蓝牙系统的组成结构、特点及在医疗监护系统中的应用研究

　　作者：陈晓纪，任永昌，姚远  来源：微计算机信息

医学临床监护技术就是把患者的各种重要生理信息及时、准确地提取出来进行处理、分析和判断帮助医护人员对患者病情进行监测和防护的技术。医学临床监护技术分为病房监护技术、动态监护技术以及远程监护与家庭保健监护。在现有医疗监护系统中，数据的传输一般采用有线的方式。由于生物医学工程中所检测的信号大多是人体信号，而且需要检测人体处于自然状态时的信号。这种将检测设备通过有线方式连到人体上进行监测的传统方法会使病人感到不自然，心情紧张，从而导致所检测到的数据不准确。特别在病房监护中，各种连线不仅使病人感到不舒服，而且还使病房显得杂乱无章，影响病人的心情。使用蓝牙技术就可以解决这个问题。带有蓝牙芯片的微型传感器安置在人体身上，尽量使其不对人体正常活动产生干扰，从而得到较为准确的数据，再通过蓝牙技术将数据传到接收设备上，并对其进行处理。

1 蓝牙技术

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它是一种用于替代移动设备或固定电子设备之间连接电缆的近距离无线链路。它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9mmX9mm的微芯片中。如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中，就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间令人讨厌的连接电缆而通过无线建立通信。打印机、PDA、桌上型电脑、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。

蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。蓝牙的数据速率为1Mb/s。时分双工传输方案被用来实现全双工传输。ISM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等，都可能是干扰源。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop chan nel），在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列（即规律的“伪随机码”），不断地从一个信道“跳”到另一个信道。只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带。使干扰影响变得很小。与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它系统更稳定。FEC（Forward Error Correction，前向纠错）的使用抑制了长距离链路的随机噪音。用二进制调频（FM）技术的跳频收发器抑制干扰和防止衰落。

蓝牙系统的组成框图如图1所示。

无线射频单元主要负责射频处理和基频调制；链路控制单元是实现基带协议和其他底层连接规程的基带部分，包括建立网络连接、差错控制和安全控制三方面的内容；链路管理单元主要负责基带连接的设定及管理，基带数据的分段及重组、多路复用和QOS（quality of service）等；软件结构单元主要为各种应用提供应用软件所需的通信协议与应用程序接口。

2 蓝牙技术在病房监护中的应用

在病房监护中，由各类便携式小型探测器采集的原始数据，通过蓝牙技术传递到病房探测器，房间探测器采用通讯总线与计算机系统相联，由计算机分时采集各房间及床位参数。如图2所示，医院可采用整体监护系统，由一台主机连接各个科室的分机，各科室的分机又分别连接到各病房的房间探测器，此房间探测器作为蓝牙网络的主单元，每一病房构成一蓝牙网络。此系统具有模块化的功能，能根据各科室的不同需要增加或减少所测生理参数。

2.1 蓝牙系统的网络构成

在此蓝牙系统中，可将蓝牙芯片集成到各小型探测器中，并在房间探测器上集成蓝牙芯片。可使用蓝牙系统提供的一对多的连接方式，用一个带有蓝牙芯片的房间探测器作为微微网的主单元。各种带有蓝牙芯片的小型探测器作为从单元。一个微微网中活动从单元的个数最多有7个。当所需测量的生理参数超过7个时，有两个解决方案，一种是使更多的从单元处于锁定于主单元的休眠状态，由主单元控制激活顺序，一般来说，某些所测生理参数不需要不间断连续测量，故可利用这种时差，当需要测量某个生理参数时，才激活相应的从单元，只要保证同时处于活动状态的从单元数目不超过7个，就可达到目的。第二种方案是由具有重叠覆盖区域的多个微微网构成一个散射网，每一微微网只能有一个主单元，从单元可基于时分复用参加不同的微微网。而在一个微微网中的主单元仍可作为另一个微微网的从单元。利用这种网络拓扑结构，就可达到上述目的。综上所述，如图3所示，可以这样规划一个病房中的蓝牙系统网络：每一病床构成一个微微网，各个带有蓝牙芯片的小型传感器构成这一微微网。由这一病房中的各个病床所组成微微网构成一散射网，在这一散射网中，带有蓝牙芯片的房间探测器作为散射网的主单元。

2.2 蓝牙主、从单元工作方式

作为主单元的蓝牙芯片使用外接串行设备的形式与PC主机相连接，蓝牙在主机端支持的设备连接方式有三种USB、UART和PC插卡。从长期来看 USB是最好的选择？因为它是目前发展最快的PC扩展连接方式？并且已经由PC领域渗透到信息家电领域；从速度上来看？目前使用的USB1.0和USB1.1在全速率情况下？有12Mbps的速度？而下一代USB2.0规范也基本上得到了通过？其速率已经达到了480Mbps从串行设备发展的历史来看USB基本上是串行设备的最终形式？经历了从RS-232到RS-485等一系列发展之后？达到一个高速的串行连接体系　。当需要对心电进行检测时，就需要使用USB的高速传输性能，所以USB会是长期的最终选择。如图３所示需要使用基带协议、逻辑链路控制和适配协议L2CAP　、服务搜索协议（SDP）　、电缆替代协议（RFCOMM），并使用主机控制接口（HCI）为基带控制器、链路管理器，硬件状态和控制寄存器提供命令接口，如图4所示。

作为从单元的蓝牙芯片当前只需要对一些诸如温度、血压等数据量不大的信号进行监测，故只需要使用基带层协议，以及链路管理协议（LMP）。在主单元与从单元之间建立异步无链接链路（ACL）采用DM1分组。通过LMP负责蓝牙各设备间连接的建立和设置。

3 蓝牙技术在动态监护中的应用

为了早期和准确地诊断一些重要生理系统的功能性疾病往往需要对处于正常生活和工作条件下的患者进行长时间24小时甚至更长的连续监测。这类监测技术被称为动态监测技术。目前最常用的动态监测是动态心电监护、动态血压监护、消化道生理参数的动态监护、脑电动态监护。连续监测的时间多为一个昼夜，均由病人随身佩带能连续记录相关生理参数的便携式记录盒。在记录完成后 ？将数据传输到分析工作站进行数据分析和处理。如果利用蓝牙技术使传感器与记录盒分离，记录盒放置在衣服口袋或随身携带的公文包中，传感器利用蓝牙技术点对点无线传输数据给记录盒，免除了各种连线在病人身上缠绕带来的不便。

4 蓝牙技术在远程监护中的应用

随着现代科技的发展和生活水平的提高人们对高质量高水平的医疗保障需求迅速增长？促使远程医疗事业快速发展。现代技术尤其是网络通讯、计算机、微电子技术为远程医疗的发展提供了所必需的技术条件。在远程医疗领域中发展最快也是最先得以实用、给病人以实惠的是远程监护和家庭保健监护。它不仅给患者带来了方便也减少了住院医疗费用。在远程监护与家庭保健监护中，蓝牙技术也有很多用武之地。就如同病房监护一样，在家中安装一个带有蓝牙芯片的房间探测器，其余各种医疗设备将数据通过蓝牙芯片传输到房间探测器，房间探测器再与Internet网连接，通过网络将数据传输到医院或社区保健中心，达到远程监护的目的。设想一下，当病人随手拿起一个带有蓝牙芯片的微传感器，进行测试，生理参数就自动地传输出去。免除了复杂连线给病人心理带来的不良影响，使病人享受良好的家庭和社会环境这对病人的心理健康和康复均有特殊的好处。

5 蓝牙的使用安全性问题

将蓝牙芯片用在医疗设备中，对其安全性要格外重视。安全问题包括信息安全和生态安全。

索尼在日本无线展览会的现场进行了Bluetooth和IEEE802.11b以及微波炉之间的相互干扰实验。结果表明，在无干扰的情况下，数据传送速度为500~600kb/s。一旦使用微波炉，由于干扰的出现，数据传送速度降至300kb/s，此时再使用对应IEEE802.11b规格的无线LAN，由于干扰的加大，数据传送速度下降至100~299kb/s。未来的蓝牙应用环境将包括扩频设备、跳频设备、无线LAN、微波炉等。又据SIG英特尔公司在京一次会议上谈到，国际SIG在各种环境中做过实验，低功率蓝牙产品对其他同类产品干扰微乎其微，相反，其他产品对蓝牙的干扰，可通过软件或硬件方法解决。故信息安全问题更多地是在软件协议栈中加以强调，由软件工程师去解决它。

生态安全问题是指当蓝牙设备靠近人体时是否带来危害，对此人们非常关心。随着无线技术的深入人心？辐射也成了消费者非常关心的问题。由世界卫生组织、ＩＥＥＥ等专家组成的小组表示？检测中并未发现蓝牙产品的辐射对人体有影响。蓝牙的问题主要是由于蓝牙使用和微波炉一样的频率范围，是否会带来不良的后果，目前也尚无定论。一些组织认为蓝牙输出功率很小（只有1mW），是微波炉使用功率的百万分之一，是移动电话的一小部分。而在这些输出中，也仅仅有一小部分被物体吸收，基本检测不到温度的增加。由于蓝牙理想的连接范围为10厘米~10米，但是通过增大发送电平可以将距离延长至100米。因此可以根据需要进一步减小蓝牙输出功率，缩短其连接范围，这样就更为安全了。

蓝牙技术是最近提出的一种小范围信息传输系统，已表现出较强的生命力。当前对蓝牙技术的应用主要集中于小型的移动通信设备，而把蓝牙技术应用于医疗设备中的研究尚处于起步阶段，但已显示出广阔的前景。需要进一步地研究。

责任编辑：gt