本文探討了便攜式醫(yī)療系統(tǒng)中無線監(jiān)控的挑戰(zhàn)性要求。 在設(shè)計(jì)高可靠性醫(yī)療設(shè)備時(shí)需要權(quán)衡各種工程環(huán)節(jié)，從超低功耗收發(fā)器和各種協(xié)議，到高效電源管理和傳感器接口。

便攜式醫(yī)療器件的開發(fā)人員和用戶越來越要求增強(qiáng)連接性、延長(zhǎng)電池壽命，因此安全性正成為關(guān)鍵問題。

目前有多種應(yīng)對(duì)方式，包括在智能藍(lán)牙等協(xié)議中增加安全特性，以使家庭監(jiān)控更加安全。

IMS Research 預(yù)測(cè)，紐扣電池供電型醫(yī)療器件中使用的智能藍(lán)牙將成為未來幾年的熱門，僅 2016 年的系統(tǒng)發(fā)貨量就能超過 470 萬套。 智能藍(lán)牙中有三分之一以上將提供無線連接，部分程度上是由于連接安全性的推動(dòng)作用。

這說明了設(shè)計(jì)安全性和可靠性、微控制器、無線收發(fā)器之間的緊密聯(lián)系，以及不同因素之間的平衡。

智能藍(lán)牙越來越受歡迎，它可將智能手機(jī)用作便攜式醫(yī)療器件的接口。 手機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)既可在本地處理，也可通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)或本地 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。 如此一來，對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)人員的要求顯著降低了，但確保數(shù)據(jù)在傳輸鏈中的安全性變卻得愈發(fā)重要，傳輸鏈中的智能藍(lán)牙應(yīng)用尤其流行。

其中一種方式便是使用藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟 (SIG) 開發(fā)的 Health Device Profile (HDP)。 此方法可優(yōu)化電池較低漏極的無線鏈接性能，而且針對(duì)特定應(yīng)用增加了多種格式，尤其是醫(yī)療設(shè)備。 這意味著醫(yī)療產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)特定應(yīng)用選擇相應(yīng)的規(guī)范，從而降低存儲(chǔ)器和電源開銷。 HDP 支持醫(yī)療和健身應(yīng)用，如體溫測(cè)量、血壓、體重計(jì)、血糖、脈搏血氧飽和度、心率、計(jì)步器、速度、距離、周期節(jié)奏、簡(jiǎn)單遙控和電池狀態(tài)。

圖 1：數(shù)據(jù)流通過藍(lán)牙從無線醫(yī)療器件傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)再到云端。

除數(shù)據(jù)安全外，智能藍(lán)牙還增加了隱私保護(hù)，尤其是當(dāng)用戶在進(jìn)行戶外活動(dòng)時(shí)。 這限制了通過頻繁改變的器件隨機(jī)地址追蹤傳輸器件的能力。

在電子醫(yī)療記錄和遠(yuǎn)程醫(yī)療日益盛行的趨勢(shì)之下，醫(yī)療從業(yè)人員同樣有職責(zé)像保護(hù)傳統(tǒng)紙質(zhì)記錄那樣，保護(hù)患者醫(yī)療記錄，維護(hù)患者治療隱私。 由于電子文檔更容易被復(fù)制和傳播，電子文件、圖像、音頻和視頻的存儲(chǔ)需要更高層次的安全。 因此，在開發(fā)任何便攜式醫(yī)療器件時(shí)需要認(rèn)真考慮數(shù)字安全問題。

TI 的 MSP430FR59xx 16 位微控制器系列采用鐵電存儲(chǔ)器 (FRAM) 實(shí)現(xiàn)低功耗存儲(chǔ)，在與無線產(chǎn)品結(jié)合時(shí)，通過智能藍(lán)牙個(gè)人保健器件類 (PHDC) 協(xié)議，能用于血壓監(jiān)視器、血糖儀、體重秤、脈搏血氧計(jì)等。

將傳統(tǒng)藍(lán)牙的 AES 加密技術(shù)應(yīng)用到 FRAM 微控制器的硬件加速器中，以便保持盡可能低的功耗。 256 位 AES 引擎可用于 128、196 和 256 位密鑰，并且不同類型的加密方式對(duì)應(yīng)不同的 DMA 支持，如 ECB、CBC、OFB 和 CFB。 這樣可將數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)?AES 引擎上，無需使用無線收發(fā)器的中央內(nèi)核，進(jìn)而降低功耗。

收發(fā)器連接也盡可能保持低功耗，帶有 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，200 ksps 時(shí)耗電 75 μA，支持最多八通道差分輸入。 每個(gè)輸入還有窗口比較器功能，可以簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)比較，以便僅捕獲顯著改變，從而進(jìn)一步降低醫(yī)療應(yīng)用的功耗。

讓無線固件更容易更新，為時(shí)間敏感的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供更快速的響應(yīng)，控制器中的 FRAM 存儲(chǔ)器可由此節(jié)省 12-15% 的電池壽命。 此外，F(xiàn)RAM 續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，不需要外部 EEPROM，因?yàn)榇a存儲(chǔ)在內(nèi)部，所以設(shè)計(jì)更加安全，并可降低功耗、物料清單和制造復(fù)雜度。 器件還包括 IP 防護(hù)、器件 ID、篡改檢測(cè)和安全數(shù)據(jù)記錄，以進(jìn)一步保護(hù)無線系統(tǒng)中運(yùn)行的數(shù)據(jù)。

超低功耗模式對(duì)此類型的設(shè)計(jì)也至關(guān)重要，該平臺(tái)可支持七種低功耗模式，可在 6 μs 內(nèi)快速喚醒。

這些微控制器用于配合無線收發(fā)器使用，如 Texas Instruments 的 CC2541 藍(lán)牙收發(fā)器。 包括名為 BLE 堆棧的免費(fèi)固件，它能實(shí)現(xiàn)便攜式設(shè)計(jì)的空中 (OTA) 下載，讓升級(jí)更加容易。 控制器、主機(jī)和應(yīng)用處理器全部集成到一個(gè) 6 mm x 6 mm 的封裝中。 收發(fā)器 18.5 mA 傳輸電流的低功耗設(shè)計(jì)意味著，它能靠單顆紐扣電池工作一年以上。

圖 2：CC2541 開發(fā)套件包括用于安全無線鏈路的智能藍(lán)牙收發(fā)器。

Dialog Semiconductor 的 DA14580 采用了不同的方法。 這是一款全集成無線電收發(fā)器和智能藍(lán)牙基帶處理器。 它可用作獨(dú)立應(yīng)用處理器，或者作為帶有單獨(dú)微控制器的托管型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)泵。

DA14580 支持存儲(chǔ)藍(lán)牙規(guī)范和自定義應(yīng)用代碼的靈活存儲(chǔ)架構(gòu)，可以通過 OTA 更新。 智能藍(lán)牙協(xié)議堆棧存儲(chǔ)在專門的 ROM 中，通過簡(jiǎn)單調(diào)度程序在集成的 16 MHz ARM Cortex-M0 處理器上運(yùn)行。

圖 3：Dialog Semiconductor 的 DA14580 整合了帶 2.4 GHz 智能藍(lán)牙收發(fā)器的 ARM Cortex-M0 內(nèi)核。

智能藍(lán)牙固件包括 L2CAP 服務(wù)層協(xié)議、安全管理器 (SM)、屬性協(xié)議 (ATT)、通用規(guī)范 (GATT) 以及通用訪問規(guī)范 (GAP)，128 位 AES 加密處理器支持這些協(xié)議，可確保數(shù)據(jù)流安全。

為了簡(jiǎn)化設(shè)備設(shè)計(jì)，收發(fā)器一端直接連接天線，另一端有鏈路層專用加速器，可提供 93 dB 鏈路預(yù)算。 設(shè)計(jì)中的所有 RF 代碼塊均通過片載低壓差穩(wěn)壓器 (LDO) 提供，可按代碼塊編程，并經(jīng)過最小功耗優(yōu)化。

DA14580 搭載 Dialog 的 SmartSnippets 藍(lán)牙軟件平臺(tái)，包括符合要求的片載智能藍(lán)牙單模式堆棧。 其配有各種消費(fèi)者健康、運(yùn)動(dòng)、健身、安全和近端應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)智能藍(lán)牙規(guī)范，其它用戶規(guī)范可以輕松開發(fā)并加入到堆棧中。 SmartSnippets 軟件開發(fā)環(huán)境是基于 Keil 的 uVision 工具，其中包括嵌入式和托管模式的范例代碼。

但并非所有的便攜式醫(yī)療設(shè)計(jì)都需要智能藍(lán)牙。 家用健康監(jiān)控系統(tǒng)可以使用 Silicon Labs 的 Si106x/8x 等器件，連接到家庭網(wǎng)絡(luò)而非移動(dòng)電話，以便利用集線器中的其它計(jì)算資源來確保安全性。 對(duì)于不超出家庭范圍的系統(tǒng)，這種方案所需器件更小巧、成本更低。 106x/108x 將高性能無線連接和超低功耗 8051 微控制器處理整合到外形尺寸為 5 mm x 6 mm 的芯片中。 可支持 142 到 1050 MHz 范圍的主要頻率帶寬，包括集成的先進(jìn)數(shù)據(jù)包處理引擎和實(shí)現(xiàn)高達(dá) 146 dB 鏈路預(yù)算的能力。 這樣即可允許設(shè)計(jì)人員平衡鏈路預(yù)算、低功耗范圍和更長(zhǎng)的電池壽命。

圖 4：Si106x 收發(fā)器整合了帶 sub-GHz 無線鏈路的 8051 控制器內(nèi)核，適用于家庭低成本監(jiān)控。

Silicon Labs 器件經(jīng)過優(yōu)化，通過最大限度地降低傳輸、接收、工作模式、休眠模式電流并支持快速喚醒功能，能將電池供電型應(yīng)用的能耗降至最低。 Si106x 無線 MCU 與 Si108x 器件引腳兼容，閃存容量從 8 擴(kuò)展到 64 kB，并可提供堅(jiān)固的模數(shù)外設(shè)，包括 ADC、雙比較器、計(jì)時(shí)器和 GPIO。

結(jié)論

安全性正成為無線便攜式醫(yī)療設(shè)備日益重要的設(shè)計(jì)要求。 使用智能藍(lán)牙的最新規(guī)范能增加安全鏈路，同時(shí)優(yōu)化特定醫(yī)療應(yīng)用設(shè)計(jì)，盡可能實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的電池壽命。 可以通過結(jié)合超低功耗微控制器和收發(fā)器，或通過高度集成的片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。 也可通過更簡(jiǎn)單的鏈接到家庭網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)，家庭網(wǎng)絡(luò)的處理能力更強(qiáng)，可確保數(shù)據(jù)在傳輸鏈路中保持安全。