Jste zde

MBAN - bezdrát pro lékařskou senzoriku na obzoru

Robert Peška , 28. Červen 2019 - 8:00

Medicínské bezdrátové aplikace jsou velmi perspektivní z hlediska akutní i následné péče, mají ovšem své specifické požadavky. Ty dostávají konkrétní obrysy v podobě specifikace MBAN.

V první řadě je potřeba upozornit na to, že problematika Body Area Network má k jednotnému standardu zatím daleko. Původní specifikace IEEE 802.15.6 z roku 2011 se nedočkala praktického rozšíření. Někdy se objevuje také odkaz na specifikaci IEEE 802.15.4j, která měla být podmnožinou low-rate wireless personal area networks (LR-WPAN), kam patří ZigBee a Bluetooth.
Z historie pochází také alokace části pásma 2,4 GHz, které ve svých počátcích získalo přídomek ISM (Industrial-Science-Medical). Část tohoto pásma zůstala alokována pro licencované medicínské aplikace, v tuto chvíli se hovoří zejména o 40 MHz mezi 2360 a 2400 MHz. Mimochodem, stejné pásmo využívá také námořní telemetrie AMT, odstupy frekvencí a kanály jsou předmětem dalších regulací.
O BAN sítích se tak začíná hovořit zejména proto, že americký regulační úřad FCC stanovil požadavky a regulační rámec pro medicínské aplikace. Výrobci lékařské techniky a čipů, například Philips, Texas Instruments nebo GE tak akcelerují obvyklý proces standardizace. Předběžný plán počítá s několika lety na dosažení konsenzu mezi technology a státním regulátorem. V kontextu lékařské techniky nejde o nic neobvyklého, řadu let zabere také následný testovací a certifikační proces.

Vedle toho existuje i alternativa Wireless Medical Telemetry service (WMTS) v pásmech 608-614 MHz, 1395-1400 MHz a 1427-1432 MHz. Dostupnost pásem pouze v USA a regionální omezení ovšem činí WMTS méně perspektivní. Evropská legislativa se zatím zabývá pouze celkovou digitalizací zdravotní péče (eHealth) a využitím mobilních zařízení pro podpůrnou péči (mHealth).

Pro co je BAN určen

Běžné postupy léčby a péče u většiny onemocnění a zranění vyžadují měření krevního tlaku, monitoring srdeční činnosti, parametrů krevního obrazu, teplot i činnosti nervové soustavy. Dosud používané drátové senzory mají řadu omezení mechanického, či biomechanického charakteru. Konstrukce senzorů ztěžuje řadu činností akutní medicíny a úrazové medicíny, protože nasazení senzorů trvá relativně dlouho, množství vodičů omezuje pracovní prostor pro zákrok, pohyb pacienta vede k odtržení senzoru atd. Stejné problémy se objevují i u lůžkové péče, přepravy pacientů nebo domácí léčby. Přenesení senzorů do bezdrátového světa umožní zjednodušit, zrychlit a zpřesnit diagnostiku i léčbu ve všech stádiích.

BAN versus PAN

Standard MBAN nebo také WBAN, Medical nebo Wireless Body Area Network se již názvem snaží odlišit od Personal Area Network. Stávající bezdrátové standardy mají společný kritický bod a tím je absence garance funkce. Aspekty výpadku komunikace, latence, rušení nebo nedoručení dat jsou u nositelné elektroniky nebo osobní péče tolerovány, medicínské prostředí si je dovolit nemůže. Zařízení MBAN mají být použitelná pro všechny život ohrožující i akutní stavy, kde je podmínkou naprostá spolehlivost.

Definice sítě BAN vychází z hvězdicové topologie, kde jsou nody, umístěné na těle, podřízeny jedné řídící jednotce v blízkosti pacienta. Nody přitom mohou mít funkci senzorů pro monitoring i aktuátorů pro různé funkce terapeutické. Přenos informací bude obousměrný či vícesměrový, kdy jedna instrukce může být určena pro více nodů najednou. Vedle pokynů pro terapeutické nody (dávkování léků, zvýšení tlaku manžety, elektrický impulz atd.) má signalizace řešit také nastavení senzorů. Řídící jednotka bude napojena na LAN. Zde se předpokládá segmentace, kdy akutní péče využije některý z real-time průmyslových Ethernet protokolů, zatímco méně prioritní zařízení s občasným monitoringem hodnot připojí standardní LAN nebo Wi-Fi v případě domácí péče. Návrh nepředpokládá žádný mesh algoritmus, tedy vzájemnou komunikaci nodů či více řídících jednotek.
Pozornost si zaslouží jiný druh interoperability: Návrh standardu dopředu říká, že by měla být umožněna spolupráce zařízení různých výrobců (řídící jednotka a senzory) a také spolupráce na úrovni aplikací, cloudu a systémů pro výměnu lékařských záznamů. Senzory jednoho výrobce by mělo být možné vmísit do systému jiného výrobce a všechny systémy by vedle kompatibility protokolu měly zajistit i kompatibilitu dat a instrukcí.
Ačkoli jsou požadavky poměrně vysoké, výrobci čipů mají jasno. Z hlediska RF čipů a modulů jde pouze o zúžení funkcí ZigBee a Bluetooth, relativní jednoduchost protokolu vystačí s MCU z nižších kategorií. Ty dnes nabízejí velmi dobře ošetřenou bezpečnost na úrovni komunikace i vlastního firmware. Příkladem takového zařízení může být single chip Kinetis KW4x od NXP

Vyléčí BAN pásmovou nemoc?

Požadavky na protokol a jeho zabezpečení již dopředu počítají s tím, že podmínky nejsou jednoduché. Zatímco v prostředí domácí péče existují v podstatě ideální podmínky (jeden řídící bod, určitý počet senzorů v dosahu), klinická a pečovatelská zařízení jsou ve zcela jiné situaci. Jednotky intenzivní péče zpravidla sdružují několik lůžek pro trvalý monitoring a léčení pacientů, operační sály a porodnictví potřebuje často na jednom sále sledovat více samostatných jednotek se senzory. Zde je nutné řešit základní otázky počtu kanálů a jejich prostupnosti, interferencí a zabezpečení. Řada lékařských zařízení navíc způsobuje EMC rušení již z podstaty své funkce, což nelze omezit.

Stejně důležité bude i využití posledních poznatků z oblasti MIMO anténních systémů. Zde je silná analogie s výzkumem technologií sítí 5G a lze předpokládat, že MBAN bude přestupním můstkem k MBAN 5G, kde řada otázek autorizace nebo bezpečnosti zařízení bude řešena již na úrovni sítě. Je také možné, že ve stávajícím ISM pásmu 2,4 GHz bude pro potřeby MBAN příliš těsno, takže dojde k rychlému uvolnění části spektra 5G a celý vývoj se přesune do oblasti malých buněk.

Jak již bylo uvedeno, řídící jednotky MBAN budou připojeny do standardní LAN sítě. Zde současný návrh regulace předpokládá, že současné i budoucí prostředky klasického IT budou schopny dostát požadavkům medicínských systémů, ať jde o real-time operace, zabezpečené bezdrátové sítě nebo technologii cloudu.