Surveillance sans fil dans les systèmes médicaux portables

Cet article aborde les exigences complexes de la surveillance sans fil dans les systèmes médicaux portables. Qu'il s'agisse d'émetteurs-récepteurs ultrabasse consommation, de différents protocoles, de la gestion de l'alimentation haute efficacité ou d'interfaces de capteurs, de nombreux compromis techniques sont à prendre en compte pour une conception médicale haute fiabilité.

Comme les développeurs et les utilisateurs de dispositifs médicaux portables exigent toujours plus de connectivité et d'autonomie batterie, la sécurité devient un problème majeur.

Ce problème est abordé de plusieurs manières, allant de l'ajout de fonctionnalités de sécurité aux protocoles, tels que Bluetooth Smart, à une plus grande sécurisation de la surveillance à domicile.

IMS Research prévoit que l'utilisation de la technologie Bluetooth Smart dans les dispositifs médicaux alimentés par piles boutons prendra une ampleur considérable dans les années à venir, avec l'expédition de plus de 4,7 millions de systèmes pour la seule année 2016. En raison de la sécurité des connexions, plus d'un tiers de ces systèmes seront équipés de la connectivité sans fil Bluetooth Smart.

Cela montre la relation étroite entre la sécurité et la fiabilité de la conception, le microcontrôleur, l'émetteur-récepteur sans fil et les compromis de conception entre les différents éléments.

Bluetooth Smart a gagné en notoriété grâce la possibilité d'utiliser un smartphone en tant qu'interface vers un dispositif médical portable. Les données envoyées au téléphone peuvent être traitées localement, ou envoyées par le réseau cellulaire ou un réseau local Wi-Fi vers le cloud pour être stockées et analysées. Tout cela permet de réduire significativement les demandes auprès du concepteur d'équipement, mais impose des exigences plus strictes quant à la sécurisation des données tout au long de la chaîne de transmission, c'est-à-dire la caractéristique qui fait la popularité de Bluetooth Smart.

Le HDP (Health Device Profile), développé par le groupe Bluetooth Special Interest Group (SIG), est l'une des manières de parvenir à cette fin. Il optimise les performances des liaisons sans fil afin de réduire la décharge de la batterie et ajoute de nombreux formats à des applications spécifiques, en particulier dans les équipements médicaux. En d'autres termes, un concepteur de produits médicaux peut choisir un profil adapté à une application particulière et réduire ainsi les surcharges de mémoire et d'alimentation. Les HDP prennent en charge les applications médicales et de remise en forme, par exemple température corporelle, tension artérielle, poids, glycémie, oxymétrie, rythme cardiaque, podomètre, vitesse, distance, cadence de cycle, simple contrôle à distance simple et niveau de batterie.

Figure 1 : Flux de données entre un dispositif médical sans fil et un smartphone via Bluetooth, et vers le cloud.

Outre la sécurité des données, Bluetooth Smart a également ajouté une protection de la vie privée, en particulier lorsque l'utilisateur est en déplacement. Cela permet de limiter la capacité de suivre un dispositif de transmission grâce à une adresse aléatoire qui change fréquemment.

Au fur et à mesure que la tendance aux dossiers médicaux électroniques et à la télémédecine se généralise, les praticiens ont le même devoir de confidentialité en ce qui concerne les dossiers médicaux et les traitements de leurs patients, à l'instar des traditionnels dossiers papier. Comme il est facile de copier et de transmettre des documents électroniques, le stockage de fichiers, d'images, de supports audio et vidéo doit être effectué avec un niveau encore plus élevé de sécurité. De ce fait, la sécurité numérique est un élément à prendre en compte lors du développement de tout dispositif médical portable.

La gamme MSP430FR59xx de microcontrôleurs 16 bits de TI utilise une mémoire ferroélectrique (FRAM) pour un stockage basse consommation et, en combinaison avec des produits sans fil, peut être utilisée pour des moniteurs de tension artérielle, des glucomètres, des balances, des oxymètres, etc., via le protocole PHDC (Personal Healthcare Device Class) Bluetooth Smart.

Ce protocole utilise la même technologie de cryptage AES que le Bluetooth classique, mais la met en œuvre dans un accélérateur matériel sur le microcontrôleur FRAM pour limiter la consommation d'énergie. Le moteur AES 256 bits peut être utilisé pour des longueurs de clé de 128, 196 et 256 bits, et le support DMA est disponible pour les modes de cryptage tels que ECB, CBC, OFB et CFB. Cela contribue à réduire la consommation d'énergie par le transfert direct de données au moteur AES sans avoir à utiliser le cœur de l'émetteur-récepteur sans fil.

La connexion à l'émetteur-récepteur consomme également un minimum d'énergie avec un convertisseur analogique-numérique (CAN) de 12 bits consommant 75 µA à 200 Kéch./s, et prend en charge jusqu'à huit entrées différentielles depuis les canaux. Chaque entrée présente également une fonction de comparateur à fenêtres qui facilite les comparaisons de données afin de ne capturer que les changements significatifs, ce qui permet des économies d'énergie supplémentaires dans les applications médicales.

La mémoire FRAM dans le contrôleur économise de 12 à 15 % de l'autonomie batterie en simplifiant les mises à jour micrologicielles sans fil et en fournissant une réponse plus rapide pour le stockage de données sensibles au temps. L'endurance aux cycles longs de la FRAM élimine également le recours à des mémoires EEPROM externes, ce qui rend la conception plus sécurisée dans la mesure où le code est stocké en interne, tout en réduisant la consommation énergétique, la nomenclature et la complexité de fabrication. Le dispositif inclut également une protection IP, un identifiant de dispositif, une détection d'intégrité et un enregistrement sécurisé des données pour protéger davantage les données transitant par le système sans fil.

Les modes ultrabasse consommation sont également essentiels pour ce type de conception, et la plateforme prend en charge sept modes basse consommation avec une activation rapide inférieure à 6 µs.

Ces microcontrôleurs sont prévus pour une utilisation avec un émetteur-récepteur sans fil tel que l'émetteur-récepteur Bluetooth CC2541 de Texas Instruments. Un micrologiciel libre de droits appelé BLE-Stack est inclus et permet d'effectuer des téléchargements radio vers une conception portable pour faciliter la mise à niveau. Le contrôleur, l'hôte et le processeur d'application sont intégrés dans un boîtier de 6 mm x 6 mm. La conception basse consommation de l'émetteur-récepteur avec un courant de transmission de 18,5 mA lui permet de fonctionner pendant plus d'un an sur une seule pile bouton.

Figure 2 : Le kit de développement CC2541 inclut l'émetteur-récepteur Bluetooth Smart pour des liaisons sans fil sécurisées.

Dialog Semiconductor utilise une approche différente avec le DA14580. Il s'agit d'un émetteur-récepteur radio et d'un processeur de bande de base entièrement intégrés pour Bluetooth Smart. Il peut être utilisé en tant que processeur d'application autonome ou en tant que pompe de données dans les systèmes hôtes avec un microcontrôleur distinct.

Le DA14580 prend en charge une architecture de mémoire flexible pour le stockage des profils Bluetooth et le code d'application personnalisé, dont la mise à jour peut être effectuée sans fil. La pile de protocoles Bluetooth Smart est stockée sur une mémoire ROM dédiée et fonctionne sur un processeur ARM Cortex-M0 16 MHz intégré via un simple planificateur.

Figure 3 : Le DA14580 de Dialog Semiconductor associe un cœur ARM Cortex-M0 à un émetteur-récepteur de 2,4 GHz pour Bluetooth Smart.

Le micrologiciel Bluetooth Smart inclut les protocoles de couches de service L2CAP, un gestionnaire de sécurité (SM), un protocole d'attributs (ATT), le profil d'attributs génériques (GATT) et le profil d'accès génériques (GAP), qui sont pris en charge par un processeur de cryptage AES 128 bits pour sécuriser le trafic de données.

Pour simplifier la conception d'équipements, l'émetteur-récepteur dispose d'une connexion directe à l'antenne à une extrémité et d'un accélérateur dédié pour la couche de liaisons à l'autre extrémité, fournissant ainsi un bilan de liaison de 93 dB. Tous les blocs RF de la conception sont fournis par des régulateurs à faible chute de tension (LDO) internes, qui sont programmables par bloc, et optimisés pour une consommation minimale.

Le DA14580 est livré avec la plateforme logicielle SmartSnippets Bluetooth de Dialog qui intègre une pile monomode qualifiée Bluetooth Smart. Elle inclut une sélection de profils Bluetooth Smart en standard pour les applications de santé grand public, de sport, de remise en forme, de sécurité et de proximité, et des profils clients supplémentaires peuvent être développés et ajoutés à la pile selon les besoins. L'environnement de développement logiciel SmartSnippets est basé sur les outils uVision de Keil, incluant un code d'exemple pour les modes embarqués et hébergés.

Toutefois, toutes les conceptions médicales portables ne requièrent pas Bluetooth Smart. Les systèmes de surveillance de santé à domicile peuvent utiliser des dispositifs tels que le Si106x/8x de Silicon Labs et se connecter à des réseaux domestiques plutôt qu'à des téléphones portables, et profiter des ressources informatiques supplémentaires sur le concentrateur pour implémenter des fonctions de sécurité. Pour les systèmes qui restent à domicile, cette solution offre des mises en œuvre moins importantes et à un coût moindre. Les 106x/108x associent une connectivité sans fil hautes performances et un traitement de microcontrôleur 8051 ultrabasse consommation dans un format compact de 5 mm x 6 mm. Les bandes de fréquence principales dans la plage de 142 à 1050 MHz sont prises en charge, avec un moteur intégré de gestion avancée de paquets et la capacité à établir un bilan de liaison jusqu'à 146 dB. Cela permet au concepteur de faire un compromis sur le bilan de liaison, une consommation d'énergie inférieure et une autonomie batterie étendue.

Figure 4 : L'émetteur-récepteur Si106x associe un cœur de contrôleur 8051 et une liaison sans fil inférieure à 1 GHz pour des moniteurs domestiques à faible coût.

Les dispositifs de Silicon Labs ont été optimisés pour limiter la consommation d'énergie dans les applications à batterie de secours en minimisant le courant de veille, actif, de réception et de transmission, et en prenant en charge des délais d'activation rapides. Les microcontrôleurs sans fil Si106x présentent un brochage compatible avec les dispositifs Si108x qui peuvent évoluer de 8 à 64 Ko de mémoire Flash, et offrent un ensemble robuste de périphériques analogiques et numériques, dont un convertisseur analogique-numérique, des comparateurs doubles, des temporisateurs et des E/S à usage général (GPIO).

Conclusion

La sécurité est une exigence cruciale croissante pour la conception d'équipements médicaux portables sans fil. L'utilisation des derniers profils dans Bluetooth Smart donne la possibilité d'ajouter des liaisons sécurisées tout en optimisant la conception pour des applications médicales spécifiques dans le but de fournir la meilleure autonomie batterie possible. Cela peut être réalisé en associant un émetteur-récepteur et un microcontrôleur ultrabasse consommation, ou par le biais d'une conception système hautement intégrée. Le même résultat peut également être obtenu avec un émetteur-récepteur plus simple relié à un concentrateur domestique affichant une plus grande puissance de traitement pour garantir la sécurité des données tout au long de la chaîne de transmission.