Bluetooth in der Medizin
Bluetooth in der Medizin
Bluetooth in der Medizin
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
diagnosedaten über das Mobilfunknetz versenden<br />
<strong>Bluetooth</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> Mediz<strong>in</strong><br />
Die Weltbevölkerung wird immer älter,<br />
und die Lebenserwartung steigt. Mit<br />
Hilfe von Medikamenten und Technik<br />
gel<strong>in</strong>gt es außerdem zunehmend besser,<br />
chronische Krankheiten <strong>in</strong> den Griff<br />
zu bekommen. All dies führt <strong>in</strong> <strong>der</strong> Summe<br />
zu ständig steigenden Kosten und<br />
e<strong>in</strong>em Mangel an Arbeitskräften für die<br />
Pflege und Behandlung all dieser Menschen.<br />
Wie lässt es sich erreichen, dass Patienten<br />
ohne den Besuch von Kl<strong>in</strong>iken und Ärzten<br />
auskommen, solange es nicht unbed<strong>in</strong>gt<br />
erfor<strong>der</strong>lich ist? Wie lassen sich Technologie<br />
und die vorhandene Infrastruktur nutzen,<br />
um die Zahl <strong>der</strong> ärztlichen Konsultationen<br />
auf e<strong>in</strong> M<strong>in</strong>imum zu reduzieren?<br />
Telemediz<strong>in</strong> ist die Antwort. Man gibt dem<br />
Patienten die Möglichkeit, sich selbst zu<br />
testen und zu überwachen sowie die dabei<br />
gewonnenen Daten zur Auswertung an<br />
e<strong>in</strong>e qualifizierte Person zu senden, ohne<br />
dass dazu e<strong>in</strong> Arzt o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> Krankenhaus<br />
aufgesucht werden muss.<br />
Dieses Konzept könnte e<strong>in</strong>erseits helfen,<br />
die Zahl unnötiger Konsultationen zu reduzieren.<br />
An<strong>der</strong>erseits bietet sich hier für<br />
Entwicklungslän<strong>der</strong> die Chance, die Gesundheitsvorsorge<br />
aus <strong>der</strong> Ferne sicherzustellen.<br />
Wie aber lässt sich dies <strong>in</strong> <strong>der</strong> Praxis bewerkstelligen?<br />
Traditionell wurden dazu<br />
Informationen per Telefonleitung übertragen,<br />
doch ist das möglicherweise<br />
nachteilig, weil Telefonleitungen nicht<br />
überall zur Verfügung stehen. An<strong>der</strong>s ist<br />
es mit den bestens verbreiteten Mobiltelefonen.<br />
E<strong>in</strong>ige Entwicklungslän<strong>der</strong><br />
planen deshalb von vornhere<strong>in</strong> ke<strong>in</strong> Fest-<br />
Special-RepoRt: Mediz<strong>in</strong>elektRonik<br />
die Übermittlung von diagnosedaten über das Mobilfunknetz bietet e<strong>in</strong>e preisgünstige Möglichkeit zum e<strong>in</strong>satz <strong>in</strong><br />
<strong>der</strong> telemediz<strong>in</strong>. dabei werden die daten vom Sensor zum Mobiltelefon per <strong>Bluetooth</strong> übertragen. elektronik <strong>in</strong>dustrie<br />
erklärt, worauf es dabei ankommt.<br />
˘<br />
aUtoR<br />
Dr. Christophe Del-Toso und<br />
Andrew Leone arbeiten bei<br />
STMicroelectronics<br />
Bild 1: Plattformarchitektur von STMicroelectronics für mediz<strong>in</strong>ische Geräte mit <strong>Bluetooth</strong>-<br />
Ausstattung<br />
netz, son<strong>der</strong>n setzen gleich auf e<strong>in</strong>e<br />
drahtlose Infrastruktur.<br />
Mit Mobiltelefonen können bekanntermaßen<br />
nicht nur Telefongespräche geführt,<br />
son<strong>der</strong>n auch Daten gesendet und empfangen<br />
werden. Die <strong>Bluetooth</strong>-Technik<br />
erlaubt überdies die Kommunikation zwischen<br />
Mobiltelefonen und an<strong>der</strong>en <strong>Bluetooth</strong>-Geräten<br />
wie etwa Headsets o<strong>der</strong><br />
Computern.<br />
Wie wäre es, wenn auch mediz<strong>in</strong>ische Geräte<br />
mit e<strong>in</strong>er <strong>Bluetooth</strong>-Schnittstelle<br />
ausgestattet wären und mit Mobiltelefonen<br />
kommunizieren könnten? Dies wäre<br />
geradezu die Ideallösung, denn das Mobiltelefon<br />
ist <strong>in</strong>zwischen unverzichtbar<br />
und fungiert als Gateway zwischen dem<br />
Personal Area Network (PAN) und dem<br />
Wide Area Network (WAN).<br />
Mediz<strong>in</strong>ischer Geräteknoten<br />
Mediz<strong>in</strong>ische Geräte wie etwa Blutzucker-<br />
Messgeräte, Blutdruckmesser, Pulsoximeter<br />
sowie EKG und EEG-Geräte können nun<br />
vom Patienten zu Hause bedient o<strong>der</strong><br />
ständig mitgeführt werden. Die von diesen<br />
Geräten erfassten Informationen wie<strong>der</strong>um<br />
lassen sich per Mobiltelefon an das<br />
jeweilige diagnostische o<strong>der</strong> mediz<strong>in</strong>ische<br />
Zentrum übermitteln.<br />
Kommerziell verfügbare Technologie wie<br />
z. B. MEMS-Sensoren, A/D-Wandler, Mikrocontroller<br />
und Kurzstreckenfunk-Transceiver<br />
können zu e<strong>in</strong>em mediz<strong>in</strong>technischen<br />
Geräteknoten komb<strong>in</strong>iert werden,<br />
<strong>der</strong> auf e<strong>in</strong>fache Weise verschiedene physiologische<br />
Parameter von e<strong>in</strong>em <strong>in</strong> größerer<br />
Entfernung bef<strong>in</strong>dlichen mediz<strong>in</strong>ischen<br />
Gerät an e<strong>in</strong> Mobiltelefon, e<strong>in</strong>en<br />
PC o<strong>der</strong> nahezu jeden mit <strong>Bluetooth</strong>-<br />
Technik ausgerüsteten Host übertragen<br />
kann.<br />
die architektur<br />
Die nachfolgend beschriebene Architektur<br />
wurde mit Blick auf e<strong>in</strong>e e<strong>in</strong>fache Implementierung<br />
und Unkompliziertheit ausgearbeitet.<br />
Ziel war die Entwicklung e<strong>in</strong>er<br />
modularen Lösung, <strong>in</strong> <strong>der</strong> e<strong>in</strong> und <strong>der</strong>selbe<br />
Mikrocontroller die Applikation ver- ˘<br />
elektronik <strong>in</strong>dustrie 11 - 2008 85
Special-RepoRt: Mediz<strong>in</strong>elektRonik<br />
Bild 2: Anwendungsbeispiele im mediz<strong>in</strong>ischen Bereich<br />
arbeitet und als Baseband-Prozessor für<br />
den <strong>Bluetooth</strong>-Teil arbeitet.<br />
Der <strong>Bluetooth</strong> RF Transceiver enthält den<br />
unteren Teil des Stacks bis zum Host Control<br />
Interface (HCI), während die oberen<br />
Abschnitte des Stacks im e<strong>in</strong>zigen Mikrocontroller<br />
(MCU) des Systems residieren.<br />
Der obere Teil des <strong>Bluetooth</strong>-Stacks unterstützt<br />
die folgenden Profile: Serial-Port-<br />
Profile (SPP), Human Interface Device<br />
(HID) und e<strong>in</strong>e Emulation des Dial-Up-<br />
Network<strong>in</strong>g-Protokolls (DUN). Wie erwähnt,<br />
s<strong>in</strong>d diese Profile im Mikrocontroller<br />
implementiert.<br />
Die oberen Ebenen des Stacks s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> e<strong>in</strong><br />
Echtzeit-Betriebssystem e<strong>in</strong>gebettet, was<br />
e<strong>in</strong> e<strong>in</strong>faches Task-Management zwischen<br />
Applikationscode und <strong>Bluetooth</strong>-<br />
Funktionen zulässt.<br />
Zur Komplettierung <strong>der</strong><br />
<strong>Bluetooth</strong>-Schaltungen<br />
werden nur wenige<br />
externe Bau elemente<br />
benötigt: e<strong>in</strong><br />
diskretes Bandpassfilter<br />
mit <strong>in</strong>tegrierter Impedanzanpassung,<br />
e<strong>in</strong>e<br />
Antenne, Taktoszillatoren<br />
und e<strong>in</strong>ige Kondensatoren.<br />
Bild 1 zeigt das Blockschaltbild<br />
<strong>der</strong> Architektur<br />
mit dem Flash-Mikrocontroller<br />
STM32 von ST auf<br />
Basis des neuesten 32-<br />
bit-ARM-Prozessorkerns<br />
Bild 3:<br />
E<strong>in</strong>satz-<br />
beispiel Glukose-Messgerät<br />
Cortex-M3 sowie dem <strong>Bluetooth</strong> v2.1<br />
Basisband-Radio-Chip von ST.<br />
anwendungsbeispiele<br />
Bild 2 zeigt e<strong>in</strong>en typischen Anwendungsfall<br />
für e<strong>in</strong> mediz<strong>in</strong>isches Gerät mit <strong>Bluetooth</strong>-Ausstattung.<br />
E<strong>in</strong> solches Produkt,<br />
sei es e<strong>in</strong> Blutzuckermessgerät, e<strong>in</strong> Blutdruckmesser<br />
o<strong>der</strong> e<strong>in</strong> Pulsoximeter, wird<br />
zur Messung physiologischer Parameter<br />
verwendet. Es erfasst diese Werte, legt sie<br />
<strong>in</strong> se<strong>in</strong>em <strong>in</strong>ternen Speicher ab und überträgt<br />
diese Aufzeichnungen per <strong>Bluetooth</strong><br />
an e<strong>in</strong> Mobiltelefon, e<strong>in</strong> PDA o<strong>der</strong> e<strong>in</strong>en<br />
Laptop.<br />
Das Mobiltelefon wie<strong>der</strong>um sendet diese<br />
Datensätze anschließend an e<strong>in</strong>e mediz<strong>in</strong>ische<br />
Datenzentrale – und zwar per SMS<br />
o<strong>der</strong> über e<strong>in</strong>e GPRS/UMTS-Verb<strong>in</strong>dung.<br />
Diese Datenzentrale kann die Fernüberwachung<br />
e<strong>in</strong>er großen Zahl von Patienten<br />
übernehmen, <strong>in</strong>dem die entsprechenden<br />
Resultate zurück übertragen werden<br />
mit <strong>der</strong> Angabe, ob <strong>der</strong><br />
Messwert <strong>in</strong> Ordnung ist<br />
o<strong>der</strong> nicht, ob <strong>der</strong> Patient<br />
e<strong>in</strong>e erneute Messung<br />
durchführen muss<br />
o<strong>der</strong> ob e<strong>in</strong> Besuch<br />
beim Arzt notwendig<br />
ist.<br />
Vorteil des <strong>Bluetooth</strong>-Protokolls:<br />
e<strong>in</strong> mediz<strong>in</strong>isches<br />
Gerät kann sich<br />
per DUN-Verb<strong>in</strong>-<br />
dung (Dial-Up-Network), die das Mobiltelefon<br />
als GPRS/UMTS-Gateway nutzt, direkt<br />
<strong>in</strong> die mediz<strong>in</strong>ische Datenzentrale e<strong>in</strong>wählen.<br />
Hierbei wird das DUN-Profil von <strong>Bluetooth</strong><br />
genutzt, und <strong>der</strong> Patient kann den<br />
E<strong>in</strong>wählvorgang an se<strong>in</strong>em Gerät beispielsweise<br />
durch e<strong>in</strong>fachen Knopfdruck starten.<br />
Damit werden neue Arten web-basierter<br />
Dienste möglich, die e<strong>in</strong>e Fernüberwachung<br />
von Patienten zulassen.<br />
periodisch o<strong>der</strong> kont<strong>in</strong>uierlich?<br />
Um se<strong>in</strong>e Architekturplattform auf diese<br />
Art mediz<strong>in</strong>ischer Anwendungsfälle abzustimmen,<br />
hat STMicroelectronics zwei<br />
verschiedene E<strong>in</strong>satz-Szenarien für e<strong>in</strong><br />
Blutzucker-Messgerät untersucht, nämlich<br />
für die periodische und die kont<strong>in</strong>uierliche<br />
Blutzuckermessung.<br />
E<strong>in</strong> periodisch arbeitendes Blutzucker-<br />
Messgerät ist für Fälle vorgesehen, <strong>in</strong> denen<br />
<strong>der</strong> Patient se<strong>in</strong>e Messwerte mehrmals<br />
täglich (nach je<strong>der</strong> Messung) per<br />
<strong>Bluetooth</strong> sendet o<strong>der</strong> das Messgerät am<br />
Ende des Tages alle Messwerte auf e<strong>in</strong>mal<br />
überträgt.<br />
Die <strong>Bluetooth</strong>-Verb<strong>in</strong>dung wird zum Übermitteln<br />
<strong>der</strong> Daten aktiviert und anschließend<br />
abgeschaltet. Dies ist weniger als<br />
zehnmal am Tag erfor<strong>der</strong>lich. Kennzeichnend<br />
für diesen Anwendungsfall ist die<br />
jeweils nur sehr kurze Nutzung <strong>der</strong> <strong>Bluetooth</strong>-Schnittstelle<br />
für meist nur wenige<br />
Sekunden. In den langen <strong>in</strong>aktiven Perioden<br />
kann <strong>der</strong> Mikrocontroller den<br />
<strong>Bluetooth</strong>-Chip <strong>in</strong> e<strong>in</strong>en kompletten Power-Down-Modus<br />
versetzen, um den Stromverbrauch<br />
auf e<strong>in</strong> sehr niedriges Niveau<br />
zu reduzieren.<br />
Über den gesamten Tag gerechnet, ist <strong>der</strong><br />
Stromverbrauch des <strong>Bluetooth</strong>-Teils somit<br />
sehr ger<strong>in</strong>g, so dass die Anfor<strong>der</strong>ungen<br />
e<strong>in</strong>es batteriebetriebenen Blutzucker-<br />
Messgeräts erfüllt werden.<br />
An<strong>der</strong>s s<strong>in</strong>d die Verhältnisse bei e<strong>in</strong>em<br />
kont<strong>in</strong>uierlich arbeitenden Blutzucker-<br />
Messgerät, bei dem die <strong>Bluetooth</strong>-Verb<strong>in</strong>dung<br />
ständig aktiv bleiben muss, weil e<strong>in</strong>e<br />
ununterbrochene Fernüberwachung erfolgt.<br />
Da e<strong>in</strong> E<strong>in</strong> und Ausschalten des <strong>Bluetooth</strong>-<br />
Teils hier nicht <strong>in</strong> Frage kommt, ist es bezüglich<br />
des Stromverbrauchs besser, das<br />
Feature ‚Sniff-Subrat<strong>in</strong>g‘ zu nutzen. Dieses<br />
wichtige Merkmal ist mit <strong>der</strong> neuesten<br />
86 elektronik <strong>in</strong>dustrie 11 - 2008
Release des <strong>Bluetooth</strong>-Standards (BT 2.1<br />
Lisbon) h<strong>in</strong>zugekommen. Es wird automatisch<br />
aktiviert, sobald <strong>der</strong> <strong>Bluetooth</strong>-Chip<br />
feststellt, dass es über e<strong>in</strong>e gewisse Zeitspanne<br />
ke<strong>in</strong>e Aktivitäten gegeben hat.<br />
Dies erfolgt vollkommen asynchron und<br />
ohne Zutun des Mikrocontrollers.<br />
die zukunft: Ulp<br />
E<strong>in</strong> technologischer Trend für Anwendungen<br />
dieser Art ist die Entwicklung h<strong>in</strong><br />
zum ULP-<strong>Bluetooth</strong>-Standard (ULP: Ultra<br />
Low Power). Dieser implementiert neue<br />
Hardware-Features und Protokollverbesserungen<br />
– perfekt optimiert für Anwendungen<br />
dieser Art, die den Transfer mit<br />
niedrigen Transferraten und sehr wenig<br />
Stromverbrauch erfor<strong>der</strong>n.<br />
In diesem Kontext wird die weitere<br />
Entwicklung auch von <strong>der</strong> Mobiltele -<br />
fon-Roadmap bestimmt werden, die<br />
ebenfalls nach <strong>der</strong> Implementierung<br />
elektronik <strong>in</strong>dustrie 11 - 2008<br />
Special-RepoRt: Mediz<strong>in</strong>elektRonik<br />
des ULP-<strong>Bluetooth</strong>-Standards verlangt.<br />
Hierdurch wird allen Marktsegmenten<br />
rasch <strong>der</strong> Zugang zu sehr preisgünstigen<br />
Chipsätzen geebnet werden, die wegen<br />
<strong>der</strong> hohen Stückzahlen wesentlich günstiger<br />
angeboten werden können als proprietäre<br />
HF-Transceiver-Technologien o<strong>der</strong><br />
ZigBee, die auf dem Markt noch nicht <strong>in</strong><br />
großer Zahl vertreten s<strong>in</strong>d.<br />
Die <strong>Bluetooth</strong> Special Interest Group (SIG)<br />
als das Industriekonsortium, das die <strong>Bluetooth</strong>-Standardisierung<br />
vorantreibt, arbeitet<br />
außerdem zur Zeit an <strong>der</strong> Entwicklung<br />
e<strong>in</strong>es neuen <strong>Bluetooth</strong>-Profils für<br />
mediz<strong>in</strong>ische Applikationen.<br />
All dies zusammengenommen wird <strong>der</strong><br />
Mediz<strong>in</strong>technik-Industrie neue Möglichkeiten<br />
erschließen.<br />
Fazit<br />
Geräte für die Gesundheitsvorsorge f<strong>in</strong>den<br />
e<strong>in</strong>en immer größeren Markt vor. Durch<br />
die Nutzung etablierter, für den Consumer<br />
und Mobiltelefon-Bereich entwickelter<br />
Technologien können Ingenieure e<strong>in</strong>fach<br />
und vertrauensvoll <strong>Bluetooth</strong>-Verb<strong>in</strong>dungen<br />
implementieren und die Lösungen für<br />
den Mediz<strong>in</strong>technik-Bereich optimieren.<br />
Angesichts <strong>der</strong> wachsenden Verbreitung<br />
<strong>der</strong> <strong>Bluetooth</strong>-Technologie (mehr als 60 %<br />
<strong>der</strong> 2008 verkauften Mobiltelefone s<strong>in</strong>d<br />
mit <strong>Bluetooth</strong> ausgestattet) können die<br />
Bereiche Gesundheitsvorsorge und Mediz<strong>in</strong>technik<br />
von <strong>der</strong> Entwicklung dieser Technologie<br />
für tragbare mediz<strong>in</strong>ische Geräte<br />
profitieren, um den Weg für neue Anwendungen<br />
und Dienste zu ebnen. (av)<br />
˘<br />
<strong>in</strong>fodiRect 314ei1108<br />
www.elektronik-<strong>in</strong>dustrie.de<br />
˘ L<strong>in</strong>k zu StMicroelectronics<br />
Halle a5 Stand 207 + 159
Change language