TI MSP430、MCU和無線技術成就安全的便攜式醫療設備

摘要：便攜式醫療設備的開發商和用戶要求擁有更方便的網絡接入功能和更長的電池使用時間。為此，德州儀器（TI）推出了首款基于其創新的“金剛狼”（Wolverine）技術平臺（即MSP430FR59xx微控制器）的半導體產品。本文介紹了一些TI的嵌入式解決方案，使用了MSP430FR59xx微控制器和CC2541藍牙低功耗系列。本文網絡版地址：http：//www.eepw. com.cn/article/192728.htm

關鍵詞：便攜式；醫療；藍牙；安全

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.004

引言

過去20年，便攜式醫療設備市場持續演進。隨著世界網絡的發展，網絡醫療保健（即遠程醫療）成為醫療設備技術發展的流行趨勢。下面是一些重要的行業發展趨勢：

IMS研究公司稱，2012年到2016之間，全世界消費類醫療智能藍牙設備的出貨量將超過1030萬臺，而單是2016年一年，其出貨量就達470萬臺以上。

IMS研究公司調查結果顯示，盡管2012年擁有無線接入功能的醫療設備僅占5%，但因其低功耗的特點，到2016年，智能藍牙技術將主導消費類醫療設備無線技術。

在《2012版保健醫療監測行業無線技術機遇》報告中，IMS研究公司表示，2016年，將有超過35%的具有無線接入功能的消費類醫療設備使用智能藍牙技術。

在這些便攜式醫療設備中，智能藍牙技術可讓設備收集重要數據，然后把這種信息傳送給智能藍牙設備，例如：筆記本電腦、智能電話或平板電腦等。之后，這些消費類設備再把數據通過蜂窩網絡或者Wi-Fi傳送至某個云平臺，這樣醫生便可監測患者的身體狀況。這雖然看似簡單，但是，通過電子方式存儲和傳輸醫療數據必須要遵守患者個人隱私保護規定。1996年頒布的《健康保險流通與責任法案》（HIPAA），旨在規范電子健康記錄系統，并實行嚴格的電子安全規定。隨著電子醫療記錄和遠程醫療不斷發展，與傳統紙質記錄的要求一樣，醫務工作者有責任保護患者的電子病歷，并為患者的治療情況保密。實際上，由于電子文檔更容易被復制和傳輸，因此電子文件、圖像、音頻和視頻的存儲要求更高的安全性。所以，在便攜式醫療設備的發展過程中，需要認真考慮數字安全問題。

MSP430FR59xx實現低功耗、安全性

TI的MSP430FR59xx微控制器讓醫療設備設計擁有安全的網絡接入與數據存儲，用于遠程顯示設備（例如：智能電話、平板電腦或者醫療聚合設備等），以幫助確保保密鏈始終保持其完整性。結合TI的無線產品，這種基于FRAM的產品系列可通過ZigBee、亞1GHz、藍牙、低功耗藍牙和使用個人醫療設備類別（PHDC）協議的USB，為醫療保健設備提供有線和無線網絡接入，包括血壓監測儀、血糖計、稱量計、脈搏血氧計等。

低功耗藍牙繼承了“經典”藍牙技術的加密、身份驗證和授權安全特性，幫助確保數據保密。這種加密技術使用高級加密標準（AES），此技術標準已獲美國政府采用。

AES技術集成于MSP430FR59xx微控制器內，結合MSP430FR59xx微控制器的高級內存保護單元，為便攜式醫療設備帶來高級安全性。

MSP430FR59xx微控制器基于TI的超低功耗“金剛狼”技術平臺，可為所有便攜式醫療設備帶來安全性、長電池使用時間和高集成度。其具體功能諸如：無線傳感功能；FRAM內存；超低功耗片上系統（SoC）；安全應用；可鎖定內存段等。

CC2541支持健康設備規范

藍牙技術聯盟（SIG）已經開發出了Health Device Profile（HDP）軟件，對經典藍牙技術性能進行優化，以用于醫療保健應用，并使用醫務工作者要求的標準格式來提供數據。同樣，SIG還正在開發低功耗藍牙使用的HDP軟件。

經典藍牙技術的HDP是一種“通用”解決方案，可適用于所有類型的醫療產品。結果，經典藍牙技術的HDP變成一種大型項目，要求大量的內存容量和電池電量。低功耗藍牙具有許多針對特定應用的定制HDP。醫療產品設計人員可以選擇一個或者多個屬性來適應其具體的應用，從而降低了內存和電量開銷。使用低功耗藍牙的終端產品比經典藍牙設備更加簡單、便宜和高功效。

目前的一些低功耗藍牙版本包括用于醫療保健應用的HDP，例如：體溫、血壓、體重、血糖、血氧、心率、計步器、速度、距離、周期節奏、簡單遠程控制和電池狀態信息。

除安全性保護以外，低功耗藍牙還使用隱私保護，旨在防止非授權接收者的“追蹤”。利用頻繁變化的隨機設備地址，可以限制對發射設備的追蹤，從而實現上述目標。

為了對一些要求低功耗和可升級堆棧的苛刻應用提供支持，TI推出了CC2541低功耗藍牙解決方案，它的重要優點有：先期實現低功耗、單模低功耗藍牙傳感器應用；集成在一塊芯片上，使用靈活的解決方案，簡化設計；這種低功耗傳感器設備設計、使用一枚紐扣電池便可以工作長達1年以上；健壯的RF性能。

無線技術對遠程醫療的影響

2009年6月，康體佳健康聯盟（Continua Health Alliance，由190家公司組成的一個開放型產業聯盟，旨在提高個人醫療保健的品質），在其下一版通用設計指南中選入了兩種無線技術標準。該指南為廣大電子產品制造廠商規定了產品設計方法，以達到康體佳的通用標準，并獲得該聯盟的認證標識。

考慮到所要求功耗水平、手機使用的普遍性、規定距離以及預期市場滲透能力等因素，該聯盟選擇低功耗藍牙（正在制定最終規范），用于用戶醫療保健無線監測。

該決定帶來的諸多好處，幫助S3集團等公司成為遠程醫療咨詢服務行業的領先供應商。S3集團使用一個患者入口，針對MSP430產品對軟件做了優化。該入口讓患者和醫生可在診所以外進行醫療信息和遠程數據的傳輸與共享。通過其靈活和通用架構，該入口幫助實現多個遠程系統或者電子健康記錄（EHR）的數據交換。

這種平臺讓遠程醫療廠商或者服務提供商在整個遠程醫療生態系統內提供更加有效的慢性病管理和信息交換工具。另外，通過這種簡單易用的入口，患者可以獲知其健康診斷結果、查閱資料、遵循醫療服務提供商的建議或者參加當地的社區活動，從而主動地管理其長期身體狀況。另外，該入口還允許獲得授權的朋友和親人追蹤患者的治療進展，并在必要時鼓勵患者，為其提供支持。

舉例應用：血糖監測

建議患者每天數次記錄血糖水平—測量越勤，控制越好，因為飲食、鍛煉或者胰島素注射都會迅速使其變高或者低。測量血糖水平時，血糖計會對試紙上的樣品進行測量。作為微控制器如何實現這種技術的一個例子，這類血糖計中所使用的MSP430FR59xx MCU，可以把信息存儲在其集成FRAM內存中，之后在定期健康體檢時調用它。FRAM技術通過其耐寫性（10¹⁵個寫周期），提供持續數據記錄方法。在糖尿病控制中，血糖計內置的低功耗藍牙技術擁有許多優勢。血糖計獲得的數據會被頻繁地上載至患者的手機，然后發送到醫生的計算機，讓其可以通過患者入口（例如：S3入口）查看該數據。相比每季度一次的檢查，血糖測量趨勢分析可以讓醫生更容易找出異常，從而每周為患者制定不同的飲食計劃。

藍牙路由器在低功耗藍牙設備和互聯網之間起到“網關”的作用，利用它，低功耗藍牙可以在不使用手機或者電腦的情況下與網站應用通信。網站應用還可以向低功耗藍牙設備發回消息。

為了進一步實現糖尿病控制，持續血糖監測讓患者和醫生可以獲得實時數據，從而積極主動地控制病情。持續血糖監測依賴于頻繁的測量（例如，24小時進行288次血糖測量）。 FDA認可的持續血糖監測設備會在腹部皮膚以下植入微型血糖傳感器。這種系統可以每五分鐘記錄一次血糖值，記錄時間最長可達72小時。

具有無線功能的持續血糖監測還可讓1型糖尿病患者受益。由于它們更適于短期應用，例如：普通扎破手指采血測量時出現的低血糖水平（低血糖癥），如果得不到快速處理便會導致昏迷，因此BLE型設備可以挽救生命。在進行頻繁測量時，提供商或者患者可以設置閾值，用于警告患者的危險狀況，實現實時處理治療。

傳統血糖監測方法和更新的持續血糖監測都要求定期存儲血糖測量數據，并在存儲和傳輸過程中保護患者信息。TI的超低功耗MSP430FR59xx微控制器提供了這些必要功能—集成FRAM，用于血糖測量數據存儲；集成安全加速，用于敏感患者信息加密。它們可以幫助醫療設備制造廠商設計出能夠在數據存儲或者無線傳輸過程中保護患者數據的產品。

另外，這種超低功耗性能讓一些應用可以使用自然采集能源，例如：體熱等，實現不依賴于電池或者其它電源的真正意義上的持續監測。組合使用MSP430FR59xx微控制器、TI網絡接入解決方案和高性能模擬前端（AFE），讓醫療設備制造廠商能夠使用這類TI產品，設計出包含數據記錄的各種實現。

總結

醫療保健應用的無線通信與安全正變得越來越重要。由MSP430FR59xx微控制器所實現的多遠程系統數據安全交換器扮演重要角色。