휴대용 의료 시스템에서의 무선 모니터링

이 기사에서는 휴대용 의료 시스템을 무선으로 모니터링하는 데 따르는 까다로운 요구 사항에 대해 살펴봅니다. 초저전력 트랜시버 및 다양한 프로토콜에서 고효율 전력 관리 및 센서 인터페이스에 이르기까지, 신뢰성 높은 의료 설계를 위해서는 공학적인 측면에서 많은 사항을 비교하고 고려해야 합니다.

휴대용 의료 장치 개발자와 사용자들은 갈수록 더 우수한 연결 성능과 더 긴 배터리 수명을 요구하며, 그에 따라 보안의 중요성이 커지고 있습니다.

보안 강화를 위해 Bluetooth Smart와 같은 프로토콜에 보안 기능을 추가하거나 홈 모니터링 보안을 강화하는 등 다양한 방법이 사용되고 있습니다.

IMS Research의 예측에 따르면, 2016년에만 470만 개가 넘는 휴대용 의료 시스템이 판매되는 상황에서 동전형 전지 배터리로 전력을 공급하는 의료 장치의 Bluetooth Smart 기능이 향후 몇 년간 중요한 역할을 담당할 것이라고 합니다. Bluetooth Smart는 연결 보안을 중시하는 경향에도 일부 영향을 받아 이러한 의료 장치 중 1/3 이상에 무선 연결을 공급할 전망입니다.

이를 통해 설계 보안과 신뢰성 간의 긴밀한 관계, 마이크로 컨트롤러, 무선 트랜시버, 설계 과정에서 여러 요소 간의 관계를 확인할 수 있습니다.

Bluetooth Smart는 스마트폰을 휴대용 의료 장치의 인터페이스로 사용할 수 있게 해 준다는 점 때문에 인기를 얻고 있습니다. 휴대폰으로 전송된 데이터는 로컬에서 처리되거나 셀룰러 네트워크 또는 로컬 Wi-Fi 네트워크를 통해 클라우드로 전송되어 저장 및 분석됩니다. 이런 점 덕분에 장치 설계자에게 집중되는 수요는 줄어들지만 전송 체인에서 데이터 보안을 강화해야 할 필요성은 더 커지기 때문에 Bluetooth Smart가 특히 주목을 받고 있습니다.

여기에 사용되는 방법의 하나는 Bluetooth SIG(Special Interest Group)에서 개발한 HDP(Health Device Profile)를 활용하는 것입니다. 이렇게 하면 무선 연결의 성능을 최적화하여 배터리 소모를 줄이고 특히 의료 장치에서 특정 응용 분야에 사용되는 형식의 수를 추가할 수 있습니다. 다시 말해, 의료 제품 설계자는 응용 분야에 적합한 프로파일을 선택하여 메모리와 전력에 대한 부담을 줄일 수 있습니다. HDP에서는 체온 측정, 혈압, 체중, 글루코스, 산소 포화도 측정, 심박수, 계보기, 속도, 거리, 케이던스 주기, 단순 리모컨, 배터리 상태와 같은 의료 및 건강 관련 분야를 지원합니다.

그림 1: 무선 의료 장치에서 Bluetooth를 통해 스마트폰과 클라우드로 흐르는 데이터.

Bluetooth Smart에서는 데이터 보안과 더불어 이동 중이거나 실외에 있는 동안의 개인 정보 보호를 강화합니다. 이렇게 하면 자주 변경되는 임의의 장치 주소를 사용하여 송신 장치를 추적하는 기능이 제한됩니다.

전자 의료 기록 및 원격 의료를 향한 움직임이 계속되는 상황에서, 실무 의료진은 전통적인 방식의 종이 기록과 마찬가지로 전자적인 환자 의료 기록과 처방의 기밀을 유지할 의무가 있습니다. 전자 문서는 복제와 전송이 더 쉬우므로 전자 파일, 그림, 오디오 및 비디오 보관에 더욱 강력한 보안이 필요합니다. 따라서 휴대용 의료 장치를 개발할 때는 디지털 보안 요구 사항을 충분히 고려해야 합니다.

TI의 MSP430FR59xx 16비트 마이크로 컨트롤러 제품군은 FRAM(강유전체 메모리)을 저전력 저장 장치로 사용하며, 무선 제품과 함께 사용할 경우 Bluetooth Smart PHDC(개인용 의료 장치 클래스) 프로토콜을 통해 혈압 모니터링, 혈중 글루코스 측정, 체중 측정, 산소 포화도 측정 등을 수행할 수 있습니다.

이 장치도 기존의 Bluetooth와 같은 AES 암호화 기술을 사용하지만, FRAM 마이크로 컨트롤러의 하드웨어 가속기에서 구현하기 때문에 전력 소비를 최소화할 수 있습니다. 256비트 AES 엔진을 128, 196 및 256비트 키 크기에 사용할 수 있으며 ECB, CBC, OFB 및 CFB와 같은 다양한 사이퍼 모드 유형에 대한 DMA 지원도 제공합니다. 이 방식은 무선 트랜시버의 중앙 코어를 사용하지 않고 직접 AES 엔진에 데이터를 전송하므로 전력 소비 감소에 도움이 됩니다.

트랜시버 연결에도 200ksps에서 75A만 소비하며 채널에서 최대 8개의 차동 입력을 지원하는 12비트 ADC(아날로그 디지털 컨버터)를 통해 최소한의 전력만 사용합니다. 또한 모든 입력에 윈도우 비교기 기능을 사용하므로 데이터를 쉽게 비교하고 심각한 변화만 포착하여 의료 장치의 전력을 더욱 절약할 수 있습니다.

컨트롤러의 FRAM 메모리는 무선 펌웨어 업데이트를 더 쉽게 수행하고 긴급한 데이터 저장의 응답 시간을 단축하며 배터리 수명을 12% ~ 15% 연장합니다. FRAM은 반복 주기에 대한 내구성이 강하며 외부 EEPROM이 필요하지 않아 코드를 내부에 저장할 수 있기 때문에 설계 보안을 강화하고, 전력 소비를 줄이고, 필요한 소재와 제조의 복잡성을 줄일 수 있습니다. 이 장치에는 IP 보호, 장치 ID, 조작 감지 및 보안 데이터 로깅 기능이 포함되어 있으므로 무선 시스템을 통해 움직이는 데이터를 더욱 안전하게 보호할 수 있습니다.

이러한 유형의 설계에는 초저전력 모드가 필수이며, 이 플랫폼에서는 6s 미만의 빠른 시간 안에 절전을 해제할 수 있는 7개의 저전력 모드를 지원합니다.

이러한 마이크로 컨트롤러는 Texas Instruments CC2541 Bluetooth 트랜시버와 같은 무선 트랜시버에 적합합니다. 여기에는 로열티가 필요 없는 BLE-Stack이라는 펌웨어가 포함되어 있어 휴대용 설계로 무선(OTA) 다운로드가 가능하므로 업그레이드하기도 쉽습니다. 컨트롤러, 호스트 및 응용 프로세서가 6mm x 6mm 패키지 하나에 통합되어 있습니다. 송신 전류가 18.5mA의 저전력으로 설계된 트랜시버는 동전형 전지 배터리 하나로 1년 이상 작동합니다.

그림 2: CC2541 개발 키트에는 보안 무선 연결을 위한 Bluetooth Smart 트랜시버가 포함되어 있습니다.

Dialog Semiconductor의 DA14580에서는 약간 다른 접근 방식을 사용했습니다. 이 제품은 Bluetooth Smart용 기저대역 프로세서이자 완전 통합형 무선 통신 트랜시버입니다. 독립형 응용 프로세서로 사용할 수 있으며 별도의 마이크로 컨트롤러가 장착된 호스트된 시스템의 데이터 펌프로 사용할 수도 있습니다.

DA14580에서는 Bluetooth 프로파일 및 애플리케이션 코드를 저장하며 OTA로 업데이트가 가능한 유연한 메모리 아키텍처를 지원합니다. Bluetooth Smart 프로토콜 스택은 전용 ROM에 저장되며 단순한 스케줄러를 통해 통합형 16MHz ARM Cortex-M0 프로세서에서 실행됩니다.

그림 3: Dialog Semiconductor의 DA14580에는 ARM Cortex-M0 코어와 Bluetooth Smart용 2.4GHz 트랜시버가 결합되어 있습니다.

Bluetooth Smart 펌웨어에는 L2CAP 서비스 계층 프로토콜, SM(보안 관리자), ATT(속성 프로토콜), GATT(일반 속성 프로파일) 및 GAP(일반 접근 프로파일)이 포함되어 있으며 이러한 기능에는 데이터 트래픽의 보안을 강화하는 128비트 AES 암호화 프로세서가 지원됩니다.

트랜시버는 장치 디자인을 간소화할 수 있도록 한쪽에 안테나가 직접 연결되어 있고, 다른 한쪽에 링크 계층 전용 가속기가 있어 93dB의 링크 버짓을 제공합니다. 설계의 모든 RF 블록은 블록별로 프로그래밍이 가능하며 전력을 최소한으로 소비하도록 최적화된 칩 상의 LDO(저드롭아웃 조정기)에서 제공됩니다.

DA14580에는 칩 상에 승인된 Bluetooth Smart 싱글 모드 스택이 포함된 Dialog SmartSnippets Bluetooth 소프트웨어 플랫폼이 제공됩니다. 여기에는 소비자 건강, 스포츠, 피트니스, 보안 및 근거리 응용 제품을 위한 Bluetooth Smart 프로파일이 포함되어 있으며 추가 소비자 프로파일을 쉽게 개발하고 스택에 추가할 수 있습니다. SmartSnippets 소프트웨어 개발 환경은 Keil의 uVision 도구를 기반으로 하며, 내장 및 호스트 모드에 사용되는 예시 코드가 포함되어 있습니다.

그러나 모든 휴대용 의료 디자인에 Bluetooth Smart가 필요한 것은 아닙니다. 가정용 건강 모니터링 시스템에서는 Silicon Labs Si106x/8x와 같은 장치를 활용하며 휴대 전화 대신 홈 네트워크에 연결되므로 허브에서 추가 컴퓨팅 리소스를 활용하여 보안을 구현할 수 있습니다. 집 안에서만 사용하는 시스템의 경우 이 방법을 이용하면 구현 비용이 더 적게 듭니다. 106x/108x 제품에서는 소형 5mm x 6mm 폼 팩터로 고성능 무선 연결과 초저전력 8051 마이크로 컨트롤러 처리 기능을 통합합니다. 142MHz ~ 1,050MHz 범위의 주요 주파수 대역에 대한 지원이 제공되며 통합 고급 패킷 처리 엔진과 최대 146dB의 링크 버짓을 달성할 수 있는 성능이 포함되어 있습니다. 따라서 설계자는 링크 버짓과 저전력 소비 범위 사이를 조절하며 배터리 수명을 연장할 수 있습니다.

그림 4: Si106x 트랜시버는 가정용 저가형 모니터에 8051 컨트롤러 코어와 GHz 미만 단위의 무선 연결을 결합합니다.

이 장치는 송신, 수신, 활성 및 절전 모드 전류를 최소화하고 신속한 절전 해제 시간을 지원함으로써 배터리 지원 응용 제품의 에너지 소비를 최소화하도록 최적화되어 있습니다. Si106x 무선 MCU는 플래시를 8kB ~ 64kB 사이에서 확장 가능한 Si108x 장치와 핀이 호환되며 ADC, 듀얼 비교 측정기, 타이머, GPIO와 같은 견고한 아날로그 및 디지털 주변 장치 세트를 제공합니다.

결론

보안은 무선 휴대용 의료 장치에서 갈수록 중요한 설계 요구 사항으로 대두되고 있습니다. Bluetooth Smart의 최신 프로파일을 사용하면 보안 연결을 추가하는 동시에 특정 의료 응용 분야에 맞게 디자인을 최적화하여 배터리 수명을 최대한으로 연장할 수 있습니다. 여기에는 초저전력 마이크로 컨트롤러와 트랜시버를 함께 사용하거나 고집적 단일 칩 시스템 디자인을 사용할 수도 있습니다. 처리 능력이 더 좋은 홈 허브에 더 간단한 트랜시버를 연결하여 전송 체인 전체의 데이터 안전을 보장할 수도 있습니다.