Funkübertragungsverfahren Bluetooth in der Medizintechnik

Mit dem Bluetooth-Standard ist es gelungen, etliche Bedenken gegen Funk in der Medizintechnik auszuräumen. Bluetooth ist durch das Frequency-Hopping-Verfahren sehr robust gegen Störungen. Mit dem neuen „Bluetooth Low Energy“-Profil (BLE) werden Anwendungen möglich, die vor einigen Jahren aufgrund des zu hohen Strombedarfs der verfügbaren Funkverfahren noch unmöglich erschienen.

Über viele Jahre waren die Anwender von Medizintechnik und somit auch deren Lieferanten sehr zurückhaltend beim Einsatz von Funktechnik. Inzwischen wird im Medizinsektor immer mehr Funktechnik genutzt, weil viele der bisherigen Gründe für die Zurückhaltung aufgrund technischer Innovationen und neuer Standards - für die Funkübertragungsverfahren, aber auch für die medizintechnischen Geräte - eliminiert wurden. Die Bedenken, dass Funktechnik die sensiblen Diagnose- und Therapie-Geräte stört, konnten für viele Geräte zum einen durch umfangreiche Studien und durch Optimierungen der Geräte andererseits ausgeräumt werden.

Die Herausforderung, dass eine gestörte Funkverbindung zu Fehlfunktionen und dadurch zu falschen Diagnosen oder Therapien führen kann, wird heute mit den neuen Funkübertragungsverfahren gelöst, die sehr robust gegen Störungen sind sowie eine gestörte Verbindung erkennen und durch eine redundante Verbindung ersetzen. Der unberechtigte Zugriff von außen auf Patientendaten wird bei aktuellen Funkübertragungsverfahren durch moderne Verschlüsselungsalgorithmen verhindert.

Inzwischen zeichnet sich ab, dass Bluetooth ein Funkübertragungsverfahren ist, das vielen Anforderungen der Medizintechnik genügt. Bild 1 zeigt beispielhaft ein paar Beispiele für drahtlose Anwendungen in der Medizintechnik.

Der Bluetooth-Standard

Die Bluetooth-Entwicklung und -Standardisierung liegt in den Händen der Bluetooth Special Interest Group (SIG) [1], die 1998 von den Firmen Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba und Intel gegründet wurde. Ziel war, die Anzahl der unterschiedlichen Kabelverbindungen im Umfeld tragbarer Computer und mobiler Telefone zu reduzieren und durch ein einheitliches Funkübertragungsverfahren zu ersetzen.

Die aktuelle Version 4.0 des Bluetooth-Standards vereint zwei unterschiedliche Übertragungsverfahren: „Bluetooth High Speed“ (BHS) und „Bluetooth Low Energy“ (BLE). Beide Verfahren arbeiten im lizenzfreien ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical) bei 2,4 GHz. Dieses Band ist derzeit das einzige Frequenzband, in dem sich Systeme mit Funkübertragung nahezu weltweit ohne technische Anpassungen betreiben lassen.

Die Bluetooth SIG definiert ein Qualifizierungsprogramm, nach dem alle Bluetooth-Produkte qualifiziert werden müssen. Ohne diese Qualifizierung ist es nicht erlaubt, Produkte mit Bluetooth-Technologie auf den Markt zu bringen. Alle qualifizierten Produkte werden bei der Bluetooth SIG gelistet, so dass ein Kunde die Möglichkeit hat, zu prüfen, ob ein Produkt die Qualifizierung durchlaufen hat. Ziel der Bluetooth-Profile und des Qualifizierungsprogramms ist es, die Interoperabilität zwischen Produkten verschiedener Hersteller zu gewährleisten. Neben der Bluetooth-Qualifizierung muss jedes Bluetooth-Produkt vor der Inverkehrbringung die jeweiligen länderspezifischen, regulatorisch vorgeschriebenen Prüfungen für Funk-geräte durchlaufen.

Um Bluetooth oder auch die BLE-Variante in Produkte zu integrieren, werden häufig Module (Bild 2) verwendet, die neben dem eigentlichen Bluetooth-Chip bereits mit der externen Beschaltung für die HF-Anbindung bestückt sind, was die Integration in vorhandene Schaltungen deutlich einfacher macht. Häufig benötigen Module nur noch eine Energieversorgung, die digitale Datenanbindung und einen Antennenanschluss.

Bluetooth High Speed

Der BHS-Standard setzt sich zusammen aus der so genannten Core-Spezifikation und verschiedenen Profil-Spezifikationen. In der Core-Spezifikation sind die physikalischen Parameter von HF- und Basisband, die Audioübertragung sowie das Interface zu Host Controllern (HCI) beschrieben. Darüber hinaus werden die Protokolle für Link-Manager, logische Kanäle (L²CAP), Service Discovery (SDP), virtuelle serielle Schnittstellen (RFCOMM) und Netzwerk-Verbindungen (BNEP) festgelegt.

Die Profil-Spezifikationen definieren Verhalten, Nachrichtenformate und Anwendungsfälle für spezifische Anwendungen. So gibt es z.B. Profil-Spezifikationen für serielle Datenkommunikation, Freisprecheinrichtungen in Fahrzeugen, Audio- und Videoübertragung und seit dem Standard 3.0 auch ein spezielles Profil für die Anbindung medizinischer Endgeräte (HDP, Health Device Profile). Bild 3 zeigt den kompletten Protokollstack von Bluetooth 4.0.

Die Partitionierung des Protokollstapels ist in den Geräten unterschiedlich. Häufig arbeiten die Bluetooth-Chips nur mit den Core-Protokollen (siehe Bild 3); die Host-Protokolle, die Profile und die Anwendungen laufen dann auf einem Host-Controller. Bei kleinen Anwendungen werden aber auch Host- und Profil-Protokolle häufig in das Bluetooth-Modul integriert. Dann läuft nur noch die Anwendung auf dem Host-Controller, der entsprechend kleiner und preiswerter ausgelegt werden kann. Für einige Anwendungen wie etwa Headsets für Mobiltelefone kann sogar ganz auf den Host-Controller verzichtet werden, und die komplette Anwendung läuft im Bluetooth-Modul.

Das Frequenzband wird bei BHS in 79 Kanäle mit jeweils 1 MHz Bandbreite unterteilt. Die Datenübertragungsrate beträgt bei BHS brutto maximal 3 Mbit/s, was zu einer maxi-malen Netto-Datenrate von etwa 2,1 MBit/s führt. Mit Bluetooth High Speed können so genannte Pico-Netze gebildet werden, in denen sich alle Teilnehmer diese Datenrate teilen müssen. Pico-Netze können aus bis zu acht Teilnehmern - ein Master mit bis zu sieben Slaves - bestehen. Ein Pico-Netz definiert sich dabei über das Frequenzsprungschema (Hopping-Sequenz) durch das Frequenzband, das beim Verbindungsaufbau ausgehandelt wird.

Der Master weist den Slaves innerhalb eines Pico-Netzes die entsprechenden Ressourcen auf der Luftschnittstelle zu. Die Slaves können nur mit dem Master kommunizieren, der Pakete für andere Slaves weiterleitet. Mehrere Pico-Netze können miteinander vernetzt werden und so genannte Scatter-Netze bilden. Dadurch können mehr als acht aktive Geräte miteinander verbunden werden. Hierzu müssen einzelne Geräte Mitglied in mehr als einem Pico-Netz sein, was die Übertragungskapazität an den Übergangsstellen einschränkt, da die „Anwesenheit“ eines Gerätes in den Piconetzen zeitlich koordiniert werden muss.

Mit der Version 3.0 erlaubt Bluetooth die Verwendung einer „Alternate MAC/PHY“-Schicht (AMP), die es ermöglicht, parallel zum eigentlichen Bluetooth-Link einen Datenkanal über alternative Medien zu etablieren. Vorstellbar sind hier z.B. WLAN- und UWB-Verbindungen. Damit lässt sich die Datenübertragungsrate von „Blue-tooth High Speed“-Verbindungen massiv steigern, da beide Verfahren Datenübertragungsraten von mehr als 100 Mbit/s ermöglichen.

„Bluetooth High Speed“-Produkte arbeiten mit verschiedenen Leistungsklassen: Class-3-Module haben maximal 1 mW, Class-2-Module maximal 2,5 mW und Class-1-Module maximal 100 mW Sendeleistung. Während Class-2- und Class-3-Module im Nahbereich verwendet werden (bis 10 m Reichweite), überbrücken Class-1-Module Distanzen bis zu 100 m.