Monitoreo inalámbrico en sistemas de uso médico portátiles

Este artículo analiza los requisitos complejos del monitoreo inalámbrico en los sistemas de uso médico portátiles. Desde los transceptores de potencia ultrabaja y diferentes protocolos hasta la administración de potencia altamente eficiente y las interfaces de sensor, hay una amplia gama de soluciones de ingeniería que se deben tener en cuenta para un diseño médico de alta confiabilidad.

Los desarrolladores y usuarios de dispositivos médicos portátiles demandan cada vez más conectividad y mayor duración de la vida útil de la batería y, como resultado, la seguridad se está convirtiendo en un problema clave.

Se lo está abordando de diferentes maneras, desde la adición de características de seguridad a los protocolos, como Bluetooth Smart, hasta hacer que el monitoreo en el hogar sea más seguro.

IMS Research prevé que el Bluetooth Smart utilizado en dispositivos de uso médico alimentados con baterías tipo botón se convertirá en un factor significativo en los próximos años, con más de 4.7 millones de sistemas transportados solo en 2016. Bluetooth Smart proporcionará la conectividad inalámbrica para más de un tercio de esta cantidad, en parte impulsada por la seguridad de las conexiones.

Esto deja en evidencia la cercana conexión que existe entre la seguridad y la confiabilidad del diseño, el microcontrolador, el transceptor inalámbrico y las compensaciones de diseño entre los diferentes elementos.

Bluetooth Smart ha ganado popularidad porque permite que un teléfono inteligente sea utilizado como la interfaz de un dispositivo médico portátil. Los datos enviados al teléfono pueden procesarse localmente o enviarse a través de la red de celulares o una red Wi-Fi local a la nube para su almacenamiento o análisis. Todo esto reduce significativamente las demandas al diseñador del equipo, pero impone necesidades más fuertes de garantizar que los datos estén seguros durante toda la cadena de transmisión, que es en lo que Bluetooth Smart es particularmente popular.

Una de las formas de hacerlo es mediante el perfil de dispositivo de salud (Health Device Profile, HDP) desarrollado por el grupo de interés especial de Bluetooth (Special Interest Group, SIG). Esto optimiza el rendimiento del enlace inalámbrico para un menor agotamiento de la batería y agrega varios formatos para aplicaciones en particular, en especial en los equipos de uso médico. Significa que el diseñador de un producto de uso médico puede seleccionar un perfil que se adapte a una aplicación específica y así reducir los gastos generales de memoria y potencia. Los HDP admiten aplicaciones de uso médico y de acondicionamiento físico, como medición de la temperatura corporal, presión arterial, balanza, glucosa, oximetría de pulso, frecuencia cardíaca, podómetro, velocidad, distancia, cadencia del ciclo, control remoto simple y estado de la batería.

Figura 1: el flujo de datos desde un dispositivo de uso médico inalámbrico a través de Bluetooth hacia un teléfono inteligente y la nube.

Además de la seguridad de los datos, Bluetooth Smart también agregó protección de la privacidad, en especial cuando nos encontramos en movimiento. Esto limita la capacidad de realizar el seguimiento a un dispositivo transmisor al utilizar una dirección de dispositivo aleatoria que cambia con frecuencia.

Si bien la tendencia hacia los registros médicos electrónicos y la telemedicina continúa, los médicos tienen el mismo deber de resguardar los registros médicos de un paciente y mantener la confidencialidad de sus tratamientos que se requería con los registros en papel tradicionales. Como los documentos electrónicos se duplican y transmiten con mayor facilidad, el almacenamiento de archivos electrónicos, imágenes, audio y video debe realizarse con un nivel de seguridad incluso mayor. Como resultado, la seguridad digital debe ser cuidadosamente analizada durante el desarrollo de cualquier dispositivo médico portátil.

La familia MSP430FR59xx de TI de microcontroladores de 16 bits utiliza memoria ferroeléctrica (FRAM) para el almacenamiento de baja potencia y, cuando se la combina con productos inalámbricos, puede ser utilizada para monitores de presión arterial, medidores de glucosa en sangre, balanzas, pulsioxímetros y más a través del protocolo de clase de dispositivo de atención médica personal (personal healthcare device class, PHDC) de Bluetooth Smart.

Utiliza la misma tecnología de cifrado AES que se especifica en el Bluetooth clásico, pero lo implementa en un acelerador de hardware en el microcontrolador de FRAM para mantener el consumo de potencia lo más bajo posible. El motor AES de 256 bits puede ser utilizado para tamaños clave de 128, 196 y 256 bits y hay un soporte de DMA para los diferentes tipos de modos de cifrado, como ECB, CBC, OFB y CFB. Esto ayuda a reducir el consumo de potencia al transferir los datos directamente al motor AES sin tener que utilizar el núcleo central del transceptor inalámbrico.

La conexión con el transceptor también consume la menor potencia posible, con un convertidor analógico a digital ADC) de 12 bits que consume 75 µA a 200 ksps y admite hasta ocho entradas diferenciales de los canales. También hay una función de comparación de ventanas en cada entrada para facilitar las comparaciones de datos, de forma tal que solo se capturen los cambios significativos, lo que ahorra aun más potencia en las aplicaciones médicas.

La memoria FRAM en el controlador ahorra entre un 12 y un 15 % de la vida útil de la batería al hacer que las actualizaciones de firmware inalámbricas sean más fáciles y proporcionar una respuesta más rápida para el almacenamiento de datos para el que es importante el factor tiempo. La larga resistencia de ciclos de FRAM también elimina la necesidad de implementar EEPROM externas, por lo que el diseño es más seguro ya que el código se almacena internamente y reduce el consumo de potencia, la lista de materiales y la complejidad de fabricación. El dispositivo también incluye protección de IP, DI de dispositivo, detección de alteraciones y registro seguro de datos para proteger aun más a los datos que circulan por el sistema inalámbrico.

Los modos de potencia ultrabaja también son fundamentales para este tipo de diseño, y la plataforma admite siete modos de baja potencia con una activación rápida de menos de 6 µs.

Estos microcontroladores están diseñados para ser utilizados con un transceptor inalámbrico como el transceptor Bluetooth CC2541 de Texas Instruments. Incluye el firmware exento de regalías llamado BLE-Stack que permite descargas en el aire (OTA) a un diseño portátil para que sea fácil de actualizar. El controlador, el host y el procesador de aplicaciones están integrados en un único paquete de 6 mm x 6 mm. El diseño de baja potencia del transceptor con una corriente de transmisión de 18.5 mA significa que puede operar por más de un año con una única batería de botón.

Figura 2: El kit de desarrollo CC2541 incluye el transceptor de Bluetooth Smart para enlaces inalámbricos seguros.

Dialog Semiconductor tomó un enfoque diferente con el DA14580. Es un transceptor de radio y procesador de banda de base completamente integrado para Bluetooth Smart. Puede utilizarse como un procesador de aplicaciones independiente o como una bomba de datos en sistemas alojados con un microcontrolador por separado.

El DA14580 admite una arquitectura de memoria flexible para almacenar perfiles de Bluetooth y el código de aplicación personalizado, que puede ser actualizado OTA. La pila de protocolo de Bluetooth Smart se almacena en una ROM dedicada y se ejecuta en el procesador de 16 MHz ARM Cortex-M0 integrado mediante un programador simple.

Figura 3: El DA14580 de Dialog Semiconductor combina un núcleo ARM Cortex-M0 con el transceptor de 2.4 GHz para Bluetooth Smart.

El firmware de Bluetooth Smart incluye los protocolos de capa de servicio L2CAP, administrador de seguridad (SM), protocolo de atributos (ATT), el perfil de atributo genérico (GATT) y el perfil de acceso genérico (GAP), que tienen soporte de un procesador de cifrado AES de 128 bits para asegurar el tráfico de datos. 

Para simplificar el diseño del equipo, el transceptor tiene una conexión directa con la antena en un extremo y un acelerador dedicado para la capa de enlace en el otro extremo, lo que proporciona un presupueste de conexión de 93 dB. Todos los bloques RF en el diseño son suministrados por reguladores de caída baja (LDO) en chip, que se programan por bloque y optimizan para lograr el menor consumo de potencia.

El DA14580 viene con la plataforma de software SmartSnippets Bluetooth de Dialog que incluye una pila de un solo modo calificado de Bluetooth Smart en chip. Tiene una amplia gama de perfiles de Bluetooth Smart para aplicaciones de bienestar, deportes, acondicionamiento físico, seguridad y proximidad del cliente en el modelo estándar, y fácilmente se pueden desarrollar y agregar perfiles de clientes adicionales a la pila. El entorno de desarrollo del software SmartSnippets se basa en las herramientas uVision de Keil, que incluyen código de ejemplo para los modos integrado y alojado.

No todos los diseños de dispositivos médicos portátiles deben ser Bluetooth Smart. Los sistemas de monitoreo de la salud en el hogar pueden utilizar dispositivos como el Si106x/8x de Silicon Labs y conectarse a las redes del hogar en lugar de a teléfonos móviles, y así utilizar los recursos informáticos adicionales en el concentrador para implementar la seguridad. Para los sistemas que no se sacarán del hogar, esto puede proporcionar implementaciones más pequeñas y de menor costo. El 106x/108x combina la conectividad inalámbrica de alto rendimiento y el procesamiento de microcontrolador 8051 de potencia ultrabaja en un factor de forma pequeño de 5 mm x 6 mm. Se proporciona soporte para las principales bandas de frecuencia en el rango de 142 a 1050 MHz, incluido un motor de manejo de paquete avanzado integrado y la capacidad de implementar un presupuesto de conexión de hasta 146 dB. Esto le permite al diseñador compensar el presupuesto de conexión y el rango para un menor consumo de potencia y una mayor duración de la batería.

Figura 4: El transceptor Si106x combina un núcleo de controlador 8051 con un enlace inalámbrico sub-GHz para monitores de bajo costo en el hogar.

Los dispositivos de Silicon Labs han sido optimizados para minimizar el consumo de batería para las aplicaciones con batería al minimizar la corriente de los modos de transmisión, recepción, activación y sueño, además de admitir tiempos de activación rápidos. Los MCU inalámbricos Si106x tienen compatibilidad de clavijas con los dispositivos Si108x que pueden escalar de 8 a 64 kB de flash y proporciona un conjunto sólido de periféricos analógicos y digitales, incluidos un ADC, comparadores dobles, temporizadores y entrada y salida de uso general (GPIO).

Conclusión

La seguridad es un requisito de diseño cada vez más importante en el equipo de uso médico portátil inalámbrico. Utilizar los últimos perfiles en Bluetooth Smart proporciona la capacidad de agregar enlaces seguros, a la vez que optimiza el diseño para las aplicaciones médicas en particular a fin de proporcionar la mejor vida útil de la batería posible. Esto se puede lograr mediante una combinación de un microcontrolador de potencia ultrabaja y un transceptor, o mediante un diseño de sistema en chip altamente integrado. También puede lograrse con un transceptor más simple que se conecta al concentrador de un hogar que tenga más potencia de procesamiento para garantizar la seguridad de los datos durante la cadena de transmisión.