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藍牙技術在醫療監護中的應用 |
重慶大學生物工程學院(400044)陳劍郭興明劉曉東 |
摘
要︰ 簡要介紹了藍牙技術的特點，著重介紹了藍牙技術在醫療監護中的應用，討論了藍牙技術的安全性問題。
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關鍵詞︰
藍牙技術藍牙系統醫療監護病房監護
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醫學臨床監護技術就是把患者的各种重要生理信息及時、准确地提取出來進行處理、分析和判斷,幫助醫護人員對患者病情進行監測和防護的技術。醫學臨床監護技術分為病房監護技術、動態監護技術以及遠程監護与家庭保健監護。在現有醫療監護系統中，數据的傳輸一般采用有線的方式。由于生物醫學工程中所檢測的信號大多是人体信號，而且需要檢測人体處于自然狀態時的信號。這种將檢測設備通過有線方式連到人体上進行監測的傳統方法會使病人感到不自然，心情緊張，從而導致所檢測到的數据不准确。特別在病房監護中，各种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体身上，盡量使其不對人体正常活動產生干扰，從而得到較為准确的數据，再通過藍牙技術將數据傳到接收設備上，并對其進行處理。
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| 1藍牙技術 |
藍牙技術是一种無線數据与語音通信的開放性全球規范，它是一种用于替代移動設備或固定電子設備之間連接電纜的近距离無線鏈路。它以低成本的近距离無線連接為基礎，為固定与移動設
備通信環境建立一個特別連接。其程序寫在一個9mmX9mm的微芯片中。如果把藍牙技術引入到移動電話和膝上型電腦中，就可以去掉移動電話与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。打印机、PDA、桌上型電腦、傳真机、鍵盤、游戲操縱杆以及所有其它的數字設備都可以成為藍牙系統的一部分。除此之外，藍牙無線技術還為已存在的數字网絡和外設提供通用接口以組建一個遠离固定网絡的個人特別連接設備群。
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藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業、科學、醫學)頻段。藍牙的數据速率為1Mb/s。時分雙工傳輸方案被用來實現全雙工傳輸。ISM頻帶是對所有無線電系統都開放的頻帶，因此使用其中的某個頻段都會遇到不可預測的干扰源。例如某些家電、無繩電話、汽車房開門器、微波爐等，都可能是干扰源。為此，藍牙特別設計了快速确認和跳頻方案以确保鏈路穩定。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻信道(hop
chan nel)，在一次連接中，無線電收發器按一定的碼序列(即規律的“偽隨机碼”)，不斷地從一個信道“跳”到另一個信道。只有收發雙方是按這個規律進行通信的，而其他的干扰不可能按同樣的規律進行干扰；跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶寬成百倍地擴展成寬頻帶。使干扰影響變得很小。与其它工作在相同頻段的系統相比，藍牙跳頻更快，數据包更短，這使藍牙比其它系統更穩定。FEC(Forward
Error Correction，前向糾錯)的使用抑制了長距离鏈路的隨机噪音。用二進制調頻(FM)技術的跳頻收發器抑制干扰和防止衰落。
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| 藍牙系統的組成框圖如圖1所示。 |
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無線射頻單元主要負責射頻處理和基頻調制；鏈路控制單元是實現基帶協議和其他底層連接規程的基帶部分，包括建立网絡連接、差錯控制和安全控制三方面的內容；鏈路管理單元主要負責基帶連接的設定及管理，基帶數据的分段及重組、多路复用和QOS(quality
of service)等；軟件結构單元主要為各种應用提供應用軟件所需的通信協議与應用程序接口。
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| 2藍牙技術在病房監護中的應用 |
在病房監護中，由各類便攜式小型探測器采集的原始數据，通過藍牙技術傳遞到病房探測器，房間探測器采用通訊總線与計算机系統相聯，由計算机分時采集各房間及床位參數。如圖2所示，醫院可采用整体監護系統，由一台主机連接各個科室的分机，各科室的分机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网絡的主單元，每一病房构成一藍牙网絡。此系統具有模塊化的功能，能根据各科室的不同需要增加或減少所測生理參數。
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| 2.1藍牙系統的网絡构成 |
在此藍牙系統中，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网的主單元。各种帶有藍牙芯片的小型探測器作為從單元。一個微微网中活動從單元的個數最多有7個。當所需測量的生理參數
超過7個時，有兩個解決方案，一种是使更多的從單元處于鎖定于主單元的休眠狀態，由主單元控制激活順序，一般來說，某些所測生理參數不需要不間斷連續測量，故可利用這种時差，當需要測量某個生理參數時，才激活相應的從單元，只要保証同時處于活動狀態的從單元數目不超過7個，就可達到目的。第二种方案是由具有重疊覆蓋區域的多個微微网构成一個散射网，每一微微网只能有一個主單元，從單元可基于時分复用參加不同的微微网。而在一個微微网中的主單元仍可作為另一個微微网的從單元。利用這种网絡拓扑結构，就可達到上述目的。綜上所述，如圖3所示，可以這樣規划一個病房中的藍牙系統网絡︰每一病床构成一個微微网，各個帶有藍牙芯片的小型傳感器构成這一微微网。由這一病房中的各個病床所組成微微网构成一散射网，在這一散射网中，帶有藍牙芯片的房間探測器作為散射网的主單元。
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| 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備的形式与PC主机相連接，藍牙在主机端支持的設備連接方式有三种USB、UART和PC插卡。從長期來看
USB是最好的選擇�陁]為它是目前發展最快的PC擴展連接方式�陁}且已經由PC領域滲透到信息家電領域；從速度上來看�䰻堳e使用的USB1.0和USB1.1在全速率情況下�陁�12Mbps的速度�陁茪U一代USB2.0規范也基本上得到了通過�傦銙t率已經達到了480Mbps從串行設備發展的歷史來看USB基本上是串行設備的最終形式�醎g歷了從RS-232到RS-485等一系列發展之后�畺F到一個高速的串行連接体系�嵗C當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議、邏輯鏈路控制和适配協議L2CAP�嵗B服務搜索協議(SDP)�嵗B電纜替代協議(RFCOMM)，并使用主机控制接口(HCI)為基帶控制器、鏈路管理器，硬件狀態和控制寄存器提供命令接口，如圖4所示。
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作為從單元的藍牙芯片當前只需要對一些諸如溫度、血壓等數据量不大的信號進行監測，故只需要使用基帶層協議，以及鏈路管理協議(LMP)。在主單元与從單元之間建立异步無鏈接鏈路(ACL
)采用DM1分組。通過LMP負責藍牙各設備間連接的建立和設置。
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| 3藍牙技術在動態監護中的應用 |
為了早期和准确地診斷一些重要生理系統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監測。這類監測技術被稱為動態監測技術。目前最常用的動態監測是動態心電監護、動態血壓監護、消化道生理參數的動態監護、腦電動態監護。連續監測的時間多為一個晝夜，均由病人隨身佩帶能連續記錄相關生理參數的便攜式記錄盒。在記錄完成后
��將數据傳輸到分析工作站進行數据分析和處理。如果利用藍牙技術使傳感器与記錄盒分离，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點對點無線傳輸數据給記錄盒，免除了各种連線在病人身上纏繞帶來的不便。
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| 4藍牙技術在遠程監護中的應用 |
隨著現代科技的發展和生活水平的提高人們對高質量高水平的醫療保障需求迅速增長�駚P使遠程醫療事業快速發展。現代技術尤其是网絡通訊、計算机、微電子技術為遠程醫療的發展提供了所必需的技術條件。在遠程醫療領域中發展最快也是最先得以實用、給病人以實惠的是遠程監護和家庭保健監護。它不僅給患者帶來了方便也減少了住院醫療費用。在遠程監護与家庭保健監護中，藍牙技術也有很多用武之地。就如同病房監護一樣，在家中安裝一個帶有藍牙芯片的房間探測器，其余各种醫療設備將數据通過藍牙芯片傳輸到房間探測器，房間探測器再与Internet网連接，通過网絡將數据傳輸到醫院或社區保健中心，達到遠程監護的目的。設想一下，當病人隨手拿起一個帶有藍牙芯片的微傳感器，進行測試，生理參數就自動地傳輸出去。免除了复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境
這對病人的心理健康和康复均有特殊的好處。
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| 5藍牙的使用安全性問題 |
將藍牙芯片用在醫療設備中，對其安全性要格外重視。安全問題包括信息安全和生態安全。
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索尼在日本無線展覽會的現場進行了Bluetooth和IEEE802.11b以及微波爐之間的相互干扰實驗。結果表明，在無干扰的情況下，數据傳送速度為500~600kb/s。一旦使用微波爐，由于干扰的出現，數据傳送速度降至300kb/s，此時再使用對應IEEE802.11b規格的無線LAN，由于干扰的加大，數据傳送速度下降至100~299kb/s。未來的藍牙應用環境將包括擴頻設備、跳頻設備、無線LAN、微波爐等。又据SIG英特爾公司在京一次會議上談到，國際SIG在各种環境中做過實驗，低功率藍牙產品對其他同類產品干扰微乎其微，相反，其他產品對藍牙的干扰，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議棧中加以強調，由軟件工程師去解決它。
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生態安全問題是指當藍牙設備靠近人体時是否帶來危害，對此人們非常關心。隨著無線技術的深入人心�𣳽蝞g也成了消費者非常關心的問題。由世界衛生組織、ＩＥＥＥ等專家組成的小組表示��檢測中并未發現藍牙產品
的輻射對人体有影響。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百万分之一，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体吸收，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，但是通過增大發送電平可以將距离延長至100米。因此可以根据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。
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藍牙技術是最近提出的一种小范圍信息傳輸系統，已表現出較強的生命力。當前對藍牙技術的應用主要集中于小型的移動通信設備，而把藍牙技術應用于醫療設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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| 參考文獻 |
| 1.Specifications
of the Bluetooth System Version1.0 http//www.Bluetooth.com |
2.冼偉銓.“藍牙”在家庭無線网絡中的連接方案.
廣西師院
學報(自然科學版),2001;18(2) |
| 3.金純.藍牙技術.北京︰電子工業出版社,2001.3 |
(收稿日期︰2001-01-03)
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| 注︰
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| 電子技術應用1995~1999光盤版 |
| 本刊光盤版正式發行，內容完整，檢索方便。
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訂价︰100元/套(含郵資)
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2002.06.11 |
