藍(lán)牙系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及在醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

作者：陳曉紀(jì)，任永昌，姚遠(yuǎn) 來源：微計(jì)算機(jī)信息

醫(yī)學(xué)臨床監(jiān)護(hù)技術(shù)就是把患者的各種重要生理信息及時(shí)、準(zhǔn)確地提取出來進(jìn)行處理、分析和判斷幫助醫(yī)護(hù)人員對(duì)患者病情進(jìn)行監(jiān)測和防護(hù)的技術(shù)。醫(yī)學(xué)臨床監(jiān)護(hù)技術(shù)分為病房監(jiān)護(hù)技術(shù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)技術(shù)以及遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與家庭保健監(jiān)護(hù)。在現(xiàn)有醫(yī)療監(jiān)護(hù)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(hào)大多是人體信號(hào)，而且需要檢測人體處于自然狀態(tài)時(shí)的信號(hào)。這種將檢測設(shè)備通過有線方式連到人體上進(jìn)行監(jiān)測的傳統(tǒng)方法會(huì)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(hù)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(lán)牙技術(shù)就可以解決這個(gè)問題。帶有藍(lán)牙芯片的微型傳感器安置在人體身上，盡量使其不對(duì)人體正?；顒?dòng)產(chǎn)生干擾，從而得到較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，再通過藍(lán)牙技術(shù)將數(shù)據(jù)傳到接收設(shè)備上，并對(duì)其進(jìn)行處理。

1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)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(dòng)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(dòng)設(shè)備通信環(huán)境建立一個(gè)特別連接。其程序?qū)懺谝粋€(gè)9mmX9mm的微芯片中。如果把藍(lán)牙技術(shù)引入到移動(dòng)電話和膝上型電腦中，就可以去掉移動(dòng)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(jī)、PDA、桌上型電腦、傳真機(jī)、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(lán)牙系統(tǒng)的一部分。除此之外，藍(lán)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(gè)遠(yuǎn)離固定網(wǎng)絡(luò)的個(gè)人特別連接設(shè)備群。

藍(lán)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(lán)牙的數(shù)據(jù)速率為1Mb/s。時(shí)分雙工傳輸方案被用來實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。ISM頻帶是對(duì)所有無線電系統(tǒng)都開放的頻帶，因此使用其中的某個(gè)頻段都會(huì)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(lán)牙特別設(shè)計(jì)了快速確認(rèn)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(gè)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(jī)碼”），不斷地從一個(gè)信道“跳”到另一個(gè)信道。只有收發(fā)雙方是按這個(gè)規(guī)律進(jìn)行通信的，而其他的干擾不可能按同樣的規(guī)律進(jìn)行干擾；跳頻的瞬時(shí)帶寬是很窄的，但通過擴(kuò)展頻譜技術(shù)使這個(gè)窄帶寬成百倍地?cái)U(kuò)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(lán)牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍(lán)牙比其它系統(tǒng)更穩(wěn)定。FEC（Forward Error Correction，前向糾錯(cuò)）的使用抑制了長距離鏈路的隨機(jī)噪音。用二進(jìn)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(lán)牙系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

無線射頻單元主要負(fù)責(zé)射頻處理和基頻調(diào)制；鏈路控制單元是實(shí)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(cuò)控制和安全控制三方面的內(nèi)容；鏈路管理單元主要負(fù)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(lán)牙技術(shù)在病房監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用

在病房監(jiān)護(hù)中，由各類便攜式小型探測器采集的原始數(shù)據(jù)，通過藍(lán)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)相聯(lián)，由計(jì)算機(jī)分時(shí)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(hù)系統(tǒng)，由一臺(tái)主機(jī)連接各個(gè)科室的分機(jī)，各科室的分機(jī)又分別連接到各病房的房間探測器，此房間探測器作為藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的主單元，每一病房構(gòu)成一藍(lán)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(lán)牙系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

在此藍(lán)牙系統(tǒng)中，可將藍(lán)牙芯片集成到各小型探測器中，并在房間探測器上集成藍(lán)牙芯片?？墒褂盟{(lán)牙系統(tǒng)提供的一對(duì)多的連接方式，用一個(gè)帶有藍(lán)牙芯片的房間探測器作為微微網(wǎng)的主單元。各種帶有藍(lán)牙芯片的小型探測器作為從單元。一個(gè)微微網(wǎng)中活動(dòng)從單元的個(gè)數(shù)最多有7個(gè)。當(dāng)所需測量的生理參數(shù)超過7個(gè)時(shí)，有兩個(gè)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(shí)差，當(dāng)需要測量某個(gè)生理參數(shù)時(shí)，才激活相應(yīng)的從單元，只要保證同時(shí)處于活動(dòng)狀態(tài)的從單元數(shù)目不超過7個(gè)，就可達(dá)到目的。第二種方案是由具有重疊覆蓋區(qū)域的多個(gè)微微網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)散射網(wǎng)，每一微微網(wǎng)只能有一個(gè)主單元，從單元可基于時(shí)分復(fù)用參加不同的微微網(wǎng)。而在一個(gè)微微網(wǎng)中的主單元仍可作為另一個(gè)微微網(wǎng)的從單元。利用這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可達(dá)到上述目的。綜上所述，如圖3所示，可以這樣規(guī)劃一個(gè)病房中的藍(lán)牙系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：每一病床構(gòu)成一個(gè)微微網(wǎng)，各個(gè)帶有藍(lán)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(gè)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(lán)牙芯片的房間探測器作為散射網(wǎng)的主單元。

2.2 藍(lán)牙主、從單元工作方式

作為主單元的藍(lán)牙芯片使用外接串行設(shè)備的形式與PC主機(jī)相連接，藍(lán)牙在主機(jī)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?yàn)樗悄壳鞍l(fā)展最快的PC擴(kuò)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(dá)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(dá)到一個(gè)高速的串行連接體系。當(dāng)需要對(duì)心電進(jìn)行檢測時(shí)，就需要使用USB的高速傳輸性能，所以USB會(huì)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(jī)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(lán)牙芯片當(dāng)前只需要對(duì)一些諸如溫度、血壓等數(shù)據(jù)量不大的信號(hào)進(jìn)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(fù)責(zé)藍(lán)牙各設(shè)備間連接的建立和設(shè)置。

3 藍(lán)牙技術(shù)在動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)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(duì)處于正常生活和工作條件下的患者進(jìn)行長時(shí)間24小時(shí)甚至更長的連續(xù)監(jiān)測。這類監(jiān)測技術(shù)被稱為動(dòng)態(tài)監(jiān)測技術(shù)。目前最常用的動(dòng)態(tài)監(jiān)測是動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)、動(dòng)態(tài)血壓監(jiān)護(hù)、消化道生理參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)、腦電動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)。連續(xù)監(jiān)測的時(shí)間多為一個(gè)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。如果利用藍(lán)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(lán)牙技術(shù)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(lán)牙技術(shù)在遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)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(duì)高質(zhì)量高水平的醫(yī)療保障需求迅速增長？促使遠(yuǎn)程醫(yī)療事業(yè)快速發(fā)展。現(xiàn)代技術(shù)尤其是網(wǎng)絡(luò)通訊、計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)為遠(yuǎn)程醫(yī)療的發(fā)展提供了所必需的技術(shù)條件。在遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域中發(fā)展最快也是最先得以實(shí)用、給病人以實(shí)惠的是遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和家庭保健監(jiān)護(hù)。它不僅給患者帶來了方便也減少了住院醫(yī)療費(fèi)用。在遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與家庭保健監(jiān)護(hù)中，藍(lán)牙技術(shù)也有很多用武之地。就如同病房監(jiān)護(hù)一樣，在家中安裝一個(gè)帶有藍(lán)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(lán)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(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)的目的。設(shè)想一下，當(dāng)病人隨手拿起一個(gè)帶有藍(lán)牙芯片的微傳感器，進(jìn)行測試，生理參數(shù)就自動(dòng)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(huì)環(huán)境這對(duì)病人的心理健康和康復(fù)均有特殊的好處。

5 藍(lán)牙的使用安全性問題

將藍(lán)牙芯片用在醫(yī)療設(shè)備中，對(duì)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(huì)的現(xiàn)場進(jìn)行了Bluetooth和IEEE802.11b以及微波爐之間的相互干擾實(shí)驗(yàn)。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(shí)再使用對(duì)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(lán)牙應(yīng)用環(huán)境將包括擴(kuò)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(huì)議上談到，國際SIG在各種環(huán)境中做過實(shí)驗(yàn)，低功率藍(lán)牙產(chǎn)品對(duì)其他同類產(chǎn)品干擾微乎其微，相反，其他產(chǎn)品對(duì)藍(lán)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(qiáng)調(diào)，由軟件工程師去解決它。

生態(tài)安全問題是指當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備靠近人體時(shí)是否帶來危害，對(duì)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(fèi)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(lán)牙產(chǎn)品的輻射對(duì)人體有影響。藍(lán)牙的問題主要是由于藍(lán)牙使用和微波爐一樣的頻率范圍，是否會(huì)帶來不良的后果，目前也尚無定論。一些組織認(rèn)為藍(lán)牙輸出功率很?。ㄖ挥?mW），是微波爐使用功率的百萬分之一，是移動(dòng)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(lán)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(jìn)一步減小藍(lán)牙輸出功率，縮短其連接范圍，這樣就更為安全了。

藍(lán)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(qiáng)的生命力。當(dāng)前對(duì)藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用主要集中于小型的移動(dòng)通信設(shè)備，而把藍(lán)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(jìn)一步地研究。

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