Bild 1: Bluetooth Low Energy erobert das Feld der drahtlosen Kommunikation in der Medizintechnik, wo Blutzuckermessgeräte, Blutdruckmesser oder Herzschrittmacher per BLE Mess- und Steuerungsdaten austauschen.

Bild 1: Bluetooth Low Energy erobert das Feld der drahtlosen Kommunikation in der Medizintechnik, wo Blutzuckermessgeräte, Blutdruckmesser oder Herzschrittmacher per BLE Mess- und Steuerungsdaten austauschen. (Bild: EXCO)

Die Erfassung medizinische Daten erfolgt heute patientennah, oft per Bluetooth Low Energy. Direkt am oder im Körper aufgenommen gelangen die Messwerte per Funk an ein Empfangsgerät, etwa ein spezielles Monitorgerät oder ein handelsübliches Smartphone. Ebenso lassen sich medizinische Geräte direkt über Funk steuern, wie es häufig bei implantierten Blutzuckermessgeräten, Insulinpumpen oder Herzschrittmachern der Fall ist. Hier ist Bluetooth Low Energy (BLE) ein erfolgversprechender und in der Praxis bereits eingesetzter Ansatz zur sicheren Datenübertragung.

Herausforderungen für die Datenübertragung

Obwohl Bluetooth als Standard bereits seit 1999 existiert, sind Anwendungen in der Medizintechnik erst in neuerer Zeit zu beobachten. Dies liegt an den besonderen Herausforderungen, die die Übertragung von Patientendaten mit sich bringt. Zuverlässigkeit, Sicherheit und Effizienz sind Kernanforderungen, die die drahtlose Kommunikation erfüllen muss und welche in der Vergangenheit Hemmschwellen für Bluetooth in der Medizintechnik bedeuteten.

Eck-Daten

Medizinische Geräte kommunizieren immer häufiger über Bluetooth Low Energy. Technische Verbesserungen haben mittlerweile die Reichweite und Signalstärke der Transceiver wesentlich erhöht. Ein Flaschenhals dabei ist allerdings, dass sich Bluetooth-Geräte oft begrenzte Kanalkapazitäten und Frequenzen teilen müssen. Im Beitrag erläutert Exco am Beispiel einer kontinuierlichen Blutzuckermessung die Stärken von BLE und was hinsichtlich Datenaufkommen, Stromverbrauch und Sicherheit zu beachten ist.

Frühe Funkanwendungen waren noch sehr störanfällig, sodass Informationen nicht zu jeder Zeit abrufbar waren oder die Gerätesteuerung nicht reagierte. Doch eine zuverlässige störungsfreie Datenübertragung ist das A und O für Anwendungen in der Medizintechnik. Der Bluetooth-Standard erreicht diese Anforderung sehr wirksam dadurch, dass die Kommunikation verteilt und abwechselnd über viele verschiedene Kanälen erfolgt (Channel-Hopping).

Technische Verbesserungen haben zudem Reichweite und Signalstärke der Bluetooth-Transceiver wesentlich erhöht. Problematisch wird es jedoch, wenn sich viele Bluetooth-Geräte an häufig frequentierten öffentlichen Orten die begrenzten Kanalkapazitäten und Frequenzen teilen müssen. Die Folge wären Verbindungsprobleme und ein stockender Datentransfer.

Tabelle 1: Wesentliche Leistungsdaten von BLE (Bluetooth Low Energy).

Tabelle 1: Wesentliche Leistungsdaten von BLE. Exco

Unter Ausschluss der Öffentlichkeit

Sicherheit betrifft den Schutz vor dem Zugriff unbefugter Dritter. Hierbei ist nicht nur der direkte manipulative Zugriff gemeint, der insbesondere in bösartiger Absicht bei Geräten wie Insulinpumpen oder Herzschrittmachern zum Tod des Patienten führen kann, sondern auch der Schutz von sensiblen Patientendaten. Bluetooth 4.2 implementierte Ende 2014 ein maßgeblich verbessertes Sicherheitskonzept, das die bekannten Schwachstellen adressiert. Im Herbst 2017 aufgedeckte Sicherheitslücken wie die Blueborne-Schwachstellensammlung zeigten allerdings, dass zusätzliche Sicherheits-Maßnahmen bei besonders kritischen Funktionalitäten  empfehlenswert sind, insbesondere um ein ausreichendes Maß an Schutz für die Patienten zu erreichen.

Im Wesentlichen gibt es zwei Arten der Kommunikation: das Senden an alle Geräte der Umgebung (Broadcasting) sowie die wechselseitige Point-to-Point-Kommunikation (P2P) zwischen zwei Geräten. Weil Datenübertragung per Funk immer die gesamte Umgebung versorgt, wo jeder Empfänger mithören kann, sind die Daten in geeigneter Weise zu verschlüsseln. Bluetooth verwendet je nach Sicherheitsstufe zur Verschlüsselung AES (Advanced Encryption Standard) oder das noch sicherere, aber aufwändigere ECDH-Verfahren (Elliptic Curve Diffie Hellman).

 

Worin sich BLE vom klassischen Bluetooth unterscheidet und ein konkretes Anwendungsbeispiel zeigt der Beitag auf der nächsten Seite.

Viel Ruhe spart Energie bei Bluetooth Low Energy

Effizienz bezieht sich maßgeblich auf den Energieverbrauch der medizinischen Geräte. Es ist vor allem dieser Punkt, in dem sich BLE vom klassischen Bluetooth unterscheidet, und der für den Einsatz in der Medizintechnik vorteilhaft ist. Denn Geräte, die am oder im Körper getragen werden, sollten möglichst klein und leicht sein. In einer Tastatur mögen zwei 9-Volt-Batterien nicht stören, bei einem Gerät, dessen Sensor unter der Haut platziert werden muss, hingegen schon. Zudem sollte gerade bei implantierten Geräten die Lebensdauer der Batterie möglichst groß sein, um Operationen zwecks Service weitesgehend zu vermeiden.

Bild 2: Bei der kontinuierlichen Glukosemessung erfasst ein Sensor fortlaufend den Blutzuckerwert und sendet die Daten per Bluetooth an eine Smartphone-App, bei Bedarf auch an Geräte weiterer zugriffberechtigter Personen.

Bild 2: Bei der kontinuierlichen Glukosemessung erfasst ein Sensor fortlaufend den Blutzuckerwert und sendet die Daten per Bluetooth an eine Smartphone-App, bei Bedarf auch an Geräte weiterer zugriffberechtigter Personen. Exco

Das Prinzip des Energiesparens bedingt den möglichst sparsamen Datenaustausch. Im Ruhezustand verbrauchen heutige BLE-Chips etwa 4 µW. Eine gewöhnliche Knopfzelle mit einer Kapazität von 20 mAh und einer Nennspannung von 1,5 V könnte diesen Ruhezustand etwas mehr als 300 Tage aufrechterhalten. Bei einem typischen Funkvorgang steigt die Leistung hingegen auf ca. 1 mW an, sodass die Haltbarkeit der Batterie im Dauerfunkbetrieb nur noch etwas mehr als einen Tag beträgt. Je nach Funktionalität können allerdings auch andere Operationen die Batterie belasten. Sparsame Kommunikation ist also absolut entscheidend und lässt sich durch einen möglichst häufigen Ruhezustand gewährleisten.

Nachdem zwei Geräte einander gefunden und ihre Verschlüsselung vereinbart haben, können diese Nachrichten austauschen. Letztere bestehen aus einer begrenzte Anzahl von Bytes, auch Oktetten genannt, und umfassen bei Bluetooth 5 bis zu 256 Byte. Inhalte sind beispielsweise Messdaten oder einfache Steuerkommandos.

Anwendungsbeispiel Blutzuckermessung mit BLE

Bei der kontinuierlichen Blutzuckermessung (Continuous Glucose Measuring, CGM) kommunizieren ein Blutzuckermessgerät, das der Patient am Körper trägt, und ein Empfangsgerät, beispielsweise dessen Smartphone, miteinander (Bild 2). Der Patient erhält in regelmäßigen zeitlichen Intervallen – etwa minütlich – seinen durch ein Messgerät ermittelten Blutzuckerwert auf sein Smartphone übermittelt. Zusätzlich kann er dem Messgerät vordefinierte Kommandos übermitteln, wie das Setzen einer Warnschwelle, welche bei Überschreitung ein Alarmsignal zur Folge hat.

In diesem Anwendungsfall ist die ausgetauschte Datenmenge sehr gering. Pro Minute sind einige Bytes nötig, um den Blutzuckerwert, den zugehörigen Zeitstempel und gegebenenfalls einige wenige ergänzende Informationen zu übermitteln. Kommandos durch den Nutzer treten in noch viel größeren Zeitabständen auf. Um die benötigte Datenmenge maximal zu komprimieren, sind spezielle Datenformate als Charakteristiken vordefiniert. So repräsentieren zum Beispiel Byte 2 und 3 den Blutzuckerwert in mg/dl, während Byte 4 und 5 den Zeitstempel in Sekunden seit Start der Messung angeben. Weitere Bytes enthalten größtenteils optionale Zusatzinformationen. Übertragen werden nur die Zahlenwerte, erst der Empfänger ordnet dann die entsprechenden Einheiten zu.

Analog sind auch Kommandos aufgebaut. So wird in einer anderen Charakteristik festgelegt, dass das erste Byte ein definiertes Kommando aufruft – beispielsweise steht 7 für das Kommando „obere Warngrenze setzen“ – und die nachfolgenden Bytes beschreiben die notwendigen Parameter für dieses Kommando. Im Fall „obere Warngrenze setzen“ liefern die nachfolgenden Bytes dann den Wert der oberen Grenze. Die Datenfolge „7 150“ bedeutet dann, bei Überschreitung des Blutzuckerspiegels von 150 mg/dl einen Alarm auszulösen.

 

Im Folgenden beschreibt der Artikel, welche Services sich mit BLE realisieren lassen.

Bild 3: Der CGM-Service ist in vordefinierte Charakteristiken wie zum Beispiel der Zeitstempel in Byte 4 und 5 strukturiert und versendet die Daten verschlüsselt bei BLE.

Bild 3: Der CGM-Service ist in vordefinierte Charakteristiken, wie zum Beispiel der Zeitstempel in Byte 4 und 5, strukturiert und versendet die Daten verschlüsselt. Exco

Nur das Nötigste kommunizieren

Um Energie zu sparen, befindet sich der Bluetooth-Transceiver des Messgerätes den größten Teil der Zeit im Ruhezustand. Damit der Nutzer seinen aktuellen Blutzuckerwert erfahren kann, muss der Transceiver in einen aktiven Zustand übergehen und in kurzen Zeitabständen seine Sendebereitschaft signalisieren (Advertising-Modus). Das Smartphone des Patienten verbindet sich daraufhin automatisch mit dem Messgerät und es erfolgt die Übertragung der Charakteristik mit einer zuvor vereinbarten Verschlüsselung. Anschließend geht das Messgerät sofort wieder in den Ruhezustand. Die Dauer der Aktivität beträgt dabei wenige hundert Millisekunden, sodass innerhalb einer Minute die aktive Zeit weniger als 1 % beträgt.

Damit ist der Bluetooth-Low-Energy-Standard besonders geeignet für Systeme, die relativ wenig Information pro Zeiteinheit austauschen. Die meisten Messgeräte, die einzelne Datenpakete in größeren Zeitintervallen austauschen, fallen unter diese Kategorie. Weniger geeignet ist BLE für Systeme mit großem Informationsgehalt. So wären zum Beispiel bildgebende Verfahren oder Live-Übertragungen von implantierten Kameras für eine Datenübertragung mittels BLE ungeeignet.

Charakteristiken und Services aus dem Baukasten

Eine weitere Stärke von Bluetooth liegt in der Modularität der Nutzdateninhalte. So lässt sich eine Gruppe von Charakteristiken zu einem Service zusammenfassen, der vorgibt, wie die einzelnen Charakteristiken in Abhängigkeit voneinander anzuwenden sind. Beim CGM-Service tritt beispielsweise die Charakteristik „Record Access Control Point“ hinzu, mit der vergangene Messungen einzeln oder blockweise abrufbar sind. Dabei ist festgelegt, dass der Transfer jedes Einzelergebnisses wieder in Form der „CGM Measurement Charakteristik“ erfolgen muss.

Der Vorteil dieser Struktur ist, dass für jedes Gerät, das bei seinem Gegenüber den CGM-Service entdeckt, genau bekannt ist, wie sich dieser verhalten wird. Auf diese Weise können auch Geräte verschiedener Hersteller oder mit verschiedenen Software-Versionen verlässlich miteinander kommunizieren. Ebenso ist es möglich, andere Services wie bei einem Baukasten hinzuzufügen. Hierfür gibt es bereits viele standardisierte Services, wie den „Battery Service“ für den Ladestatus der Batterie, den „Immediate Alert Service“ für das Einstellen verschiedener Alarmstufen oder den „Device Information Service“ für das Abrufen diverser typischer Geräteinformationen wie Herstellername, Seriennummer und weitere. Die Zusammenstellung eigener Charakteristiken und Services erlaubt es in Kombination mit standardisierten Gegenstücken, individuelle Anwendungen aufzubauen.

Mit verbesserten Leistungsmerkmalen ist Bluetooth Low Energy mittlerweile prädestiniert für die Vernetzung von medizinischen Geräten, die eine sichere und effiziente Datenübertragung wie auch die Steuerung per Funk erfordern.

Dr. Roland Neb

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(Bild: Exco)
Technischer Projektmanager im Bereich Applikations Entwicklung bei EXCO

(jwa)

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