Bluetooth Low Energy Stromverbrauch und Sicherheit bei medizinischen Einweggeräten optimieren

Anbieter zum Thema

Silicon Labs

Metrofunk Kabel-Union GmbH

PIA AUTOMATION HOLDING GMBH

Hersteller von medizinischen Einweggeräten stehen vor zwei Herausforderungen: die Sicherheit und der Stromverbrauch ihrer Geräte. Welche Lösungen gibt es, um dem Gesundheitswesen die Möglichkeit zu geben, hygienischere, sicherere und kostengünstigere medizinische Einweggeräte für eine breitere Bevölkerung bereitzustellen? Ein Überblick.

Im Gesundheitswesen bedeuten vernetzte Einweg-Medizinprodukte neben verbesserter Hygiene, geringerer Bakterienkontamination und einfacherer Logistik auch die Möglichkeit, sicherere und kostengünstigere Medizinprodukte für eine breitere Bevölkerung anzubieten, wie das Beispiel des kontinuierlichen Glukosemonitors (CGM) zur Überwachung des Blutzuckerspiegels zeigt. Medizinische Einweggeräte müssen jedoch in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden, was bedeutet, dass die Stückliste (engl. bill of materials, BOM) so niedrig wie möglich gehalten werden muss, um wirtschaftlich attraktiv zu sein. In diesem Beitrag werden zwei wesentliche (und zusammenhängende) Herausforderungen – Sicherheit und Stromverbrauch – bei der Umsetzung praktischer medizinischer Einweggeräte erörtert, die mit Knopfzellenbatterien betrieben werden und das Bluetooth-Low-Energy-/BLE-Kommunikationsprotokoll verwenden. Außerdem werden einige praktische Lösungen vorgestellt, die das Halbleiterunternehmen Silicon Labs zur Bewältigung dieser Herausforderungen vorschlägt.

Datenschutz und Sicherheit durch Verschlüsselung

Patienten und Ärzte nutzen Daten von remote eingesetzten medizinischen Geräten, um ihre Entscheidungen über Behandlungen zu treffen. Auf dem Weg von einem Gerät zum Analysepunkt können diese Daten absichtlich (unerwünschtes Eindringen Dritter) oder versehentlich (aufgrund von Umgebungseinflüssen) korrumpiert werden. Datenschutz ist daher auch für medizinische Geräte von entscheidender Bedeutung. Selbst das Erkennen, dass ein Gerät vorhanden ist, kann als Datenschutzleck angesehen werden. Ein weiteres Sicherheitsproblem im Zusammenhang mit dem Datenschutz besteht darin, dass Eindringlinge ein ungeschütztes Gerät nutzen könnten, um die Bewegungen des Trägers zu verfolgen. Daher sollten die Geräte keine Informationen enthalten, die ihre Entdeckung durch unbefugte Dritte ermöglichen.

Auslagern der Sicherheit des geräteeigenen Mikrocontrollers

Kryptografische Techniken wie Authentifizierung und Verschlüsselung können dazu beitragen, Sicherheits- und Datenschutzbedenken auszuräumen. Ihre Implementierung ist jedoch sehr rechenintensiv, erfordert einen erhöhten Stromverbrauch und wirkt sich negativ auf die Batterielebensdauer aus. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu überwinden und gleichzeitig die Gerätesicherheit zu erhöhen, besteht darin, Root-Verschlüsselungsschlüssel in einem separaten Sicherheits-Core zu speichern, der mit dem primären Mikrocontroller (MCU) des Geräts über ein Mailbox-System (anstelle eines gemeinsam genutzten Speichers) kommuniziert. Der Sicherheits-Core empfängt verschlüsselte Schlüssel zusammen mit den zu entschlüsselnden/verschlüsselten Daten von der Haupt-MCU, entschlüsselt den Verschlüsselungsschlüssel mithilfe des Root-Schlüssels und übermittelt dann die verschlüsselten/entschlüsselten Daten über dasselbe Mailbox-System an die Haupt-MCU.

Separate Hardware-Beschleuniger

Eindringlinge verwenden häufig die differentielle Leistungsanalyse (engl. Differential Power Analysis, DPA), um Verschlüsselungstechniken zu umgehen. Bei diesem Ansatz wird der Stromverbrauch des Geräts während der Durchführung von Verschlüsselungsvorgängen analysiert, womit sich Schlüssel ermitteln lassen. Aus diesem Grund implementieren viele Gerätehersteller DPA-Gegenmaßnahmen, die jedoch die Rechenzeit, den Stromverbrauch und die Komplexität der Schaltkreise erhöhen. Darüber hinaus kann die Verwendung eines separaten Secure Element (SE) aufgrund des zusätzlichen Overheads durch die Kommunikation zwischen dem SE und dem Haupt-Core zu einem erhöhten Stromverbrauch führen. Eine mögliche Lösung ist die Verwendung von zwei Hardware-Beschleunigern – einem auf der Haupt-MCU, der das Funkkommunikationsprotokoll verwaltet (wobei Geschwindigkeit und geringer Stromverbrauch Priorität haben), und einem anderen auf dem sicheren Core. Dies bedeutet zwar, dass die Ver-/Entschlüsselungsvorgänge etwas langsamer sind, bietet aber mehr Robustheit und Sicherheit.

Anpassung des Stromverbrauchs an die Produktlebensdauer

Der Akku eines Geräts muss ein optimales Gleichgewicht zwischen einem praktischen Formfaktor und ausreichender Leistung während der Nutzungsdauer des Geräts bieten. Zu den weiteren Faktoren, die die Lebensdauer eines tragbaren medizinischen Geräts beeinflussen, gehören chemischer Abbau und Hygiene. Ein Blutzuckermessgerät verfügt beispielsweise über eine Mikronadel, die mit Glukoseoxidase beschichtet ist. Wird die Nadel subkutan eingeführt, unterliegt sie im Laufe der Zeit einem gewissen chemischen Abbau, der die Leistungsfähigkeit des Geräts allmählich beeinträchtigt. Die Hygiene wirkt sich nicht nur auf die Lebensdauer eines Geräts aus, sondern auch auf sein Design. Um die Vermehrung von Bakterien zu verlangsamen, muss ein Gerät wasser- und schweißfest sein, da dies die Zuverlässigkeit der Elektronik beeinträchtigen würde, indem sich die Batterie vorzeitig entlädt, wenn das Gerät nicht hermetisch versiegelt ist. Die Versiegelung verhindert jedoch, dass auf die Batterie zugegriffen werden kann, so dass ein Austausch nicht möglich ist. Durch die Minimierung des Stromverbrauchs lassen sich Batterien mit geringerer Kapazität (und damit kleinere, leichtere und kostengünstigere Batterien) einsetzen. Dies trägt dazu bei, die Stückliste, die Größe und das Gewicht zu reduzieren und macht Einweggeräte über einen längeren Zeitraum hinweg angenehmer zu tragen.

Optimierter Funkbetrieb

Das Funk-Subsystem gehört zur Peripherie mit dem höchsten Stromverbrauch in einem HF-/Funk-SoC. Sende- und Empfangsvorgänge können die Lebensdauer der Batterie erheblich beeinträchtigen. Eine Möglichkeit, den Stromverbrauch zu senken besteht darin, die Sendeleistung zu reduzieren. Bei einem tragbaren Gerät ist die Entfernung zu einem empfangenden Smartphone meist gering, so dass die Sendeleistung im 0-dBm-Bereich liegt. Abgesehen von einer kürzeren Entfernung lässt sich der Stromverbrauch im Funkbetrieb auch optimieren, indem die Dauer der Sende-/Empfangsereignisse im Verhältnis zu den Ruhephasen (Funk-Einschaltdauer) verringert wird. Dies erfolgt durch Anpassung der Werbe- und Verbindungsintervalle. Tabelle 1 zeigt die Messung des Stromverbrauchs als Funktion der Sendeleistung und der Einschaltdauer auf dem Bluetooth-SoC EFR32BG1 von Silicon Labs. Daraus geht hervor, dass die Einschaltdauer den Stromverbrauch wesentlich stärker beeinflusst als die Sendeleistung.

Ist eine BLE-5.0-Anbindung verfügbar, halbiert der 2M PHY von Silicon Labs, der doppelt so schnell wie BLE 4.0 überträgt, effektiv die Datenübertragungszeit, was den Stromverbrauch bei einem Verbindungsintervall von 25 ms um 15 Prozent reduziert.

Stromverbrauch im Shelf-Modus senken

Logistisch gesehen kann ein Gerät einen Großteil seiner Lebensdauer im Lager verbringen (Shelf-Modus). Das liegt daran, dass es nach der Herstellung mehrere Monate dauern kann, bis es von einem Kunden gekauft wird – insbesondere bei einer langen Lieferkette. Ein weiterer Grund ist, dass ein Kunde das Produkt manchmal nur für einige Wochen oder Monate nach dem Kauf benötigt (üblich bei Einwegprodukten). Ohne ein geeignetes Design könnte sich die Batterie eines Geräts jedoch weiter entladen, wodurch sich die Nutzungsdauer verkürzt – oder im schlimmsten Fall könnte die Batterie ganz leer sein, bevor der Kunde das Gerät benutzen kann. Um dies zu verhindern, sind viele Consumer-Geräte mit einem dünnen, abnehmbaren Kunststoffisolator zwischen einem Batteriekontakt und dem Batteriehalter ausgestattet. Leider ist dies bei medizinischen Einweggeräten nicht möglich, da sie in der Regel hermetisch verschlossen sind.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, ein Gerät in einen Stromsparzustand zu versetzen, aus dem es sporadisch erwacht, seine Anwesenheit anzeigt und darauf wartet, dass ein zentrales Gerät eine Verbindung herstellt, bevor es sich koppelt oder in den Stromsparzustand zurückkehrt. Diese Lösung ist jedoch nicht ideal, da ein sehr langes Ankündigungsintervall erforderlich ist, was die Zeit verlängert, die ein Gerät benötigt, um sich mit einer Smartphone-App zu verbinden. Außerdem muss das Gerät immer noch Werbepakete senden, was einen nicht zu vernachlässigenden Stromverbrauch im Shelf-Modus verursacht (vgl. Bild 2).

Eine bessere Option ist, eine elektrische Funktion bereitzustellen, um ein Gerät aus einem Zustand mit sehr geringem Stromverbrauch heraus zu aktivieren. Die MCU könnte zum Beispiel über ein Power-Enable-Signal verfügen, das im aktiven Zustand die internen Stromversorgungen für den regulären Betrieb aktiviert. Alternativ lässt sich ein externer Schaltkreis hinzufügen, um das Enable-Signal mit Hilfe eines mechanischen (oder magnetischen) Schalters oder eines Energy-Harvesting-Schaltkreises zu erzeugen, der auf einem Photovoltaik- oder einem kontaktlosen Nahfeldsensor (NFC) basiert. Mit einem Stromverbrauch von unter 100 nA lässt sich ein Gerät viele Jahre lang im Shelf-Modus beteiben, ohne dass die Batterie wesentlich entladen wird. Das bedeutet, dass die Batterie nicht der begrenzende Faktor ist, der die Lebensdauer eines Geräts im Vergleich zu den zuvor erwähnten Faktoren Hygiene und Materialverschlechterung beeinflusst.

* Die Autoren: Nicola Wrachien, Staff Solutions Architect und Brian Blum, Senior Product Marketing Manager, Silicon Labs

(ID:49795817)