，但是可以通過(guò)增大發(fā)送電平可以將距離延長(cháng)至100米，因此可以根據需要進(jìn)一步減小藍牙輸出功率，縮短其連接范圍，這樣就更為安全了。

長(cháng)期來(lái)看，藍牙取代現有有線(xiàn)系統的機會(huì )不斷增加，短期內發(fā)展速度將會(huì )比較快。通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接來(lái)增加產(chǎn)能速度雖然較慢，但長(cháng)期潛力較大，有很好的發(fā)展前景。