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

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I. Die Anfänge

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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.)

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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

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Mio. Einheiten

Jahr [statista.com]

BluetoothLow EnergyMarktvolumen

II. Bluetooth und Medizintechnik: 3 Herausforderungen

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II. Bluetooth vs. BLE

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• 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

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Energieverbrauch in Ruhe ≥ 4 µW

III. Praxisbeispiel: Kontinuierliche Glukoseüberwachung

1 Sensor für diekontinuierlicheGlukosemessung

2 Smartphone alsEmpfangsgerätfür Glukosewerte

Follower

Arzt

Angehörige

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Patient

IV. Tech-Fokus: Kommunikationsmodi

BluetoothLow Energy

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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

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• fragt Daten an• gibt Kommandos

• liefert Daten• führt Kommandos aus

Server Client

IV. Tech-Fokus: Angebot und Daten

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• 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)

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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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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

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Dr. Roland NebTechnical Project Manager,Application Development

T +49 6233 73778-239

roland.neb@exco.de

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