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Bluetooth Low Energy in der Medizintechnik
Dr. Roland NebEXCO GmbH
Expert Conference Jena 201923. Januar 2019
Bluetooth Low Energy (BLE) in der Medizintechnik
I. Technologieentwicklung: Von Bluetooth zu BLE
II. Vorteile von BLE für die Medizintechnik
III. Praxisbeispiel: Kontinuierliche Glukoseüberwachung mit BLE
IV. Tech-Fokus: Kommunikation, Baukastenprinzip
V. Zusammenfassung
© EXCO GmbH [2018] 2
I. Die Anfänge
© EXCO GmbH [2018] 3
Bluetooth-Standard erstmals 1996 festgelegt
• Hohe Kommunikationsfähigkeit
• Vereinte Dänemark und Norwegen
• Logo aus altnordische Runen H und B:
I. Harald „Blauzahn“ Gormson (910-987 n. Chr.)
© EXCO GmbH [2018] 4
14001850
24002950
3700
4700
6150
8450
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
2013 2014 2015 2016 2017 2018 [e] 2019 [e] 2020 [e]
I. Bluetooth
5© EXCO GmbH [2018]
Mio. Einheiten
Jahr [statista.com]
BluetoothLow EnergyMarktvolumen
II. Bluetooth und Medizintechnik: 3 Herausforderungen
© EXCO GmbH [2018] 6
II. Bluetooth vs. BLE
7© EXCO GmbH [2018]
• große Datenmengen: z. B. Video, Audio
• permanent offener Kommunikationskanal
• kleine Datenmengen• aktiv auf Anforderung
BluetoothLow Energy
Gerät ist fast die ganze Zeit in Ruhe und sendet nur in sehr kurzen Zeiträumen nach Bedarf.
II. Bluetooth Low Energy - Merkmale
Eckpunkte BLE (v5.0)
Reichweite Bis zu 200 m
Maximale Übertragungsrate 2 Mbit/s
Sendeleistung 0,01 mW ≤ P ≤ 100 mW
Typische Übertragungszeit pro Datenpaket
≈ 1 ms
Größe ≈ 3x3 mm²
Kosten ≈ 2€ pro Stück
Energieverbrauch in Ruhe ≥ 4 µW
Frequenz 2,4 – 2,48 GHz
Typische Anwendungen Medizin, Fitness, Monitoring….
3 mm
© EXCO GmbH [2018] 8
Energieverbrauch in Ruhe ≥ 4 µW
III. Praxisbeispiel: Kontinuierliche Glukoseüberwachung
1 Sensor für diekontinuierlicheGlukosemessung
2 Smartphone alsEmpfangsgerätfür Glukosewerte
Follower
Arzt
Angehörige
weitere© EXCO GmbH [2018] 9
Patient
IV. Tech-Fokus: Kommunikationsmodi
BluetoothLow Energy
© EXCO GmbH [2018] 10
IV. Tech-Fokus: Advertising Mode
Sensor für die kontinuierlicheGlukosemessung
Smartphone als Empfangsgerätfür Glukosewerte
schnell und unkompliziert
ungesichert, Einwegkommunikation -> nicht für Patientendaten
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IV. Tech-Fokus: Connection Mode
sicher, mit Empfangsbestätigung
für jeden Austausch muss Verbindung aufgebaut werden
Connection Mode
Authentifizierung möglich
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IV. Tech-Fokus: Angebot und Daten
© EXCO GmbH [2018] 13
• fragt Daten an• gibt Kommandos
• liefert Daten• führt Kommandos aus
Server Client
IV. Tech-Fokus: Angebot und Daten
14© EXCO GmbH [2018]
• fragt Daten an• gibt Kommandos
• liefert Daten• führt Kommandos
aus
Glukose-Messwert:• 112 mg/dlZeitstempel:• 60 Sekunden nach
Messbeginn
das erfordert eine Definition, was die Zahlen bedeuten
diese Definition nennt man in Bluetooth „Characteristic“
Server Client
Problem: Energieverschwendung durch redundante Information
Lösung: nur „112, 60“ senden
IV. Tech-Fokus: Angebot und Daten
Characteristic CGM
Characteristic A CGM Measurementu. a.Glukosewert, Zeitstempel
Characteristic
Characteristic BCGM Specific OpsControl Point
u. a.„Warngrenze setzen“
• ist Datenformat oder Kommandoliste
• definiert, was einzelne Bytes bedeuten
Characteristic C […]
Characteristic D […]
[…] […]
Beispiel: CGM-Service – standardisierter Dienst
• fragt Daten an• gibt Kommandos
• liefert Daten• führt Kommandos
aus
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Server Client
IV. Tech-Fokus: Struktur des CGM-Service (Auswahl)
Byte-Reihe für CGM Measurement Characteristic
Byte
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Size FlagsGlukosewert in mg/dl
Zeitstempelin s
Warnmeldung (opt.)Änderungen (opt.)
Qualität der Messung in % (opt.)
CRC (opt.)
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112 60
Server Client
Byte
IV. Tech-Fokus: Struktur des CGM-Service (Auswahl)
Byte-Reihe für CGMSpecific Ops Control Point(Bsp. obere Warngrenze)
0 1 2
auszuführendes Kommando:
obere Warngrenze setzen
Wert der oberen Warngrenzein mg/dl
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7 140
IV. Tech-Fokus: Kommunikation CGM-Anwendung (Erstkontakt I)
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Sensor: Hallo an alle, ich bin ein CGM-Server …
Handy: Hey – ich würde mich gerne mit dir verbinden
Handy: OK –„passwort1234“
Sensor: Nur, wenn du mit mireine verschlüsselte Verbindungaufmachst!
Handy:
Server Client
Sensor: „passwort1234“bestätigt. Verbindungverschlüsselt
IV. Tech-Fokus: Kommunikation CGM-Anwendung (Erstkontakt II)
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Sensor: Ich schicke dir eine Liste aller Services
Sensor: „Sender-CGM-Überwacher“ / „ABC123“
Handy: […]
Sensor: […]
Handy: Ich benötige eine Liste aller Dienste …
Handy: Bitte sag mir Deinen Gerätenamen / Deine Seriennummer
Konfiguration
Server Client
IV. Tech-Fokus: Kommunikation CGM-Anwendung (Erstkontakt III)
© EXCO GmbH [2018] 20
Sensor: Ist gesetzt.
Sensor: 112 mg/dl.
Handy: Setze Alarm für Obergrenze auf 140 mg/dl.
Handy: Welchen Glukosewert hat Patient jetzt?
Service: CGM
Characteristic A
Characteristic B
[…]
[…]
Characteristic BCGM Specific Ops Control Point
Characteristic B
Characteristic A
Characteristic A CGM Measurement
Characteristic B
Characteristic A
Characteristic B
Server Client
Handy: Disconnect
IV. Tech-Fokus: Kommunikation CGM-Anwendung
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Sensor: Ich habe Messwerteund suche Verbindung
Sensor: Schlüssel wie vereinbart
Handy: Hey – ich würde mich gerne mit dir verbinden – Schlüssel wie vereinbart
Service: CGM
Characteristic A
Characteristic B
[…]
[…]
Sensor: Aktueller Glukosewert83 mg/dl
Characteristic A CGM Measurement
Characteristic ACharacteristic A
Server Client
Handy: Disconnect
IV. Tech-Fokus: Baukastenprinzip von BLE
CGM-Service
Battery-
Service
Current
Time-Service
Alarm-
Service
Device
Information-
Service
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[…]
[…]
[…]
[…]
CGM-Service als Baustein in komplexeren Systemen
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• Vorteile:
• Datenaustausch ohne Kabel
• geringer Energieverbrauch
• leichte Geräte, die am oder im Körper getragen werden
• längere Intervalle zwischen operativen Eingriffen
• Baukastenprinzip = einfache Zusammenstellung von Funktionen
• Interoperabilität zwischen verschiedenen Geräten
V. Zusammenfassung: Vor- und Nachteile von BLE
Vorteile
Einschränkungen• langsame Reaktionszeit
• geringe Datenaustauschmenge
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Icons von Freepik (flaticon.com)
Bildnachweise
Folie 4Quelle: Wikimedia / Lewis_Chessmen
Fotograf: Fernando Pascullo
Lizenz: CC Attribution 3.0 unported
Folie 22Quelle: pexels.com / photo 262-488
Lizenz: CC0 1.0 Universal Public Domain Dedication
Ihre Fragen? Gerne jetzt oder im Nachgespräch:
Dr. Roland NebTechnical Project Manager,Application Development
T +49 6233 73778-239
© EXCO GmbH [2018] 25