簡化低功耗藍牙醫(yī)療設備的設計

作者 Thomas S?derholm Nordic Semiconductor公司業(yè)務發(fā)展總監(jiān)

摘要：介紹了低功耗藍牙為醫(yī)療電子領域帶來的諸多應用，及全新Nordic驗證概念的PCB使得開發(fā)人員更容易為醫(yī)療設備加入無線連接優(yōu)勢。

　　許多開創(chuàng)先河的醫(yī)療產(chǎn)品公司已經(jīng)在其產(chǎn)品配備低功耗藍牙技術(shù)來改善糖尿病患者、過敏患者和哮喘患者的生活(如圖1)。例如，加拿大Aterica Health公司開發(fā)了用于腎上腺素自動注射器的低功耗藍牙連接載體Veta Smart Case。最近，位于美國加利福尼亞州圣迭戈的Dexcom的G5移動連續(xù)葡萄糖監(jiān)測(CGM)系統(tǒng)也已獲得了美國食品和藥物管理局(FDA)的批準，該系統(tǒng)包括一個低功耗藍牙組件，用于從安裝在患者皮膚上的監(jiān)視器讀取血糖水平，然后傳輸?shù)街悄苁謾C或智能手表上的對應APP，如圖3所示。

　　這些無線連接的醫(yī)療產(chǎn)品為患者提供幫助，例如提醒他們何時服藥，當藥物快要過期時發(fā)出警告，并且在離家時提醒他們沒有隨身攜帶重要藥物。此外，通過無線方式將產(chǎn)品連接到物聯(lián)網(wǎng)(通過智能手機網(wǎng)關(guān))，可以建立雙向鏈接，不僅可以將數(shù)據(jù)傳輸給遠程家庭和醫(yī)療保健專業(yè)人員，還可通過提供信息向患者進行指導，對產(chǎn)品作出軟件增強或打上安全補丁。

　　無線連接還帶來醫(yī)療經(jīng)濟效益。通過幫助患者堅持服用藥物來對主要疾病進行適當治療，可以減少并發(fā)癥，從而節(jié)省金錢。另一個顯著的好處是可從云獲得有價值的數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)療設備制造商了解患者如何、何時、在何地使用設備和藥物，從而制作更好的產(chǎn)品。

　　然而，RF工程是一門具有挑戰(zhàn)性的學科，所需要的熟練人才供不應求，因此，許多醫(yī)療產(chǎn)品制造商難以進入市場。

1 簡化設計

　　但是，現(xiàn)在Nordic Semiconductor推出了概念驗證(PoC)印刷電路板(PCB)，為開發(fā)人員簡化設計流程，如圖2所示。 PoC PCB帶有該公司的nRF52810低功耗藍牙解決方案和S112 協(xié)議棧(低功耗藍牙RF協(xié)議軟件堆棧)。該產(chǎn)品尺寸細小，并且針對低功耗和高性能進行了優(yōu)化，是一款非常靈活和成熟可靠的藍牙5認證解決方案。

　　Nordic的nRF52810低功耗藍牙 SoC是nRF52系列中的基準器件，提供極佳的性價比和藍牙5功能，它具有100 dBm鏈路預算、2.4 GHz多協(xié)議無線電、64 MHz的32位ARM Cortex M4 MCU、196 kB Flash內(nèi)存和24 kB RAM。值得注意的是，其內(nèi)存分配足以運行典型的高容量、低成本應用(例如醫(yī)療設備)的應用程序代碼。與所有Nordic的nRF51和nRF52系列SoC一樣，nRF52810支持空中下載設備固件更新(OTA-DFU)，只需使用無線電鏈路即可升級現(xiàn)場設備的軟件。此外，與nRF52810 SoC 一起推出的Nordic最新版本S112協(xié)議棧是一款輕量級藍牙5認證堆棧。

　　nRF52系列還帶來了對醫(yī)療產(chǎn)品開發(fā)至關(guān)重要的其他功能，特別是通過近場通信(NFC)進行的“帶外”(OOB)配對，只要簡單地碰觸配備NFC的智能手機，即可為醫(yī)療設備建立低功耗藍牙配對，不需要用戶進行其他操作。其次，一旦醫(yī)療設備與智能手機配對，便可以使用128位AES加密保護低功耗藍牙鏈路，從而保護敏感醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全。

　　S112 協(xié)議棧用于監(jiān)督通信鏈路，但通常我們還需要一些應用程序代碼來優(yōu)化目標產(chǎn)品的軟件。例如，如果目標應用是哮喘吸入器，或許還需要一些編碼來監(jiān)測這個裝置的使用頻率和時間。

　　在低功耗藍牙供應商中，Nordic在應用程序代碼開發(fā)領域中擁有獨特的優(yōu)勢。該公司的軟件架構(gòu)將低功耗藍牙協(xié)議棧與應用程序代碼分隔，從而消除了兩者集成的復雜性。如果沒有分隔，在軟件編譯過程中，RF堆?？赡芎苋菀妆黄茐?，從而延長了開發(fā)和調(diào)試過程。Nordic的協(xié)議棧以經(jīng)過測試和驗證的二進制文件形式交付，并且在編譯期間，該公司的開發(fā)工具可以協(xié)調(diào)應用程序代碼與協(xié)議棧的對接。

　　Nordic還提供簡化設計流程的開發(fā)套件(DK)和軟件開發(fā)套件(SDK)。 DK包含目標nRF51或nRF52系列SoC，而SDK可以簡化SoC與開發(fā)人員首選的ARM集成開發(fā)環(huán)境(IDE)的接口。 值得注意的是，SDK還包含簡單的應用程序代碼示例，開發(fā)人員可以使用這些示例來加速自己應用程序的編碼。

2 結(jié)合優(yōu)勢

　　Nordic新型PoC PCB將nRF52系列SoC、低功耗藍牙協(xié)議棧、獨特的軟件架構(gòu)、參考設計和應用代碼開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵優(yōu)勢匯集在一起，經(jīng)設計用于簡化為醫(yī)療設備增加無線連接的過程。

　　基于nRF52810 SoC的PoC PCB組裝在直徑為13.5 mm的電路板上，并包含匹配電路、天線和幣形電池。Nordic 根據(jù)需求提供PoC和必要的設計文件，其中包括簡介和詳細的步驟說明、電路板原理圖和物料清單(BOM)，這套解決方案允許設計人員根據(jù)這個藍牙5認證的外設設備操作PoC來開發(fā)自己的設計。

　　該產(chǎn)品預裝了協(xié)議棧和Eddystone低功耗藍牙信標應用示例。開發(fā)者可以通過OTA-DFUnRF52810 對這個SoC進行編程。由于采用S112 協(xié)議棧的nRF52810 SoC構(gòu)成了經(jīng)濟高效的藍牙5 /低功耗藍牙解決方案，因此Nordic醫(yī)療PoC PCB特別適用于廉價的一次性藥物輸送產(chǎn)品，如哮喘吸入器。根據(jù)市場分析機構(gòu)Market Research Future報告，到2022年，單獨的“智能”(無線)哮喘吸入器市場價值將達到16億美元。配備Nordic低功耗藍牙技術(shù)的吸入器可實現(xiàn)藥物管理(例如提供自動藥物記錄)，向遠處的家庭成員和醫(yī)務人員發(fā)送通知以及使用統(tǒng)計數(shù)據(jù)。若得到患者許可，這些數(shù)據(jù)也可以通過互聯(lián)網(wǎng)自動發(fā)送給制造商，以改善未來產(chǎn)品的性能。

3 無聲革命

　　網(wǎng)絡醫(yī)療產(chǎn)品正在悄然進行革命(如圖4)。由于監(jiān)管環(huán)境嚴峻，這些產(chǎn)品需要一段時間才能進入市場，但有許多創(chuàng)新應用即將實現(xiàn)商業(yè)化。低功耗藍牙非常適合從功率受限的設備傳輸少量數(shù)據(jù)，并且到處也可以見到它的應用，例如聽診器連接和智能手機應用程序，甚至是監(jiān)視護理中心幾十位老年人的血壓，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云，確定何時施用高血壓藥物的解決方案。而低功耗藍牙無線技術(shù)在智能手機和平板電腦中無處不在，這鞏固了其作為醫(yī)療產(chǎn)品卓越無線連接技術(shù)的地位。

　　設計無線產(chǎn)品的工程十分浩大，可能令人望而生畏，而且許多醫(yī)療產(chǎn)品公司或許沒有內(nèi)部RF專才來充分發(fā)揮相關(guān)技術(shù)。但是，通過與Nordic等低功耗藍牙供應商合作，即使只有很少RF設計經(jīng)驗的開發(fā)人員也可以從中獲取經(jīng)過驗證的硬件、協(xié)議固件、參考設計、開發(fā)工具和技術(shù)專長，從而可以輕松構(gòu)建商用設備的原型，然后進行量產(chǎn)。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第5期第63頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。