蓝牙无线通信技术在医疗监护中的应用

0引言

目前的医疗监控设备多数是由独立设备构成，通过打印或屏幕显示信息。获取患者信息需要大量工作，护士需要不断到患者床边观察监视器上的重要数据并将它们记录下来，可能产生输入错误。如何从医疗设备直接自动收集患者信息并通过网络传输到数据库，实时、远程监护患者情况，成为当前医疗护理迫切解决问题。蓝牙技术具有跳频快、数据包短、功率低、稳定、抗干扰能力强、辐射小等特点，非常适合解决上述问题。文中基于蓝牙技术特点，提出了无线监控系统设计方案，并对方案的关键部分进行了研究。

1蓝牙技术及其特征

1.1蓝牙技术

SIG组织于1999年7月26日推出了蓝牙技术规范1.0版本。蓝牙技术的系统结构分为三大部分：底层硬件模块、中间协议层和高层应用。 底层硬件部分包括无线跳频^[1]（RF）、基带（BB）和链路管理（LM）。无线跳频层通过2.4GHz无需授权的ISM频段的微波，实现数据位流的过滤和传输，本层协议主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所需要满足的条件。基带负责跳频以及蓝牙数据和信息帧的传输。链路管理负责连接、建立和拆除链路并进行安全控制。 

蓝牙技术结合了电路交换与分组交换的特点，可以进行异步数据通信，可以支持多达3个同时进行的同步话音信道，还可以使用一个信道同时传送异步数据和同步话音。

中间协议层包括逻辑链路控制和适应协议、服务发现协议、串口仿真协议和电话通信协议。逻辑链路控制和适应协议具有完成数据拆装、控制服务质量和复用协议的功能，该层协议是其它各层协议实现的基础。服务发现协议层为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服务及其特性。

主机控制接口层（HCI）是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它提供了一个调用基带、链路管理、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。蓝牙设备之间进行通信时，HCI以上的协议软件实体在主机上运行，而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。在蓝牙协议栈的最上部是各种高层应用框架。

蓝牙系统一般由４个功能单元组成，如图１所示。

图１ 蓝牙系统功能单元

1.2蓝牙技术特征

（1）工作在2.56GHz ISM频段

（2）使用跳频扩频^[2]FHSS技术

（3）一个微微网中可支持8个设备

（4）全向传输，设备不须定向

（5）范围为10米到100米

（6）成本低，每片蓝牙技术芯片约20美元

（7）功率为1mW

（8）使用外部功放可将有效范围扩展到100米左右

2蓝牙技术在医疗监护中的应用

2.1系统硬件结构设计

图2 医疗监护系统框架图

医疗监护系统硬件结构由中央处理芯片MSP430F449、蓝牙芯片以及其它外围模块（语音模块、数据提取模块、键盘和液晶显示屏等组成）。医疗监护系统的整体结构框架如图2所示。

2.2 硬件介绍

（1）       MSP430F449芯片

微处理芯片采用的是MSP430F449芯片，由美国TI公司生产的一种以超低功耗为主要特色的16为单片机，同时具有高集成度、宽环境温度范围、高精度A/D转换等技术性能，拥有串行通信接口、硬件乘法器、LTD驱动电路及高抗干扰能力等特点。

（2）       蓝牙芯片

BRF6100是德州仪器（TEXAS INSTRUMENTS;TI）开发的。将蓝牙基频、射频、记忆体、电源管理、PLL、Loop filter、antenna switch、filters整合成单一芯片，也率先采用0.13微米 CMOS铜制程。根据TI的说法，能够提升晶片效能、降低成本、减少机板面积是BRF6100的三大特色。适用于 802.11b 的协作 I/F 与 TI 移动无线 LAN、OMAP^[3]平台、TCS 芯片组解决方案无缝集成 其先进的架构在利用了数字射频处理的独特高性能处理特性的同时，还沿用了 TI 0.13u 数字 CMOS 处理技术。

BRF6100的特性包括：

制程：0.13u CMOS

使用电力：25mA

电压：1.7-3.6V

灵敏度：-85dBm (0.1% BER)

整合RF Switch

最高传输速度为723.2K/s

可在- 40～+85℃的温度下工作

最高可与7个Slave装置进行传输

2.3系统实现原理

将蓝牙监控设备放在每个病房中，同医疗设备连接，收集病人的信息。经由基站接收机，将病人的信息和自身基站的地址信息相组合，经RS485总线发送给临近的上一个基站接收机，再由这个基站上传，直至发送到中心服务器，由中心服务器进行数据的分析，处理，并提供查询，管理等功能。各科室可以时时了解病人信息，实现对病人的远程监护，一旦病人病情恶化，蓝牙监控设备将报警信号传送到中心服务器上，监护人员可以在第一时间确定病人房间号码和病人情况，以便采取应急措施。监控设备分布如图3所示。

图3 监控设备分布图

数据采集与报警流程图如图4示。

图4 系统流程图

3蓝牙抗干扰特性分析

蓝牙技术成本低，功耗小，具有独特的抗干扰性。

（1）抗噪性能分析

在高斯噪声环境下，系统不受干扰的条件为：在误码率（BER）为0.1%的条件下，传入C/I_AWGN达到21dB。为了保证接收机不受干扰，接收机接收的信号功率必须大于其接收灵敏度RX_SENX,按以下公式计算载波干扰比^[4]为：

其中，G_N为总噪声增益，G为放大器增益,N₀+10logB（dBm）为接收机输入加性高斯白噪声功率,N₀（dBm/Hz）为单位接收噪声密度，B（Hz）为接收机接收信号带宽。

（2）抗同频干扰性能分析

蓝牙设备在保证系统可用性方面采取了一些措施，如采用跳频、纠错编码^[5]、ARQ机制、HEC算法等。

4 结束语

基于蓝牙无线通讯技术的医疗监护系统利用蓝牙网络容量大、功耗低、实时性等优势，采用BRM6100蓝牙芯片，实现蓝牙无线定位和基站的通信，基站发送无线信号到中心服务器，可以实现控制中心对患者的动态监护。蓝牙无线通讯技术存在着传输距离短，传输信号可能被干扰等问题，在一定程度上影响了蓝牙技术在医疗中的应用。随着蓝牙技术的不断成熟，蓝牙技术在医疗中的应用会越来越广泛。

本文创新点：充分利用蓝牙技术的特点，将蓝牙技术和现有医疗设备结合，动态提取患者信息，对患者进行远程监护，从而更加完善了医疗监护系统。

参考文献

[1] 刘传菊,王克强,肖明明. 无线系统中Bluetooth链路的有效性及可靠性研究[J]. 微计算机信息，2006(14):213-215.

[2] 李莉. 一种蓝牙无线传感器网络的实现[J].微计算机信息，2006（20）：244-246.

[3] 金纯,林金朝,万宝红.蓝牙协议及其源代码分析[M].北京: 国防工业出版社,2006:10-11.

[4] 杨光松,石江宏,孙建民.蓝牙抗干扰技术及2.4GHz无线网络频率共存分析[J]. 信息技术,2003(9):9-10.

[5] 马建仓,罗亚军,赵玉亭.蓝牙核心技术及应用[M]．北京:科学出版社,2003:184-185.