可攜式醫療系統的無線監測

本文章探討可攜式醫療系統中無線監測所面臨的艱困要求。 從超低功率收發器及不同協定，到高效電源管理及感測器介面，對於高可靠度醫療設計而言，有各種工程方面的取捨必須納入考量。

可攜式醫療裝置的開發人員及使用者要求具備更多樣連線能力及更長的電池續航力，因此，安全性已成為重要的議題。

目前已有數種方法在處理這項議題，包括對 Bluetooth Smart 等協定新增安全功能，以便提升居家監控的安全。

IMS Research 指出，鈕釦型電池供電式醫療裝置所用的 Bluetooth Smart 會在未來幾年成為重點，單是 2016 年的出貨量即超過 4 千 7 百萬個系統。 Bluetooth Smart 將為其中超過三分之一的系統提供無線連線，部分原因在於能夠提供連線的安全性。

這展現出設計、微控制器以及無線收發器的安全性與可靠度之間的緊密關係，以及不同元件之間的設計取捨。

Bluetooth Smart 能讓智慧型手機作為連接可攜式醫療裝置的介面，因此廣受青睞。 傳送到手機的資料可在本機進行處理，或經由行動網路或區域 Wi-Fi 網路傳送到雲端進行儲存和分析。 這整個流程可大幅減輕對設備設計人員的要求，但也造就更強烈的需求，須確保資料在整個傳輸鏈中保持安全，而這正是 Bluetooth Smart 特別受到歡迎的原因。

達成這個目標的方法之一就是透過藍牙技術聯盟 (SIG) 所制訂的健康裝置設定檔 (HDP)。 這使得無線鏈路的效能達到最佳化，因此能減少電池耗電量，並且為特定應用新增了一些格式，尤其是醫療設備。 這代表醫療產品的設計人員可以選擇適合特定應用的設定檔，以便降低記憶體及電力的開銷。 這些 HDP 可支援醫療及健身應用，例如體溫量測、血壓、體重計、血糖、脈搏血氧儀、心率、計步器、速率、距離、單車踏頻、簡易遙控及電池狀態。

圖1：資料流透過藍牙從無線醫療裝置傳送到智慧型手機以及雲端。

除了資料安全性外，Bluetooth Smart 還新增了隱私權保護，使用者在移動或離開時尤其有用。 Bluetooth Smart 會使用經常變更的隨機裝置位址，限制對傳送裝置的追蹤能力。

電子化病歷及遠距醫療仍是趨勢，但如同傳統紙本病歷的要求一樣，醫療執業人員都有義務保護病患的病歷，並將治療細節保密。 由於電子文件更容易遭到複製並傳送，因此電子檔、影像、音訊及視訊必須以更高等級的安全性來儲存。 因此，開發任何可攜式醫療裝置時，皆應仔細考量數位安全性。

TI 的 MSP430FR59xx 16 位元微控制器系列採用鐵電記憶體 (FRAM) 達到低功率儲存，若搭配無線產品使用，則可透過 Bluetooth Smart 個人保健裝置類 (PHDC) 通訊協定用於血壓計、血糖儀、體重計、脈搏血氧儀以及其它裝置。

此元件使用傳統藍牙所指定的相同 AES 加密技術，但應用在 FRAM 微控制器的硬體加速器上，藉此保持盡可能最低的功率。 256 位元 AES 引擎可用於 128、196 及 256 位元的金鑰長度，而且具有 DMA 支援，可用於 ECB、CBC、OFB 及 CFB 等不同類型的密碼模式。 可直接將資料傳輸至 AES 引擎，無需使用無線收發器的中央核心，因此有助於降低功耗。

收發器的連線也需盡可能保持低功率，其具備 12 位元類比數位轉換器 (ADC)，在 200 ksps 時消耗 75 µA，並且支援高達八個通道差動輸入。 每個輸入另具有一個窗型比較器功能，能輕易進行資料比對，且僅會擷取重大的變更，進而節省醫療應用的電力。

控制器中的 FRAM 記憶體讓無線韌體更新更加簡便，並且對時間敏感的資料儲存提供更快速的回應，因此能減少消耗 12% 到 15% 的電池續航力。 FRAM 的長週期耐久性亦可免除外接 EEPROM 的需求，由於代碼儲存在內部，因而讓設計更加安全，且功率、物料清單及製造複雜度皆可降低。 本元件亦包括 IP 保護、元件 ID、竄改偵測及安全資料記錄，能進一步保護流經無線系統的資料。

超低功率模式對這類型的設計也至關重要，並且此平台支援七種低功率模式，不到 6 µs 就可快速喚醒。

這些微控制器預計搭配無線收發器使用，例如 Texas Instruments 的 CC2541 藍牙收發器。 此元件含有名為 BLE-Stack 的免權利金韌體，能夠透過空中 (OTA) 下載到可攜式設計，因此容易進行升級。 控制器、主機及應用處理器皆整合在一個 6 mm x 6 mm 封裝內。 收發器採用低功率設計以及 18.5 mA 傳送電流，代表其可透過一顆鈕扣型電池運作超過一年。

圖2：CC2541 開發套件包括用於安全無線鏈路的 Bluetooth Smart 收發器。

Dialog Semiconductor 的 DA14580 則採用另一種作法。 此元件是用於 Bluetooth Smart 的全整合式無線電收發器及基頻處理器。 可當作獨立的應用處理器使用，或在具有額外微控制器的代管系統中作為資料幫浦使用。

DA14580 支援彈性記憶體架構，可儲存藍牙設定檔及自訂應用程式碼，並可進行 OTA 更新。 Bluetooth Smart 協定堆疊儲存在專屬的 ROM 中，並且經由簡易排程器在整合式 16 MHz ARM Cortex-M0 處理器上運作。

圖3：Dialog Semiconductor 的 DA14580 結合 ARM Cortex-M0 核心與 2.4 GHz 收發器，可用於 Bluetooth Smart 應用。

Bluetooth Smart 韌體包括 L2CAP 服務層協定、安全管理器 (SM)、屬性協定 (ATT)、通用屬性設定檔 (GATT) 以及通用存取設定檔 (GAP)，皆可由128 位元 AES 加密處理器支援，以保障資料流量的安全性。

為了簡化設備設計，收發器的一端直接連接到天線，而另一端直接連接到用於鏈路層的專用加速器，可提供 93 dB 的鏈路預算。 設計中的所有 RF 區塊都是由晶片上低壓降穩壓器 (LDO) 供電，可依據各個區塊進行編程與最佳化，以達到最低功耗。

DA14580 隨附 Dialog 的 SmartSnippets Bluetooth 軟體平台，其中含有合格的晶片上 Bluetooth Smart 單模堆疊。 標準配備具有一系列 Bluetooth Smart 設定檔，適合消費性保健、運動、健身、安全和接近應用，亦可輕鬆開發其他客製化設定檔並新增到堆疊中。 SmartSnippets 軟體開發環境是以 Keil 的 uVision 工具為基礎，其含有用於嵌入式及代管模式的範例程式碼。

然而，並非所有可攜式醫療設計都需要具備 Bluetooth Smart。 居家健康監測系統可使用 Silicon Labs 的 Si106x/8x 等元件，並且連線到家用網路而非行動電話，如此一來，就可運用集線器中的額外運算資源達到安全性。 對於僅在住家內的系統而言，這可讓實作應用的尺寸更小且成本更低。 106x/108x 元件在小型 5 mm x 6 mm 尺寸中結合了高效能的無線連線和超低功率的 8051 微控制器處理能力。 並且支援 142 至 1050 MHz 範圍內的主要頻帶，包括整合式進階封包處理引擎以及達到高達 146 dB 鏈路預算的能力。 因此能讓設計人員在鏈路預算與傳輸範圍之間權衡，達到更低功耗及更長的電池續航力。

圖4：Si106x 收發器結合了 8051 控制器核心與 Sub-GHz 無線鏈路，提供家用低成本監測器。

Silicon Labs 元件經過最佳化，能降低傳送、接收、運作和睡眠模式的電流，並且支援快速喚醒時間，藉此降低電池供電應用的能量消耗。 Si106x 無線 MCU 與 Si108x 元件在引腳上相容，其快閃記憶體可在 8 至 64 KB 間擴充，並且提供完備的類比與數位周邊裝置，包括 ADC、雙比較器、計時器以及 GPIO。

結論

在無線可攜式醫療設備中，安全性是日益重要的設計要求。 使用 Bluetooth Smart 的最新設定檔，不僅能添加安全鏈路，同時還可針對特定醫療應用進行設計最佳化，從而提供最佳的電池續航力。 結合超低功率微控制器與收發器、或透過高度整合的系統單晶片設計就可達成此目標。 使用簡易的收發器連接到具備更強大處理能力的家用集線器，即可確保資料在傳輸鏈中保持安全，如此亦可達成目標。