ιαχείριση Συσκευών Μετρήσεων Βιοϊατρικών Σηµάτων στον Η/Υ µέσω Bluetooth Ζεύξης

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ιπλωµατική εργασία του Ζαφειρόπουλου Αναστάσιου, ΑΕΜ 4130 µε τίτλο ιαχείριση Συσκευών Μετρήσεων Βιοϊατρικών Σηµάτων στον Η/Υ µέσω Bluetooth Ζεύξης Επιβλέπων Καθηγητής: Λεόντιος Χατζηλεοντιάδης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2007

2

3 Ευγνωµονώ τους γονείς µου και τον αδερφό µου για την αγάπη και τη στήριξή τους

4

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ...1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΗ Πιεσόµετρο Παλµικό Οξύµετρο Ηλεκτροκαρδιογράφος Σπιρόµετρο...10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ BLUETOOTH Γενικά Παρουσίαση του Bluetooth πρωτοκόλλου Η στοίβα πρωτοκόλλου Ασφάλεια στην επικοινωνία Bluetooth Protocol Analyzer...21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Η JAVA ΣΑΝ ΓΛΩΣΣΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΜΟΥ Γενικά Περιβάλλον ανάπτυξης Βιβλιοθήκες Bluetooth για Java...24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΑΝΑΛΥΣΗ ΤΟΥ WIMAP Main interface Πιεσόµετρο Οξύµετρο Καρδιογράφος ΗΚΓ 1 απαγωγής...37 i

6 4.4.2 ΗΚΓ 12 απαγωγών Σπιρόµετρο Λογικό διάγραµµα WiMAP...60 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΣΕΝΑΡΙΑ ΧΡΗΣΗΣ Ιατρικά κέντρα - Νοσοκοµεία Τηλεϊατρική Ιατρείο...67 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ...69 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΕΚΤΑΣΕΙΣ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α...73 Τεχνικές Προδιαγραφές PMP4 BP Pro...73 Τεχνικές Προδιαγραφές Oxy Pro...74 Τεχνικές Προδιαγραφές PMP Self Check ECG...75 Τεχνικές Προδιαγραφές Spiro Pro...77 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β...79 Μορφή αποθήκευσης spi αρχείων...79 Μορφή αποθήκευσης αρχείου settings...79 Μορφή αποθήκευσης αρχείου BTSettings...80 Μορφή αποστολής XML...80 Οξύµετρο...80 Πιεσόµετρο...80 Σπιρόµετρο...81 Ηλεκτροκαρδιογράφος...81 Μορφή αποθήκευσης ecg αρχείων Lead...81 ii

7 12Lead...83 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ...89 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ E...93 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...95 ικτυακοί τόποι...95 iii

8

9 Εισαγωγή Η εργασία αυτή εκπονήθηκε κατά τη διάρκεια του ακαδηµαϊκού έτους στο Τµήµα Επεξεργασίας Βιοϊατρικού Σήµατος του Αριστοτέλειου Πανεπιστηµίου Θεσσαλονίκης. Σκοπός της είναι η ηλεκτρονική διαχείριση τεσσάρων συγκεκριµένων βιοϊατρικών συσκευών µέσω λογισµικού (software) σε ηλεκτρονικό υπολογιστή, έτσι ώστε να προκύψει µία διεπαφή (interface) αξιόπιστη και λειτουργική για τον τελικό χρήστη (end user). Το όνοµα του λογισµικού ορίστηκε ως WiMAP (Wireless Medical APplication) και εφεξής κάθε αναφορά στην εφαρµογή αυτή θα γίνεται µε βάση το ακρωνύµιο της. Πριν γίνει λόγος για την ίδια την εφαρµογή, παρουσιάζονται στο πρώτο κεφάλαιο οι τέσσερις συσκευές µε τις οποίες συνεργάζεται το WiMAP και αναλύονται κάποιες γενικές αλλά ουσιώδεις για την εργασία αυτή ιατρικές έννοιες. Με τη σειρά του, το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει τη βασική λειτουργία του πρωτοκόλλου Bluetooth και δίνει κάποιες ειδικές πληροφορίες για τη στοίβα πρωτοκόλλου του. Αµέσως µετά, γίνεται µία σύντοµη εισαγωγή για τη γλώσσα προγραµµατισµού Java και τη βιβλιοθήκη Bluecove µέσω της οποίας προγραµµατίστηκε η εφαρµογή, περνώντας έτσι στο τέταρτο κεφάλαιο όπου και αναλύεται µε κάθε λεπτοµέρεια η αρχιτεκτονική της εφαρµογής και ο τρόπος επικοινωνίας της µε τις συσκευές. Στο επόµενο κεφάλαιο αναφέρονται κάποια πιθανά σενάρια χρήσης της εφαρµογής WiMAP φέρνοντας παραδείγµατα από την καθηµερινότητα στον τοµέα της βιοϊατρικής και, τέλος, τα δύο τελευταία κεφάλαια προσπαθούν να αναδείξουν τα προβλήµατα τα οποία αντιµετωπίστηκαν κατά την ανάπτυξη του WiMAP, το πώς αντιµετωπίστηκαν αλλά και το τι θα µπορούσε να βελτιωθεί στο µέλλον. Η εργασία αυτή δεν θα είχε ολοκληρωθεί αν δε µε στήριζαν ψυχολογικά γονείς και φίλοι τους οποίους και ευχαριστώ θερµά. Ο κος Χατζηλεοντιάδης Λεόντιος ο οποίος και µου ανέθεσε το υπέροχο αυτό θέµα ήταν πάντα εύκαιρος, προσιτός και συνεργάσιµος σε κάθε µου απορία, γεγονός το οποίο συνέβαλλε στην πετυχηµένη, µεταξύ µας συνεργασία. Για διάστηµα µεγαλύτερο των 6 µηνών, η εταιρία Vidavo παρείχε υλικοτεχνικό εξοπλισµό αλλά και χώρο για την εκτέλεση των δοκιµών, δίνοντας µου έτσι την ευκαιρία να απασχοληθώ πλήρως µε το αντικείµενο µελέτης. Η εµπιστοσύνη που µου έδειξαν τα µέλη της και η βοήθεια που πήρα από τον καθένα ξεχωριστά µου αφήνει τις καλύτερες εντυπώσεις. Ευχαριστώ τον κ. Αγγελίδη Παντελή για τις συµβουλές του και την δέουσα προσοχή που έδειξε στα προβλήµατα που παρουσιάστηκαν στην πορεία, την κα Ψυµάρνου 1

10 Μαρκέλλα για τη γενική καθοδήγηση και το χρονοπρογραµµατισµό της εργασίας και την κα Καρανάσιου Νάνσυ για τη στενή της συνεργασία για την επικοινωνία της εφαρµογής µε την ιατρική βάση δεδοµένων Mobi Record. Αναγνωρίζω επίσης την τεχνική βοήθεια σε θέµατα προγραµµατισµού και υλικού από τους Αµπαρτσουµιάν Αντρανίκ, Γιαννακόπουλο Κλήτο, Εµερτζιάδου Σοφία, και Σαµαρά Στέλιο, όλοι µέλη της εταιρίας Vidavo. Με τη σειρά τους οι υποψήφιοι διδάκτωρ στο τµήµα επεξεργασίας βιοϊατρικου σήµατος Πανούλας Κώστας, Ταπλίδου Στέλλα και Κοσµίδου Βίκυ συνεισέφεραν µε τις συµβουλές τους σε θέµατα γύρω από την τεχνολογία Bluetooth. Τέλος, να σηµειωθεί η αρωγή του ιατρικού κέντρου ΙΑΣΙΣ το οποίο παρείχε εξοπλισµό για τις δοκιµές και των διπλ. Ηλ. Μηχ/κων αγκάκη Γεώργιου και Σαπουνά Ηλία για την παροχή βιβλιογραφικού υλικού. 2

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Βιοϊατρική Οι τέσσερις βιοϊατρικές συσκευές οι οποίες συνεργάζονται µε το WiMAP είναι οι εξής: Πιεσόµετρο για τη µέτρηση της αρτηριακής πίεσης Σπιρόµετρο για την εξέταση πνευµονολογικών παθήσεων Ηλεκτροκαρδιογράφος (1 απαγωγής 12 απαγωγών) Οξύµετρο για τα επίπεδα του κορεσµού του οξυγόνου στο αίµα Οι λειτουργίες και τα τεχνικά χαρακτηριστικά αυτών αναλύονται εκτενέστερα στη συνέχεια. 1.1 Πιεσόµετρο Η πίεση την οποία ασκεί το αίµα κατά την κυκλοφορία του στα τοιχώµατα των αιµοφόρων αγγείων είναι µία από τις ζωτικές παραµέτρους ενός έµβιου οργανισµού. Αν και η κυκλοφορία του αίµατος γίνεται µέσω των αρτηριών, φλεβών, τριχοειδών αγγείων και αρτηριδίων, ο όρος µέτρηση πίεσης αναφέρεται στην αρτηριακή πίεση (arterial pressure). Εικόνα Σφυγµοµανόµετρο παλαιού τύπου Μπορεί να µετρηθεί µε ένα σφυγµοµανόµετρο (βλ. Εικόνα 1.1) το οποίο χρησιµοποιεί µία στήλη υδραργύρου για την παρουσίαση του αποτελέσµατος και οι µονάδες µέτρησης είναι τα χιλιοστά της στήλης υδραργύρου (mmhg). Οι συσκευές αυτές είναι αναλογικές, και η διαδικασία µη αυτοµατοποιηµένη. Επίσης, για τη χρήση του σφυγµοµανοµέτρου απαιτείται ειδική εκπαίδευση, γεγονός το οποίο καθιστά δύσκολη τη χρήση του από τον ασθενή. 3

12 Τα σύγχρονα πιεσόµετρα µέτρησης της αρτηριακής πίεσης είναι πλέον αναλογικοψηφιακές συσκευές, µε αυτοµατοποιηµένη τη διαδικασία µέτρησης και πολύ πιο εύκολα στη χρήση τους. Έτσι, µπορούν να χρησιµοποιηθούν και από τον ίδιο τον ασθενή, χωρίς τη βοήθεια του ιατρού. Η καταγραφή του ιστορικού της αρτηριακής πίεσης του ασθενούς, η ηχητική και ακουστική προειδοποίηση σε περίπτωση καταµέτρησης µη φυσιολογικών τιµών και η αυτόµατη σφυγµοµέτρηση είναι λίγες από τις ψηφιακές ευκολίες που προσφέρει η σύγχρονη τεχνολογία στο χώρο των πιεσόµετρων. Αξίζει να σηµειωθεί ότι αν και δε χρησιµοποιούν πλέον υδράργυρο, διατηρούν ως µονάδα µέτρησης τα mmhg, έτσι ώστε να υπάρχει κοινή παγκόσµια κλίµακα. Εικόνα 1.2 Το πιεσόµετρο PMP4 BP Pro Το πιεσόµετρο που συνεργάζεται µε την εφαρµογή WiMAP κατασκευάζεται από την εταιρία Card Guard, φέρει την ονοµασία PMP4 BP Pro και φαίνεται στην Εικόνα 1.2. Είναι ηλεκτρονικό, πλήρως αυτοµατοποιηµένο και το χαρακτηριστικό που το κάνει ικανό να συνεργάζεται µε το λογισµικό WiMAP είναι η ικανότητά του να µεταδίδει τα αποτελέσµατα των µετρήσεων µέσω Bluetooth. Η µέθοδος που χρησιµοποιείται για την αναγνώριση της αρτηριακής πίεσης του εξεταζόµενου είναι η µέθοδος ταλαντώσεων (oscillometric method) µέσω της οποίας η ροή του αίµατος µέσα από την αρτηρία του χεριού ανιχνεύεται και µετατρέπεται σε ψηφιακό σήµα. Για να µειωθεί η δυσφορία που κάποιες φορές προκαλεί η µέτρηση της αρτηριακής πίεσης στον εξεταζόµενο, η περιχειρίδα δεν συµπιέζεται σε κάποια προκαθορισµένη τιµή mmhg αλλά αναβαίνει τµηµατικά µε προκαθορισµένο βήµα (85, 100, 120, 140, 160, mmhg). Σε κάθε βήµα, µετρείται η πίεση που οφείλεται στον παλµό της ροής του αίµατος και µόλις ανιχνευθεί ότι το πλάτος του τρέχοντος παλµού είναι µικρότερο από το 52 % της µέγιστης απόκρισης, τότε παύει η συµπίεση αέρα στην περιχειρίδα. Η επόµενη µέτρηση, θα συµπιέσει την περιχειρίδα στην τιµή της συστολικής πίεσης που µετρήθηκε την τελευταία φορά συν 15 mmhg, µε το σκεπτικό ότι κοντινές χρονικά µετρήσεις έχουν και 4

13 παραπλήσια αποτελέσµατα. Αν η συστολική πίεση όµως είναι υψηλότερη τότε ακολουθείται και πάλι ο βηµατικός αλγόριθµος που περιγράφηκε παραπάνω. Με τη µέθοδο αυτή µειώνεται η δυσφορία στον εξεταζόµενο αλλά και συντοµεύει ο συνολικός χρόνος που απαιτείται για τη µέτρηση. 1.2 Παλµικό Οξύµετρο Το παλµικό οξύµετρο είναι συσκευή η οποία µετρά µε έµµεσο τρόπο τα επίπεδα κορεσµού του οξυγόνου στο αίµα µέσω των οποίων µπορούν να εξαχθούν σηµαντικά συµπεράσµατα για την κυκλοφορία του αίµατος, την ικανότητα πρόσληψης οξυγόνου και άλλες σηµαντικές ιατρικές παραµέτρους. Χωρίς τη χρήση δείγµατος αίµατος, και χρησιµοποιώντας πηγές και αισθητήρες LED σε δύο µήκη κύµατος, µπορεί να υπολογιστεί ο λόγος απορρόφησης της αιµοσφαιρίνης προς τη µη οξυγονωµένη αιµοσφαιρίνη (deoxyhemoglobin) και µέσω αυτού να βρεθεί το επίπεδο κορεσµού του οξυγόνου στο αίµα (SpO 2 ), σε ποσοστό τοις εκατό. Εικόνα 1.3 Τυπική µέτρηση µέσω του δείκτη Συνήθως η συσκευή χωρίζεται σε δύο µέρη αποτελούµενα από τον δακτύλιο αισθητήρα µε τα αισθητήρια LED, ο οποίος προσαρµόζεται σαν µάνδαλο (clip) στον δείκτη του εξεταζόµενου (βλ. Εικόνα 1.3) και το κύριο µέρος της συσκευής όπου λαµβάνει χώρα η επεξεργασία του σήµατος, παρουσιάζονται οι µετρήσεις, συνδέεται η πηγή τροφοδοσίας κλπ. Στα περισσότερα παλµικά οξύµετρα, µετριέται ταυτόχρονα και ο καρδιακός ρυθµός του εξεταζόµενου. Για την εφαρµογή WiMAP, το παλµικό οξύµετρο που επιλέχθηκε είναι της εταιρίας Card Guard µε ονοµασία Oxy Pro και απεικονίζεται στην Εικόνα 1.4. Σύµφωνα µε αυτό, αφού ο χρήστης εφαρµόσει το δακτύλιο αισθητήρα στο δείκτη του, τα αποτελέσµατα παρουσιάζονται σε πραγµατικό χρόνο (real-time) στην οθόνη της συσκευής και ταυτόχρονα µεταδίδονται ασύρµατα µέσω Bluetooth. Έτσι είναι εφικτή η συνεχής καταγραφή του καρδιακού ρυθµού και του επιπέδου του κορεσµένου οξυγόνου στο αίµα σε συνάρτηση µε 5

14 το χρόνο κατά τη διάρκεια µίας δραστηριότητας, π.χ., τεστ κοπώσεως. Ακόµη, η µετάδοση της µέτρησης σε πραγµατικό χρόνο επιτρέπει την στατιστική ανάλυση των δεδοµένων για ένα συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα, για παράδειγµα µέγιστη τιµή του καρδιακού ρυθµού, µέσος όρος του SpO 2, ελάχιστη τιµή του SpO 2 κ.α. Εικόνα 1.4 Το παλµικό οξύµετρο Oxy Pro 1.3 Ηλεκτροκαρδιογράφος Ο ηλεκτροκαρδιογράφος είναι εκείνη η συσκευή η οποία καταγράφει την ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς σε σχέση µε το χρόνο και παράγει το ηλεκτροκαρδιογράφηµα (ΗΚΓ) µέσω του οποίου ο γιατρός µπορεί να εξάγει χρήσιµα διαγνωστικά συµπεράσµατα για την υγεία του εξεταζόµενου. Το ηλεκτρικό µέγεθος το οποίο καταγράφεται και συνδέεται µε την ηλεκτρική δραστηριότητα της καρδιάς, σε όλο το σώµα, είναι η διαφορά δυναµικού µεταξύ καθορισµένων σηµείων. Τα σηµεία αυτά είναι: εξί χέρι (Right Arm - RA) Αριστερό χέρι (Left Arm - LA) εξί πόδι (Right Leg - RL) Αριστερό πόδι (Left Leg - LL) 6 προκάρδια σηµεία V1 ως V6 που εντοπίζονται στο στήθος (βλ. Εικόνα 1.5) 6

15 Εικόνα 1.5 Προκάρδια σηµεία V1-V6 Έτσι, µε βάση τα παραπάνω 10 συγκεκριµένα σηµεία και τα αντίστοιχα ηλεκτρικά δυναµικά τους προκύπτουν οι εξής διαφορές δυναµικού οι οποίες συνιστούν ένα καρδιογράφηµα 12 απαγωγών (12-Lead ECG): Lead I Αρνητικό ηλεκτρόδιο στο RA, θετικό στο LA. Lead II Αρνητικό ηλεκτρόδιο στο RA και θετικό στο LL. Lead III Αρνητικό ηλεκτρόδιο στο LA και θετικό στο LL. Lead avr Θετικό ηλεκτρόδιο στο RA. Το αρνητικό είναι συνδυασµός των LA και LL το οποίο αυξάνει το σήµα της καρδιάς από το RA. Lead avl Θετικό ηλεκτρόδιο στο LA. Το αρνητικό είναι συνδυασµός των RA και LL το οποίο αυξάνει το σήµα της καρδιάς από το LA. Lead avf Θετικό ηλεκτρόδιο στο LL. Το αρνητικό είναι συνδυασµός των RA και LA το οποίο αυξάνει το σήµα της καρδιάς από το LL. Lead V1, V2, V3, V4, V5 και V6 τα οποία είναι µονοπολικά και απεικονίζονται στην Εικόνα 1.5 Εικόνα 1.6 Απόσπασµα από ένα καρδιογράφηµα απαγωγής ΙΙ. Οι δώδεκα αυτές διαφορές δυναµικού απεικονίζονται σε µιλιµετρέ ΗΚΓ χαρτί όπου σαν κάθετος άξονας ορίζεται η τάση (V) και οριζόντιος άξονας ο χρόνος (t), όπως φαίνεται και στην Εικόνα 1.6. Με τη βοήθεια της τεχνολογίας, οι σύγχρονοι ψηφιακοί ηλεκτροκαρδιογράφοι έχουν τη δυνατότητα να φιλτράρουν το θόρυβο από τις µετρήσεις, να αλλάζουν το κέρδος του ενισχυτή, να αποθηκεύουν τις τιµές από κάθε απαγωγή σε αρχείο, να εισάγουν σχόλια στο τέλος ενός ΗΚΓ, να απεικονίζουν αυτόµατα τον καρδιακό ρυθµό 7

16 του εξεταζόµενου, να βρίσκουν αυτόµατα παραµέτρους του ΗΚΓ όπως PR interval, QT interval, ST segment κ.α. Ο ηλεκτροκαρδιογράφος ο οποίος χρησιµοποιείται σε συνδυασµό µε το πρόγραµµα WiMAP είναι της εταιρίας Card Guard και ονοµάζεται PMP SelfCheck ECG και φαίνεται στην Εικόνα 1.7. Μπορεί να καταγράψει είτε ΗΚΓ µίας απαγωγής (1 Lead ECG Test) είτε ένα πλήρες ΗΚΓ δώδεκα απαγωγών (12 Lead ECG Test). Εικόνα 1.7 Ο ηλεκτροκαρδιογραφός PMP Self Check ECG Στην περίπτωση του ΗΚΓ µίας απαγωγής, ο χρήστης πρέπει να τοποθετήσει τους ενσωµατωµένους ακροδέκτες του καρδιογράφου στο στήθος του, στις περιοχές V1-V2 και µε το χέρι του ταυτόχρονα να πιέζει τον πλαϊνό ακροδέκτη (βλ. Εικόνα 1.8). Αν πάλι χρειαστεί καταγραφή ΗΚΓ 12 απαγωγών, τότε πρέπει να χρησιµοποιηθούν οι εξωτερικοί 4 ακροδέκτες (βλ. Εικόνα 1.9) για τα τέσσερα άκρα του σώµατος σε συνδυασµό µε τους 2 ακροδέκτες που είναι ενσωµατωµένοι στον ηλεκτροκαρδιογράφο. 8

17 Εικόνα 1.8 Ο PMP Self Check ECG σε χρήση 1 Lead Test Στην περίπτωση αυτή, ο χρήστης πρέπει σε συγκεκριµένες χρονικές στιγµές να µετακινήσει τον καρδιογράφο από τις θέσεις V1-V2, στις θέσεις V3-V4 και τέλος από τις θέσεις V3-V4 στις θέσεις V5-V6. Κατά το διάστηµα αυτό, οι υπόλοιποι 4 ακροδέκτες παραµένουν σταθεροί. Έτσι, τµηµατικά, σε 3 φάσεις, καταγράφεται ένα πλήρες ΗΚΓ 12 απαγωγών το οποίο αποστέλλεται σε πραγµατικό χρόνο, µέσω Bluetooth στην εφαρµογή WiMAP. Με τον τρόπο αυτό στις προκάρδιες θέσεις V1-V6 δεν απαιτούνται 6 ηλεκτρόδια αλλά µόνο 2 που µετατοπίζονται. Εικόνα 1.9 Οι ακροδέκτες σύνδεσης για ΗΚΓ 12 απαγωγών (LA,RA.LL,RL) Η παραπάνω µέθοδος καταγραφής ΗΚΓ 1 και 12 απαγωγών, είναι αρκετά απλή, σύντοµη και δεν απαιτεί ιδιαίτερη εκπαίδευση για να εκτελεστεί. Μάλιστα, ο χειρισµός της συσκευής για ΗΚΓ 1 απαγωγής δεν απαιτεί την παρουσία ιατρού στο χώρο, πράµα το οποίο διευκολύνει άτοµα µε αναπηρία, µε κινητικά προβλήµατα ή άτοµα µε σοβαρή καρδιοπάθεια να εξετάζονται στο χώρο τους και έπειτα, ετεροχρονισµένα (offline) ή ίσως και αποµακρυσµένα (remotely), ο ιατρός µπορεί να εξάγει την αντίστοιχη διάγνωση. Να 9

18 σηµειωθεί ότι η χρήση ενός ΗΚΓ 1 απαγωγής ενδείκνυται σε περιπτώσεις ασθενών µε αρρυθµία, ταχυκαρδία, έκτατες συστολές, ζαλάδες και λιποθυµίες. 1.4 Σπιρόµετρο Το σπιρόµετρο είναι η ιατρική συσκευή η οποία µετρά το συνολικό όγκο που µπορεί να εκπνεύσει και να εισπνεύσει από τους πνεύµονές του ο εξεταζόµενος. Βασίζεται σε ένα διαφορικό µετατροπέα πίεσης, υψηλής ακριβείας, για τη µέτρηση της εξερχόµενης ροής της αναπνοής (εισπνοής). Για ένα συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα, ο συνολικός όγκος του αέρα που εξέπνευσε (εισέπνευσε) ο εξεταζόµενος υπολογίζεται απλά ολοκληρώνοντας τη συνάρτηση ροής συναρτήσει του χρόνου και συµβολίζεται µε τον δείκτη FVC (Forced Vital Capacity). Βάσει των διαγραµµάτων ροής-όγκου και όγκου-χρόνου ο γιατρός µπορεί να διαγνώσει τυχόν προβλήµατα στην αναπνευστική λειτουργία του εξεταζόµενου. Σχήµα 1.1 Κύκλος εισπνοής και εκπνοής σε άξονες Flow/Volume (L/sec L) Πέραν των διαγραµµάτων ροής-όγκου και όγκου-χρόνου, ο ιατρός µπορεί να εξάγει συµπεράσµατα και από άλλους δείκτες οι οποίοι προκύπτουν έµµεσα από αυτά (βλ. Σχήµα 1.1). Αυτοί είναι: FEV1 (Forced Expiratory Volume in 1 Second) που αντιστοιχεί στον συνολικό όγκο εκπνοής κατά το πρώτο δευτερόλεπτο. FEV3 (Forced Expiratory Volume in 3 Seconds) που αντιστοιχεί στον συνολικό όγκο εκπνοής κατά το τρία πρώτα δευτερόλεπτα. FEV1/FVC (FEV1%) που αντιστοιχεί στον λόγο των τιµών FEV1 και FEVC. 10

19 FEV1/FVC (FEV3%) που αντιστοιχεί στον λόγο των τιµών FEV3 και FEVC. PEF (Peak Expiratory Flow) είναι η µέγιστη ροή του αέρα κατά την εκπνοή. FEF 25-75% or 25-50% (Forced Expiratory Flow 25-75% or 25-50%) είναι η µέση ροή του αέρα κατά το µέσο της εκπνοής. MMEF (Maximal Mid-Expiratory Flow), βλ. FEF 25-75%. FET (Forced Expiratory Time) που αντιπροσωπεύει τη διάρκεια της εκπνοής σε δευτερόλεπτα. SVC (Slow Vital Capacity) αντιστοιχεί στον όγκο του αέρα που εκπνέεται, αργά. Οι φυσιολογικές τιµές των παραπάνω δεικτών καθορίζονται κατά προσέγγιση από µαθηµατικούς τύπους οι οποίοι λαµβάνουν υπόψη τους το φύλο, την ηλικία και το ύψος. Εικόνα 1.10 Το σπιρόµετρο Spiro Pro Για την εφαρµογή WiMAP χρησιµοποιείται το σπιρόµετρο PMP Spiro Pro της εταιρίας Card Guard (βλ. Εικόνα 1.10), το οποίο µπορεί να µετρά τη ροή του αέρα κατά την εκπνοή του εξεταζόµενου αλλά όχι και κατά την εισπνοή. Πριν την εξέταση µπορεί να επιλεχθεί αν τα δεδοµένα θα µεταδοθούν µέσω Bluetooth ή αν θα επεξεργαστούν τοπικά στη συσκευή Spiro Pro. Στην τελευταία περίπτωση, ο υπολογισµός των παραµέτρων και η απεικόνιση των γραφηµάτων γίνεται στην οθόνη µετά το πέρας της εξέτασης. Αν επιλεχθεί µετάδοση µέσω Bluetooth τότε το σπιρόµετρο απλά µεταδίδει σε πραγµατικό χρόνο τις τιµές της ροής του αέρα και µετέπειτα ο υπολογισµός των δεικτών της εξέτασης και η σχεδίαση των γραφηµάτων αφήνεται στην εξωτερική εφαρµογή, στην προκειµένη περίπτωση στο WiMAP. 11

20 12

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Το Πρωτόκολλο Bluetooth 2.1 Γενικά Η Bluetooth ασύρµατη τεχνολογία είναι ένα σύστηµα ασύρµατης επικοινωνίας, µικρής εµβέλειας, το οποίο φιλοδοξεί να αντικαταστήσει τη καλωδίωση για τη διασύνδεση φορητών συσκευών µεταξύ τους ή και άλλων ηλεκτρονικών µη-φορητών συσκευών. Τα χαρακτηριστικά στοιχεία που καθιστούν το Bluetooth ανερχόµενη τεχνολογία στον τοµέα της ασύρµατης δικτύωσης είναι η ευρωστία στην επικοινωνία, η χαµηλή κατανάλωση και το χαµηλό κόστος. Κάθε συσκευή η οποία υποστηρίζει το πρωτόκολλο φέρει και το πλέον διαδεδοµένο λογότυπο του που φαίνεται στην Εικόνα 2.1. Εικόνα 2.1 Το πλέον αναγνωρίσιµο λογότυπο του Bluetooth Η ιδέα της ανάπτυξης της τεχνολογίας Bluetooth ξεκίνησε στα µέσα της δεκαετίας του 90 από µία οµάδα µηχανικών της Σουηδικής εταιρίας Ericsson, όταν οραµατίστηκαν ένα παγκόσµιο πρότυπο ασύρµατης δικτύωσης, µικρής εµβέλειας και χαµηλού κόστους. Οι πρώτες µελέτες αφορούσαν κυρίως την κινητή τηλεφωνία, όπου σαν στόχος είχε τεθεί η ασύρµατη διασύνδεση του κινητού τηλεφώνου µε τα περιφερειακά του. Σύντοµα ιδρύθηκε το Bluetooth SIG (Special Interest Group), µε σκοπό την ανάπτυξη του συγκεκριµένου, ανοιχτού πρωτοκόλλου στο οποίο µετείχαν οι ιδρυτικές εταιρίες Intel, IBM, Nokia, Toshiba. Εν συνεχεία, κι άλλες εταιρίες προστέθηκαν στο SIG µε αποτέλεσµα σήµερα να απαριθµούµε πάνω από 1800 στο σύνολό τους. Η τρέχουσα έκδοση του πρωτοκόλλου είναι η 2.1 και αριθµεί πάνω από 1500 σελίδες. 2.2 Παρουσίαση του Bluetooth πρωτοκόλλου Το σύστηµα επικοινωνίας Bluetooth αποτελείται από τον RF (Radio Frequency) ποµποδέκτη, το σύστηµα διαχείρισης της βασικής ζώνης (Bluetooth Baseband) και τη στοίβα πρωτοκόλλου. Το σύστηµα προσφέρει υπηρεσίες που επιτρέπουν τη διασύνδεση των συσκευών και την ανταλλαγή διαφορετικού τύπου δεδοµένων. 13

22 Εικόνα 2.2 Ολοκληρωµένο Bluetooth module Ο Bluetooth ποµποδέκτης λειτουργεί στην ελεύθερη ζώνη ISM (Industrial Scientific Medical band) των 2.4 GHz όπου δεν απαιτείται κάποια ιδιαίτερη άδεια χρήσης, χρησιµοποιεί την FHSS (Frequency Hoping Spread Spectrum) τεχνική για να αντιµετωπίσει τα γνωστά φαινόµενα των παρεµβολών και της εξασθένισης και παρέχει πολλά κανάλια για επικοινωνία. Πολλές εταιρίες παρέχουν έτοιµες λύσεις ολοκληρωµένων κυκλωµάτων (βλ. Εικόνα 2.2), µε χαµηλό κόστος, µικρές διαστάσεις και υψηλή αξιοπιστία. Ο βασικός ρυθµός µετάδοσης του πρωτοκόλλου είναι 1 Mbit/s ενώ κάτω από ιδιαίτερες συνθήκες µπορεί να αυξηθεί και σε 2 Mbit/s ή ακόµη και 3 Mbit/s. Οι αντίστοιχες ονοµασίες των παραπάνω ρυθµών µετάδοσης είναι Basic Rate και Enhanced Data Rate αντίστοιχα. Ανάλογα µε την µέγιστη επιτρεπόµενη ισχύ εκποµπής της συσκευής Bluetooth ορίζεται και η αντίστοιχη κλάση (Class) της (βλ. Πίνακας 2.1). Όσο µεγαλύτερη είναι η ισχύς της µετάδοσης τόσο µεγαλύτερη η εµβέλεια της αλλά και η κατανάλωση. Εποµένως, συσκευές οι οποίες προορίζονται για εφαρµογές µε κριτήριο την µεγάλη αυτονοµία πρέπει να είναι και µικρής κλάσης, θυσιάζοντας έτσι την µεγάλη εµβέλεια. Πίνακας Οι διαφορετικές κλάσεις ισχύος για το σύστηµα Bluetooth. Class Μέγ. Επιτρεπόµενη Ισχύς Εµβέλεια Class mw (20 dbm) ~100 m Class mw (4 dbm) ~10 m Class 3 1 mw (0 dbm) ~1 m Κατά τη διάρκεια κανονικής λειτουργίας, ένα σύνολο συσκευών διαµοιράζεται ένα φυσικό κανάλι επικοινωνίας και όλες οι συσκευές είναι συγχρονισµένες σε ένα κοινό ρολόι (clock) ακολουθώντας το ίδιο πρότυπο µεταπήδησης συχνότητας (frequency hopping pattern). Η συσκευή της οποίας το ρολόι ορίζεται ως αναφορά για τις υπόλοιπες ονοµάζεται πρωτεύουσα (master) ενώ οι υπόλοιπες που ακολουθούν τη master ονοµάζονται δευτερεύουσες (slaves). Ένα σύνολο συσκευών που είναι συγχρονισµένο µε τον παραπάνω τρόπο συνιστά ένα piconet (βλ. Εικόνα 2.3), το οποίο και είναι ο θεµελιώδης τρόπος επικοινωνίας στο σύστηµα επικοινωνίας Bluetooth. 14

23 Εικόνα 2.3 Τοπολογία piconet στο Bluetooth µε master τον σταθερό H/Υ στο κέντρο Συσκευές στο ίδιο piconet χρησιµοποιούν καθορισµένο πρότυπο µεταπήδησης συχνότητας το οποίο προκύπτει αλγοριθµικά από συγκεκριµένα πεδία της Bluetooth διεύθυνσης του master και του ρολογιού του. Το βασικό πρότυπο µεταπήδησης συχνότητας είναι ψευδο-τυχαίο για τα 79 κανάλια επικοινωνίας της ISM ζώνης και µπορεί να αποκλείει κάποια από αυτά στην περίπτωση όπου είναι κατειληµµένα από παρεµβαλλόµενες, γειτονικές συσκευές. Εποµένως, ένα σύστηµα επικοινωνίας Bluetooth µπορεί να συνυπάρχει και µε άλλα δίκτυα, στην ίδια ζώνη τα οποία δεν ακολουθούν FHSS τεχνική και καταλαµβάνουν σταθερά κανάλια. Ένα στιγµιότυπο από τη δραστηριότητα διαφορετικών piconet στην κοινή ISM ζώνη παρουσιάζεται µε τη βοήθεια ενός αναλυτή πρωτοκόλλου στην Εικόνα 2.4 Εικόνα 2.4 Καταγραφή της δραστηριότητας στην ISM ζώνη, µέσω ενός BT Protocol Analyzer 2.3 Η στοίβα πρωτοκόλλου Κάθε φυσικό κανάλι υποδιαιρείται σε time units που ονοµάζονται και slots (θυρίδες). Τα δεδοµένα µεταξύ των συσκευών σε ένα Bluetooth σύστηµα επικοινωνίας µεταδίδονται σε πακέτα (packets) τα οποία τοποθετούνται στα slots και όταν οι συνθήκες το επιτρέπουν, συνεχόµενα slots µπορούν να περιέχουν ένα ολόκληρο πακέτο. Η τεχνική 15

24 µεταπήδησης συχνότητας εµπλέκεται κατά τη διαδικασία αποστολής ή λήψης των πακέτων. Η τεχνολογία Bluetooth επιτρέπει την αµφίδροµη µετάδοση µέσω της χρήσης TDD (Time Division Duplex) τεχνικής. Πιο πάνω από το φυσικό κανάλι (physical channel) υπάρχει διαστρωµάτωση από άλλα επίπεδα (layers) που µεριµνούν για την οµαλή διασύνδεση δύο διαφορετικών συσκευών σε ένα σύστηµα Bluetooth (βλ. Σχήµα 2.1). Στη βασική δοµή του piconet, µία φυσική διασύνδεση (physical link) µπορεί να πραγµατοποιηθεί µόνο µεταξύ master και slave και ποτέ µεταξύ δύο slave συσκευών. Όµως, µέσω µίας φυσικής διασύνδεσης υπάρχει η δυνατότητα πολλαπλών λογικών διασυνδέσεων (logical links), για παράδειγµα µεταξύ δύο συσκευών µεταφέρεται ένα αρχείο ενώ ταυτόχρονα ανταλλάσσονται οι (ηλεκτρονικές) επαγγελµατικές κάρτες των κατόχων τους. Τη δυνατότητα αυτή την παρέχει το επίπεδο L2CAP. Σχήµα 2.1 Η ιεραρχία στρωµάτων της στοίβας πρωτοκόλλου Το πρωτόκολλο το οποίο διαχειρίζεται την οµαλή ροή πληροφορίας από τα µεσαία στρώµατα προς τα χαµηλότερα και το αντίστροφο, είναι το LMP (Link Manager Protocol) οπού επίσης είναι υπεύθυνο για την σηµατοδοσία (signaling) κατά τη διασύνδεση των συσκευών του piconet (βλ. Σχήµα 2.2). Σχήµα 2.2 οµή της στοίβας πρωτοκόλλου Με τη σειρά του, το L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Control) παρέχει στα ανώτερα επίπεδα τις λεπτοµέρειες των χαµηλότερων επιπέδων όπως π.χ., το πρότυπο µεταπήδησης συχνότητας. Επίσης είναι υπεύθυνο για τον τεµαχισµό των µεγάλων πακέτων προς αποστολή, που προέρχονται από ανώτερα επίπεδα (εφαρµογές Bluetooth) αλλά και 16

25 την ανακατασκευή πακέτων κατά τη λήψη µε σκοπό την προώθησή τους προς την εφαρµογή-αποδέκτη. Για τη διαχείριση πολλαπλών λογικών συνδέσεων µέσω µίας φυσικής σύνδεσης χρησιµοποιείται η τεχνική της πολυπλεξίας. Για τον λόγο αυτό, κάθε λογικό L2CAP κανάλι φέρει έναν µοναδικό αριθµό, το CID (Channel Identifier ID) και κάθε επίπεδο πάνω από το L2CAP όπου µπορεί να χρησιµοποιήσει ένα τέτοιο κανάλι αναγνωρίζεται από το PSM (Protocol Service Multiplexor). Έτσι, η δροµολόγηση των δεδοµένων από τα ανώτερα στρώµατα προς τα κατώτερα αλλά και το αντίστροφο µπορεί να γίνεται µονοσήµαντα, µέσω των µοναδικών αριθµών CID και PSM. Στο Σχήµα 2.3 παρουσιάζεται σχηµατικά η ροή της πληροφορίας µεταξύ δύο συσκευών Bluetooth και φαίνεται µε ποιο τρόπο τα πρωτόκολλα L2CAP και LMP παρέχουν υπηρεσίες στα ανώτερα στρώµατα, δηµιουργώντας έτσι λογικές διασυνδέσεις µεταξύ δύο εφαρµογών λογισµικού (applications). Σχήµα 2.3 Απεικόνιση της ροής πληροφορίας µεταξύ δύο συσκευών και των αντίστοιχων στρωµάτων Στην κορυφή της στοίβας πρωτοκόλλου διακρίνουµε το επίπεδο RFCOMM το οποίο προσοµοιώνει τη σειριακή επικοινωνία µεταξύ δύο τερµατικών στο σύστηµα Bluetooth (βλ. Σχήµα 2.4). ύο συσκευές οι οποίες επικοινωνούν µέσω του επιπέδου RFCOMM διαχειρίζονται τη µεταξύ τους φυσική διασύνδεση (physical connection) σαν να ήταν δικτυωµένες µε σειριακό καλώδιο (RS-232), παρά το γεγονός ότι η πραγµατική µετάδοση γίνεται ασύρµατα. Η παραπάνω δυνατότητα καθιστά δυνατό παλαιότερες εφαρµογές οι οποίες χρησιµοποιούσαν σειριακές συνδέσεις να είναι συµβατές µε το πρωτόκολλο Bluetooth. Επίσης, οι προγραµµατιστές, µπορούν να αγνοήσουν την πολυπλοκότητα της Bluetooth αρχιτεκτονικής και να δηµιουργήσουν λογισµικό βασισµένο στην απλότητα της σειριακής µετάδοσης. 17

26 Σχήµα 2.4 To επίπεδο RFCOMM Πάνω από τη στοίβα πρωτοκόλλου εντοπίζεται το επίπεδο της εφαρµογής (application) το οποίο εκµεταλλεύεται όλα τα χαµηλότερα στρώµατα µε σκοπό την επικοινωνία µε κάποια άλλη συσκευή. Το επίπεδο αυτό, είναι εντελώς ανεξάρτητο από τα υπόλοιπα και για να αναπτυχθεί µία εφαρµογή Bluetooth δε χρειάζεται άµεση πρόσβαση στα χαµηλότερα επίπεδα. Συνήθως, παρέχεται στον προγραµµατιστή ένα σύνολο βιβλιοθηκών (libraries) οι οποίες αποτελούν τον συνδετικό κρίκο µεταξύ εφαρµογής και στοίβας πρωτοκόλλου. Ο τρόπος υλοποίησης ενός πλήρους συστήµατος Bluetooth (δηλαδή το σύνολο του υλικού, της στοίβας πρωτοκόλλου και της εφαρµογής) µπορεί να αντιµετωπισθεί µε τρεις πιθανές λύσεις (βλ. και Σχήµα 2.5): Hosted Embedded Fully Embedded Στην πρώτη περίπτωση (hosted), τα κατώτερα στρώµατα της στοίβας πρωτοκόλλου είναι ενσωµατωµένα από το πρωτεύον υλικό του Bluetooth (Bluetooth module) ενώ τα ανώτερα στρώµατα µαζί µε την εφαρµογή φιλοξενούνται από το δευτερεύων υλικό (host), για παράδειγµα PC, µικροελεγκτής κλπ. Στη δεύτερη περίπτωση (embedded), όλη η στοίβα πρωτοκόλλου είναι ενσωµατωµένη από το υλικό του Bluetooth ενώ στο host βρίσκεται µόνο η εφαρµογή. Τέλος, στην περίπτωση της fully embedded αρχιτεκτονικής, η στοίβα πρωτοκόλλου και η εφαρµογή είναι ενσωµατωµένα στο υλικό του Bluetooth όπως συµβαίνει για παράδειγµα σε ένα handsfree. 18

27 Σχήµα 2.5 Οι 3 πιθανές αρχιτεκτονικές για την υλοποίηση ενός συστήµατος Bluetooth Όπως είναι αναµενόµενο, η επιλογή της αρχιτεκτονικής επηρεάζει άµεσα τον τρόπο µε τον οποίο θα προγραµµατιστεί µία συσκευή ή ένας υπολογιστής. Το πλέον ελαστικό σχήµα για τη χρήση της τεχνολογίας Bluetooth σε έναν προσωπικό υπολογιστή ή ακόµα και σε έναν υπολογιστή τσέπης (Pocket PC) είναι το hosted. Έτσι, ένας κατασκευαστής µίας Bluetooth συσκευής, οφείλει να ενσωµατώσει στο υλικό τα κατώτερα στρώµατα της στοίβας πρωτοκόλλου και τα ανώτερα θα τα παρέχει είτε το λειτουργικό σύστηµα είτε κάποιες εξωτερικές βιβλιοθήκες (third party libraries). Αυτό έχει ως αποτέλεσµα το κόστος για τον κατασκευαστή του υλικού να µειώνεται, καθώς µία λύση αρχιτεκτονικής hosted είναι φθηνότερη από αυτή της embedded λόγω του επιπλέον αποθηκευτικού χώρου που απαιτείται, της ανάγκης για προγραµµατισµό των ανώτερων στρωµάτων της στοίβας πρωτοκόλλου κα. Εικόνα 2.5 Μία περιφερειακή συσκευή Bluetooth συνδεόµενη µέσω διαύλου USB Χαρακτηριστική εφαρµογή όλων των παραπάνω αποτελεί το σενάριο όπου ο χρήστης ενός προσωπικού υπολογιστή αγοράζει µία περιφερειακή συσκευή Bluetooth που 19

28 διασυνδέεται µέσω του διαύλου USB, όπως π.χ., η συσκευή στην Εικόνα 2.5. Στην περίπτωση αυτή, τα κατώτερα στρώµατα της στοίβας πρωτοκόλλου του Bluetooth υλοποιούνται στην περιφερειακή συσκευή, τα ανώτερα από το λειτουργικό σύστηµα (π.χ., τα Windows XP) και η εφαρµογή παρέχεται από το χρήστη σε µορφή εκτελέσιµου προγράµµατος (π.χ., ένα πρόγραµµα ανταλλαγής αρχείων µέσω Bluetooth). 2.4 Ασφάλεια στην επικοινωνία Ένας µηχανισµός ασφαλείας που αποτρέπει τη µη εξουσιοδοτηµένη πρόσβαση σε κάποια συσκευή η οποία υποστηρίζει την τεχνολογία Bluetooth είναι η διαδικασία pairing. Σύµφωνα µε αυτή, δηµιουργείται µία σχέση εµπιστοσύνης µεταξύ δύο συσκευών και παράγεται, αλγοριθµικά, ένα κοινό κλειδί διασύνδεσης (Link Key LK). Το LK χρησιµοποιείται για την ασφαλή µετάδοση δεδοµένων και αποθηκεύεται τοπικά στη συσκευή. Ο αλγόριθµος µε τον οποίο προκύπτει το LK λαµβάνει υπόψη του: τη διεύθυνση Bluetooth της συσκευής (BD_ADRR) έναν τυχαίο αριθµό (IN_RAND) έναν αριθµό PIN (Personal Identification Number) Ο αριθµός PIN δίνεται από τους χρήστες των συσκευών, µέσω κάποιας διεπαφής (π.χ.,. πληκτρολόγιο, οθόνη αφής κλπ). Σε περίπτωση όπου η συσκευή δεν παρέχει τέτοια µέσα (π.χ., handsfree, εκτυπωτής), τότε ο αριθµός PIN είναι αποθηκευµένος στη µνήµη (fixed PIN) και ο χρήστης οφείλει να το γνωρίζει από το εγχειρίδιο χρήσης. Για να ολοκληρωθεί η διαδικασία pairing µε επιτυχία και τελικά να επισυνάψουν οι δύο συσκευές σχέση εµπιστοσύνης, θα πρέπει οι δύο αριθµοί PIN να είναι ίδιοι. Ένα άλλο στοιχείο ασφαλείας είναι και η προαιρετική κρυπτογράφηση των δεδοµένων, πριν τη µεταφορά τους. Το γεγονός αυτό εµποδίζει τους µη εξουσιοδοτηµένους χρήστες από το να έχουν πρόσβαση στη µεταφερόµενη πληροφορία καθώς το κλειδί της κρυπτογράφησης προέρχεται από το LK, το οποίο είναι γνωστό µόνο στις συσκευές όπου ανταλλάσουν δεδοµένα. Έτσι, η διαδικασία pairing σε συνδυασµό µε την κρυπτογράφηση καθιστά το πρωτόκολλο ασφαλές καθώς πριν την έναρξη µίας σύνδεσης απαιτείται διµερής συµφωνία στον αριθµό PIN και στην περίπτωση όπου η µετάδοση γίνεται µε κρυπτογράφηση η µεταδιδόµενη πληροφορία είναι κωδικοποιηµένη (και εποµένως ακατανόητη) για τον κάθε επίδοξο υποκλοπέα. 20