藍牙系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、特點及在醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

作者：陳曉紀(jì)，任永昌，姚遠 來源：微計算機信息

醫(yī)學(xué)臨床監(jiān)護技術(shù)就是把患者的各種重要生理信息及時、準(zhǔn)確地提取出來進行處理、分析和判斷幫助醫(yī)護人員對患者病情進行監(jiān)測和防護的技術(shù)。醫(yī)學(xué)臨床監(jiān)護技術(shù)分為病房監(jiān)護技術(shù)、動態(tài)監(jiān)護技術(shù)以及遠程監(jiān)護與家庭保健監(jiān)護。在現(xiàn)有醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的傳輸一般采用有線的方式。由于生物醫(yī)學(xué)工程中所檢測的信號大多是人體信號，而且需要檢測人體處于自然狀態(tài)時的信號。這種將檢測設(shè)備通過有線方式連到人體上進行監(jiān)測的傳統(tǒng)方法會使病人感到不自然，心情緊張，從而導(dǎo)致所檢測到的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。特別在病房監(jiān)護中，各種連線不僅使病人感到不舒服，而且還使病房顯得雜亂無章，影響病人的心情。使用藍牙技術(shù)就可以解決這個問題。帶有藍牙芯片的微型傳感器安置在人體身上，盡量使其不對人體正常活動產(chǎn)生干擾，從而得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，再通過藍牙技術(shù)將數(shù)據(jù)傳到接收設(shè)備上，并對其進行處理。

1 藍牙技術(shù)

藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，它是一種用于替代移動設(shè)備或固定電子設(shè)備之間連接電纜的近距離無線鏈路。它以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接。其程序?qū)懺谝粋€9mmX9mm的微芯片中。如果把藍牙技術(shù)引入到移動電話和膝上型電腦中，就可以去掉移動電話與膝上型電腦之間令人討厭的連接電纜而通過無線建立通信。打印機、PDA、桌上型電腦、傳真機、鍵盤、游戲操縱桿以及所有其它的數(shù)字設(shè)備都可以成為藍牙系統(tǒng)的一部分。除此之外，藍牙無線技術(shù)還為已存在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)和外設(shè)提供通用接口以組建一個遠離固定網(wǎng)絡(luò)的個人特別連接設(shè)備群。

藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。藍牙的數(shù)據(jù)速率為1Mb/s。時分雙工傳輸方案被用來實現(xiàn)全雙工傳輸。ISM頻帶是對所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預(yù)測的干擾源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等，都可能是干擾源。為此，藍牙特別設(shè)計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。跳頻技術(shù)是把頻帶分成若干個跳頻信道（hop chan nel），在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列（即規(guī)律的“偽隨機碼”），不斷地從一個信道“跳”到另一個信道。只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)律進行通信的，而其他的干擾不可能按同樣的規(guī)律進行干擾；跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術(shù)使這個窄帶寬成百倍地擴展成寬頻帶。使干擾影響變得很小。與其它工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍牙比其它系統(tǒng)更穩(wěn)定。FEC（Forward Error Correction，前向糾錯）的使用抑制了長距離鏈路的隨機噪音。用二進制調(diào)頻（FM）技術(shù)的跳頻收發(fā)器抑制干擾和防止衰落。

藍牙系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

無線射頻單元主要負責(zé)射頻處理和基頻調(diào)制；鏈路控制單元是實現(xiàn)基帶協(xié)議和其他底層連接規(guī)程的基帶部分，包括建立網(wǎng)絡(luò)連接、差錯控制和安全控制三方面的內(nèi)容；鏈路管理單元主要負責(zé)基帶連接的設(shè)定及管理，基帶數(shù)據(jù)的分段及重組、多路復(fù)用和QOS（quality of service）等；軟件結(jié)構(gòu)單元主要為各種應(yīng)用提供應(yīng)用軟件所需的通信協(xié)議與應(yīng)用程序接口。

2 藍牙技術(shù)在病房監(jiān)護中的應(yīng)用

在病房監(jiān)護中，由各類便攜式小型探測器采集的原始數(shù)據(jù)，通過藍牙技術(shù)傳遞到病房探測器，房間探測器采用通訊總線與計算機系統(tǒng)相聯(lián)，由計算機分時采集各房間及床位參數(shù)。如圖2所示，醫(yī)院可采用整體監(jiān)護系統(tǒng)，由一臺主機連接各個科室的分機，各科室的分機又分別連接到各病房的房間探測器，此房間探測器作為藍牙網(wǎng)絡(luò)的主單元，每一病房構(gòu)成一藍牙網(wǎng)絡(luò)。此系統(tǒng)具有模塊化的功能，能根據(jù)各科室的不同需要增加或減少所測生理參數(shù)。

2.1 藍牙系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

在此藍牙系統(tǒng)中，可將藍牙芯片集成到各小型探測器中，并在房間探測器上集成藍牙芯片。可使用藍牙系統(tǒng)提供的一對多的連接方式，用一個帶有藍牙芯片的房間探測器作為微微網(wǎng)的主單元。各種帶有藍牙芯片的小型探測器作為從單元。一個微微網(wǎng)中活動從單元的個數(shù)最多有7個。當(dāng)所需測量的生理參數(shù)超過7個時，有兩個解決方案，一種是使更多的從單元處于鎖定于主單元的休眠狀態(tài)，由主單元控制激活順序，一般來說，某些所測生理參數(shù)不需要不間斷連續(xù)測量，故可利用這種時差，當(dāng)需要測量某個生理參數(shù)時，才激活相應(yīng)的從單元，只要保證同時處于活動狀態(tài)的從單元數(shù)目不超過7個，就可達到目的。第二種方案是由具有重疊覆蓋區(qū)域的多個微微網(wǎng)構(gòu)成一個散射網(wǎng)，每一微微網(wǎng)只能有一個主單元，從單元可基于時分復(fù)用參加不同的微微網(wǎng)。而在一個微微網(wǎng)中的主單元仍可作為另一個微微網(wǎng)的從單元。利用這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，就可達到上述目的。綜上所述，如圖3所示，可以這樣規(guī)劃一個病房中的藍牙系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：每一病床構(gòu)成一個微微網(wǎng)，各個帶有藍牙芯片的小型傳感器構(gòu)成這一微微網(wǎng)。由這一病房中的各個病床所組成微微網(wǎng)構(gòu)成一散射網(wǎng)，在這一散射網(wǎng)中，帶有藍牙芯片的房間探測器作為散射網(wǎng)的主單元。

2.2 藍牙主、從單元工作方式

作為主單元的藍牙芯片使用外接串行設(shè)備的形式與PC主機相連接，藍牙在主機端支持的設(shè)備連接方式有三種USB、UART和PC插卡。從長期來看 USB是最好的選擇？因為它是目前發(fā)展最快的PC擴展連接方式？并且已經(jīng)由PC領(lǐng)域滲透到信息家電領(lǐng)域；從速度上來看？目前使用的USB1.0和USB1.1在全速率情況下？有12Mbps的速度？而下一代USB2.0規(guī)范也基本上得到了通過？其速率已經(jīng)達到了480Mbps從串行設(shè)備發(fā)展的歷史來看USB基本上是串行設(shè)備的最終形式？經(jīng)歷了從RS-232到RS-485等一系列發(fā)展之后？達到一個高速的串行連接體系。當(dāng)需要對心電進行檢測時，就需要使用USB的高速傳輸性能，所以USB會是長期的最終選擇。如圖３所示需要使用基帶協(xié)議、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議L2CAP、服務(wù)搜索協(xié)議（SDP）、電纜替代協(xié)議（RFCOMM），并使用主機控制接口（HCI）為基帶控制器、鏈路管理器，硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令接口，如圖4所示。

作為從單元的藍牙芯片當(dāng)前只需要對一些諸如溫度、血壓等數(shù)據(jù)量不大的信號進行監(jiān)測，故只需要使用基帶層協(xié)議，以及鏈路管理協(xié)議（LMP）。在主單元與從單元之間建立異步無鏈接鏈路（ACL）采用DM1分組。通過LMP負責(zé)藍牙各設(shè)備間連接的建立和設(shè)置。

3 藍牙技術(shù)在動態(tài)監(jiān)護中的應(yīng)用

為了早期和準(zhǔn)確地診斷一些重要生理系統(tǒng)的功能性疾病往往需要對處于正常生活和工作條件下的患者進行長時間24小時甚至更長的連續(xù)監(jiān)測。這類監(jiān)測技術(shù)被稱為動態(tài)監(jiān)測技術(shù)。目前最常用的動態(tài)監(jiān)測是動態(tài)心電監(jiān)護、動態(tài)血壓監(jiān)護、消化道生理參數(shù)的動態(tài)監(jiān)護、腦電動態(tài)監(jiān)護。連續(xù)監(jiān)測的時間多為一個晝夜，均由病人隨身佩帶能連續(xù)記錄相關(guān)生理參數(shù)的便攜式記錄盒。在記錄完成后 ？將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒治龉ぷ髡具M行數(shù)據(jù)分析和處理。如果利用藍牙技術(shù)使傳感器與記錄盒分離，記錄盒放置在衣服口袋或隨身攜帶的公文包中，傳感器利用藍牙技術(shù)點對點無線傳輸數(shù)據(jù)給記錄盒，免除了各種連線在病人身上纏繞帶來的不便。

4 藍牙技術(shù)在遠程監(jiān)護中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和生活水平的提高人們對高質(zhì)量高水平的醫(yī)療保障需求迅速增長？促使遠程醫(yī)療事業(yè)快速發(fā)展?，F(xiàn)代技術(shù)尤其是網(wǎng)絡(luò)通訊、計算機、微電子技術(shù)為遠程醫(yī)療的發(fā)展提供了所必需的技術(shù)條件。在遠程醫(yī)療領(lǐng)域中發(fā)展最快也是最先得以實用、給病人以實惠的是遠程監(jiān)護和家庭保健監(jiān)護。它不僅給患者帶來了方便也減少了住院醫(yī)療費用。在遠程監(jiān)護與家庭保健監(jiān)護中，藍牙技術(shù)也有很多用武之地。就如同病房監(jiān)護一樣，在家中安裝一個帶有藍牙芯片的房間探測器，其余各種醫(yī)療設(shè)備將數(shù)據(jù)通過藍牙芯片傳輸?shù)椒块g探測器，房間探測器再與Internet網(wǎng)連接，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)结t(yī)院或社區(qū)保健中心，達到遠程監(jiān)護的目的。設(shè)想一下，當(dāng)病人隨手拿起一個帶有藍牙芯片的微傳感器，進行測試，生理參數(shù)就自動地傳輸出去。免除了復(fù)雜連線給病人心理帶來的不良影響，使病人享受良好的家庭和社會環(huán)境這對病人的心理健康和康復(fù)均有特殊的好處。

5 藍牙的使用安全性問題

將藍牙芯片用在醫(yī)療設(shè)備中，對其安全性要格外重視。安全問題包括信息安全和生態(tài)安全。

索尼在日本無線展覽會的現(xiàn)場進行了Bluetooth和IEEE802.11b以及微波爐之間的相互干擾實驗。結(jié)果表明，在無干擾的情況下，數(shù)據(jù)傳送速度為500~600kb/s。一旦使用微波爐，由于干擾的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳送速度降至300kb/s，此時再使用對應(yīng)IEEE802.11b規(guī)格的無線LAN，由于干擾的加大，數(shù)據(jù)傳送速度下降至100~299kb/s。未來的藍牙應(yīng)用環(huán)境將包括擴頻設(shè)備、跳頻設(shè)備、無線LAN、微波爐等。又據(jù)SIG英特爾公司在京一次會議上談到，國際SIG在各種環(huán)境中做過實驗，低功率藍牙產(chǎn)品對其他同類產(chǎn)品干擾微乎其微，相反，其他產(chǎn)品對藍牙的干擾，可通過軟件或硬件方法解決。故信息安全問題更多地是在軟件協(xié)議棧中加以強調(diào)，由軟件工程師去解決它。

生態(tài)安全問題是指當(dāng)藍牙設(shè)備靠近人體時是否帶來危害，對此人們非常關(guān)心。隨著無線技術(shù)的深入人心？輻射也成了消費者非常關(guān)心的問題。由世界衛(wèi)生組織、ＩＥＥＥ等專家組成的小組表示？檢測中并未發(fā)現(xiàn)藍牙產(chǎn)品的輻射對人體有影響。藍牙的問題主要是由于藍牙使用和微波爐一樣的頻率范圍，是否會帶來不良的后果，目前也尚無定論。一些組織認為藍牙輸出功率很小（只有1mW），是微波爐使用功率的百萬分之一，是移動電話的一小部分。而在這些輸出中，也僅僅有一小部分被物體吸收，基本檢測不到溫度的增加。由于藍牙理想的連接范圍為10厘米~10米，但是通過增大發(fā)送電平可以將距離延長至100米。因此可以根據(jù)需要進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。

藍牙技術(shù)是最近提出的一種小范圍信息傳輸系統(tǒng)，已表現(xiàn)出較強的生命力。當(dāng)前對藍牙技術(shù)的應(yīng)用主要集中于小型的移動通信設(shè)備，而把藍牙技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備中的研究尚處于起步階段，但已顯示出廣闊的前景。需要進一步地研究。

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