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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf drahtlose Sensornetzwerke zur Systemüberwachung und im Besonderen auf Kommunikationsschemata zwischen den Elementen eines drahtlosen Sensornetzwerkes.
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Bei Sensorüberwachungsnetzwerken, die drahtlose Kommunikationssysteme verwenden, stellen die Datenwartezeit und der Datenschwund zwei relevante Ausführungsprobleme dar. Das heißt, die Zeit, die die Daten benötigen, um sich von einem Netzwerk aus Sensoren zu einem Auslesegerät zu bewegen (Datenwartezeit) und der Verlust von mehr als einer maximal zulässigen Datensequenz (Datenschwund) sind zwei entscheidende Anforderungen an die Leistung eines drahtlosen Sensornetzwerkes. Damit ein drahtloses Sensorüberwachungsnetzwerk richtig funktionieren kann, müssen sowohl die Datenwartezeit als auch der Datenschwund in annehmbaren Grenzen liegen.
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Um die Probleme hinsichtlich Zuverlässigkeit und Übertragungsverzögerung anzugehen, wurde bisher das Konzept eines Beacon-gesteuerten Sensornetzwerkes oder eine sogenannte Zeitmultiplex-Herangehensweise (TDMA) verwendet. Beim TDMA verwenden verschiedene Geräte denselben Übertragungsfrequenzkanal, indem sie ein Signal in verschiedene Zeitschlitze innerhalb eines Übertragungsframes zerlegen. Die Signale werden in schneller Folge eins nach dem anderen übertragen, wobei jedes seinen eigenen Zeitschlitz verwendet, was es möglicht macht, dass mehrere Geräte dasselbe Übertragungsmedium (z. B. Hochfrequenzkanal) verwenden, während sie lediglich einen Teil von dessen Bandbreite verwenden.
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Die Verwendung einer TDMA-Netzwerkherangehensweise stellt jedoch eine Reihe an Herausforderungen dar. Das heißt, die Datenwartezeit ist, wie vorstehend dargestellt, in drahtlosen Sensorüberwachungsnetzwerken von großer Bedeutung und somit ist eine Verzögerung in der Übertragung eines Datenpaketes von Sensoren an einen entfernten Empfänger, um in einen spezifischen Zeitschlitz (d. h. Zeitabschnitt) zu passen, je nach der in dem Frequenzkanal vorhandenen Anzahl an Schlitzen möglicherweise nicht immer möglich. Somit kann die Datenübertragung bis zum nachfolgenden Frame verzögert werden.
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Des Weiteren können zum Beispiel die Datenschwundspezifikationen für ein drahtloses Sensorüberwachungsnetzwerk eine Übertragungserfolgsrate von 95% für Signale erfordern, die von den Sensorknoten zum Gateway übertragen werden, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen. Bei Signalen, die mit nur einer Frequenz übertragen wurden, ist solch eine Erfolgsrate unwahrscheinlich, da die Sensoren und der Empfänger in direkter Nähe eines Störers liegen, der dasselbe oder ein angrenzendes Hochfrequenzspektrum belegt. Die Signale, die mit einer benachbarten Frequenz übertragen wurden, können noch eine wesentliche Leistung in der Betriebsfrequenz des Sensornetzwerkes darstellen, was eine erfolgreiche Meldungsübertragung verhindert. Zum Beispiel werden 802.11b, Bluetooth, Zigbee, 802.15.4 und legacy 802.11 Überträger in einer Einrichtung Probleme verursachen, wenn diese Störer zur selben Zeit übertragen, wie das drahtlose Sensorüberwachungssystem. Während bisherige Überwachungsnetzwerke die Praxis des Neuübertragens einer Datenmeldung mehrere Male implementiert hat, um die Übertragungserfolgsrate zu erhöhen, kann solch eine Neuübertragung dazu führen, dass die Daten die Verzögerungsanforderungen übersteigen, was den Wert der Daten stark reduziert.
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Im Zusammenhang mit der Überwachung des Gesundheitszustands eines Patienten können drahtlose Sensornetzwerke ziemlich nützlich sein, da sie die mit dem Kabelwirrwarr und Gerätemanagement verbundenen Probleme umgehen. Der drahtlose Datentransfer von Patientensensoren zu einem Gateway-Gerät oder drahtlosen Netzwerk erlaubt es, das Management solcher Geräte zu vereinfachen und die Probleme, die mit dem Kabelmanagement verbunden sind, zu verringern. Jedoch erfordert, wie vorstehend beschrieben, die Verwendung drahtloser Sensornetzwerke zur Patientenüberwachung, dass die oft mit drahtlosen Kommunikationssystemen verbundenen Kommunikationsprobleme entsprechend angesprochen werden. Bei der Überwachung des Gesundheitszustands eines Patienten können die Probleme der Datenwartezeit und des Datenschwunds äußerst problematisch werden. Das heißt, die Überwachung lebenswichtiger Zeichen (z. B. Überwachen von Blutdruck, Hämoglobinsättigung und Merkmale des Elektrokardiogramms (EKG)) ist ein wichtiger Teil der Patientenpflege, da der allgemeine oder der besondere Gesundheitszustand des Patienten teils durch die Messung und Interpretation von physiologischen Schlüsselindikatoren bestimmt wird. Solche physiologischen Daten sind jedoch nur nützlich, wenn sie rechtzeitig und ordentlich übertragen werden. Die Übertragung solcher lebenswichtiger Zeichendaten muss daher rechtzeitig und mit einer hohen Erfolgsrate erfolgen, um für ein drahtloses Patientensensornetzwerk praktikabel zu sein.
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Die Patentanmeldung
EP 1 707 115 A2 beschreibt ein drahtloses Patientenüberwachungssystem, insbesondere ein System sowie ein Verfahren zur Messung, Speicherung und Kommunikation von Sensormesswerten von einem Patienten oder von einer Patientin an ein zentrales Anzeige- und Analysesystem. In diesem Zusammenhang wird ein Überwachungsgerät beschrieben, das eine Sensorvorrichtung zur Anordnung auf oder in dem Patienten oder der Patientin aufweist, sowie einen Überträger zur Übertragung von Sensordaten. Die Anmeldung
WO 03/096 128 A2 beschreibt Identifikationssystem für Fahrzeuge zur Überwachung und Speicherung von Gesetzesverstößen im Straßenverkehr.
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Daher wäre es wünschenswert, ein Gerät und Verfahren zu entwickeln, das die Datenwartezeit und den Datenschwund minimiert. Es wäre ebenfalls wünschenswert, ein System und Verfahren zu entwickeln, das in der Nähe einer Störung, die dasselbe oder angrenzende Hochfrequenzspektrum belegt, eine rechtzeitige und zuverlässige Datenübertragung erlaubt. Es wäre ferner wünschenswert, ein System zu entwickeln, welches dies durchführt, während es ein Minimum an Kontrollmeldungen austauscht, die keine Daten enthalten, sondern Strom und Frequenzressourcen verbrauchen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein drahtloses Überwachungssystem gemäß Anspruch 1. Die vorliegende Erfindung stellt ein System zur Kommunikation zwischen den Elementen eines drahtlosen Patientensensornetzwerkes bereit, das die vorstehend erwähnten Probleme überwindet. Die Datensignale zwischen einem Gateway-Gerät und drahtlosen Sensoren in dem drahtlosen Patientensensornetzwerk werden sequentiell mit einer Vielzahl an Frequenzen über eine bidirektionale Kommunikationsverbindung übertragen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein drahtloses Patientenüberwachungssystem eine Vielzahl an Sensorknoten, die konfiguriert sind, um Patientendaten von einem Patienten und einem Gateway-Gerät in bidirektionaler drahtloser Kommunikation mit der Vielzahl an Sensorknoten für eine Vielzahl an definierten Kommunikationsframes zu erfassen. Das Gateway-Gerät ist konfiguriert, um eine Beacon-Meldung mit jeder der Vielzahl an Frequenzen an die Vielzahl an Sensorknoten zu übertragen. Die Vielzahl an Sensorknoten ist ferner konfiguriert, um die Beacon-Meldung von dem Gateway-Gerät zu empfangen und die erfassten Patientendaten mit jeder der Vielzahl an Frequenzen an das Gateway-Gerät zu übertragen.
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Gemäß einem anderen Aspekt umfasst ein Verfahren zur Patientenüberwachung die folgenden Schritte: Anordnen einer Vielzahl drahtloser Sensoren auf einem Patienten, um Daten zum Gesundheitszustand zu erfassen, und Verbinden der Vielzahl drahtloser Sensoren mit einer Gateway-Steuereinrichtung, indem jedem der Vielzahl drahtloser Sensoren ein Zeitschlitz in dem operativen Frame zugewiesen wird. Das Verfahren umfasst ebenfalls die folgenden Schritte: Übertragen eines Beacon-Signals von der Gateway-Steuerung an die Vielzahl drahtloser Sensoren, um die drahtlosen Sensoren während eines operativen Frames zu aktivieren, und Übertragen der Daten zum Gesundheitszustand über eine Vielzahl an Datenpaketen während des operativen Frames in Antwort auf das Beacon-Signal von der Vielzahl drahtloser Sensoren an die Gateway-Steuerung. Entweder wird das Beacon-Signal oder werden die Datenpakete während des operativen Frames über einen ersten Frequenzkanal und einen zweiten Frequenzkanal übertragen.
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Gemäß einem noch anderen Aspekt umfasst ein drahtloses Sensorkommunikationssystem ein Sensornetzwerk, das konfiguriert ist, um Systemdaten aus einem überwachten System und einer in der Nähe des Sensornetzwerkes positionierten und in drahtloser Kommunikation damit stehenden Steuerung zu erfassen. Sowohl das Sensornetzwerk als auch die Steuerung sind konfiguriert, um drahtlose Signale sequentiell über einen ersten Frequenzkanal (F 1) und über einen zweiten Frequenzkanal (F2) zu übertragen und zu empfangen und mindestens einmal während jedem von einer Vielzahl an Kommunikationsframes zwischen dem ersten Frequenzkanal und dem zweiten Frequenzkanal zu wechseln, wobei die drahtlosen Signale ein Aktivierungssignal und Systemdaten umfassen.
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Verschiedene andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den Figuren deutlich.
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Figurenliste
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Die Figuren stellen eine bevorzugte Ausführungsform dar, die gegenwärtig zum Ausführen der Erfindung in Erwägung gezogen wird.
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In den Figuren ist:
- 1 ein Blockdiagramm eines drahtlosen NAP-Sensornetzwerkes (NAP - den Patienten umgebendes Netzwerk) gemäß der vorliegenden Erfindung.
- 2 eine graphische Darstellung eines mit dem in 1 dargestellten System verwendbaren Kommunikationsschemas.
- 3 eine graphische Darstellung eines anderen mit dem in 1 dargestellten System verwendbaren Kommunikationsschemas.
- 4 eine graphische Darstellung eines anderen mit dem in 1 dargestellten System verwendbaren Kommunikationsschemas.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die vorliegende Erfindung stellt ein System zur Kommunikation zwischen den Elementen eines drahtlosen Sensornetzwerkes bereit. Ferner ist ein Verfahren zur Kommunikation zwischen den Elementen eines drahtlosen Sensornetzwerks beschrieben. Während nachstehend als drahtloses Patientensensornetzwerk beschrieben, das eine Vielzahl an am Körper getragene Sensoren und ein Gateway-Gerät umfasst, das mithilfe der beschriebenen Kommunikationssysteme kommuniziert, wird ebenfalls in Erwägung gezogen, dass das drahtlose Sensornetzwerk in einer Vielzahl zusätzlicher Einstellungen verwendbar ist. Das heißt, das drahtlose Sensornetzwerk der vorliegenden Erfindung ist auch in Industrie- und Transporteinstellungen und zum Erfassen und Kommunizieren einer Vielzahl an verschiedenen Leistungsparametern verwendbar, die mit mechanischen, elektrischen und elektromechanischen Systemen verbunden sind. Die nachstehende Beschreibung eines drahtlosen Sensornetzwerkes zur Verwendung in der Patientenüberwachung und der Erfassung/Übertragung von Patientendaten ist nur beispielhaft und stellt nur eine Ausführungsform der betrachteten vorliegenden Erfindung dar.
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Mit Bezug auf 1 wird eine Vielzahl drahtloser Patientenüberwachungsnetzwerke in Form von den Patienten umgebenden Netzwerken (NAP) 10 dargestellt. Eine Reihe von NAPs 10 wird als in einer Gesundheitseinrichtung 12 zum Überwachen einer Reihe von Patienten 14 vorhanden dargestellt. Jedes NAP umfasst eine Vielzahl drahtloser am Körper getragener Sensoren 16 (d. h. Sensorknoten), die auf dem Patienten 14 platziert sind und ein Sensornetzwerk bilden. Die drahtlosen Sensoren 16 werden als parameterspezifische Sensorknoten konfiguriert, die fähig sind, jeden von einer Vielzahl an Patientenparametern und Kombinationen davon zu messen. Diese Parameter können physiologische Parameter, wie zum Beispiel Puls, EKG und Blutsauerstoffsättigung umfassen, sind aber nicht darauf begrenzt. Es wird ebenfalls in Erwägung gezogen, dass die drahtlosen Sensoren 16 in Form eines Sensorgerätes vorliegen, das zusätzliche Patientenparameter misst, wie zum Beispiel ein Beschleunigungsmesser zum Messen der Patientenbewegung oder ein Photodetektor oder ein Mikrophon zum Messen von Umgebungslicht oder Ton.
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Die drahtlosen Sensoren 16 sind in einer Ausführungsform drahtlose, in sich abgeschlossene Sensoren mit niedriger Leistung, die batteriebetrieben sind, jedoch wird auch in Erwägung gezogen, dass Art und Leistungseigenschaften des Sensors variieren können. Jeder der drahtlosen Sensoren 16 kommuniziert mit einem Gateway-Steuergerät 20 (d. h. Steuerung) und steht mit ihm über eine bidirektionale drahtlose Kommunikationsverbindung in Verbindung. Die drahtlose Kommunikationsverbindung kann die Form mehrerer gut bekannter Kommunikationsmedien annehmen und in einer Ausführungsform Hochfrequenzsignale umfassen. Zum Beispiel können RF-Signale in einem 2,4 GHz-ISM-Band als Medium für die bidirektionale drahtlose Kommunikation verwendet werden.
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Zum Aufnehmen der bidirektionalen Kommunikation umfassen alle drahtlosen Sensoren 16 und das Gateway-Gerät 20 eine integrierte Sendeempfangsschaltung 22. Zusätzlich umfassen die drahtlosen Sensoren 16 und das Gateway-Gerät 20 auch eine Mikrosteuerung 24, die es den Geräten ermöglicht, beim Senden und Empfangen von Signalen zwischen den Frequenzen zu springen/wechseln, wie nachstehend ausführlich beschrieben wird. Die drahtlosen Sensoren 16 umfassen ferner ein Erfassungsgerät 26, das einen spezifizierten Patientenparameter misst.
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Wie in 1 dargestellt, ist ein Gateway-Gerät 20 ein am Körper getragenes Gerät in direkter Nähe der drahtlosen Sensoren 16, aber es wird auch in Erwägung gezogen, dass das Gateway-Gerät 20 als Gerät am Bett oder ein anderes von dem Patienten getrenntes Gerät implementiert werden kann. Das Gateway-Gerät 20 agiert als drahtlose Brücke, die Daten zu einem oder mehreren gemessenen Patientenparametern empfängt und diese empfangenen Patientendaten (d. h. physiologische Daten, Daten zum Gesundheitszustand) unter Verwendung einer drahtgebundenen oder drahtlosen Verbindung an ein Krankenhausnetzwerksystem oder eine Krankenhausinfrastruktur 28 überträgt. In einer Ausführungsform werden die Patientendaten von dem Gateway-Gerät 20 über eine Hochfrequenz an die Krankenhausinfrastruktur 28 übertragen, die speziell für medizinische Telemetrie (d. h. WMTS-Service in den USA) bereitgestellt ist; jedoch können auch eine andere drahtlose Telemetrie, ein drahtloses lokales Netz (WLAN) oder andere Hochfrequenzverbindungen verwendet werden.
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Während die am Körper befindliche Kommunikation innerhalb des NAPs 10 (d. h. Kommunikation zwischen den drahtlosen Sensoren und dem Gateway-Gerät) bidirektional ist, erfolgt eine Einwegkommunikation von dem Gateway-Gerät 20 zur Krankenhausinfrastruktur 28. In Anbetracht der Einwegverbindung von dem Gateway 20 zu der Infrastruktur 28 müssen die Gateway-Geräte die Interferenz von anderen allgemeinen drahtlosen Systemen, wie z. B. Bluetooth-Kommunikationsgeräten und Ähnlichem überwachen, und die Frequenzen entsprechend ändern. Zur Vereinfachung dessen umfasst eine Ausführungsform von NAP ein Gateway-Überwachungsgerät 29, das sich in dem Krankenhausbereich befindet und regelmäßig Beacon-Meldungen an alle Gateways 20 in dem Bereich sendet. Dieses Überwachungs-Gateway 20 übermittelt verfügbare oder in der Nähe verwendete Frequenzen. Meldungen des Überwachungs-Gateways erfolgen in einem vordefinierten Standardkanal, den Gateways regelmäßig für den Empfang einstellen. Diese abgestufte Architektur bietet eine stabile Mobilität der NAPs 10, wenn Patienten in der Gesundheitseinrichtung 12 umherwandern.
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Mit Bezug auf 2 wird ein drahtloses Kommunikationsschema zwischen dem Gateway-Gerät 20 und der Vielzahl an drahtlosen Sensoren 16 dargestellt. Die Vielzahl drahtloser Sensoren 16 ist mit dem Gateway-Gerät 20 verbunden, so dass das Gateway-Gerät jedem Sensor einen spezifischen Zeitschlitz 30 zum Datenaustausch auf der drahtlosen Kommunikationsverbindung zuweist. Die Kommunikation zwischen dem Gateway-Gerät 20 und den drahtlosen Sensoren 16 ist in Kommunikationsframes 32 (d. h. operative Frames) unterteilt, die eine Vielzahl an Schlitzen 30 enthalten, ähnlich einem TDMA-System. Ein solcher Kommunikationsframe 32 ist in 2 dargestellt. Das Gateway-Gerät 20 kann die Zeiteinstellung des Frames 32 basierend auf der Art des drahtlosen Sensors einstellen, der dem NAP 10 (in 1 dargestellt) hinzugefügt wurde. Basierend auf der Sensordatenbandbreite kann das Gateway-Gerät 20 die Framezeiteinstellung, die Schlitzbreiten und/oder die Schlitzanzahl ausweiten oder verringern. Als Alternative zu Kanälen, die auf Frequenzen basieren, können auch Kanäle, die auf dem Verteilen von Codes basieren, Springmuster oder irgendwelche anderen Trennmittel des RF-Zeitbandbreitenprodukts verwendet werden.
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Während jedem Kommunikationsframe 32 werden mehrere Aufgaben ausgeführt, umfassend Netzwerkmanagement und Sensordatenaustausch. Am Start eines jeden Frames sendet das Gateway-Gerät 20 Netzwerkinformationen an jeden der drahtlosen Sensoren 16 mithilfe einer Beacon-Rundmeldung 34 (d. h. Aktivierungssignal), die an die drahtlosen Sensoren 16 gesendet und von ihnen empfangen wird. Die Beacon-Meldung 34 kann Informationen darüber, welche künftigen Frequenzkanäle zu verwenden sind, über die Zeit für die nächste Beacon-Meldung etc umfassen. Ein Zeitmultiplex (TDMA)-Schema wird verwendet, so dass das Gateway-Gerät 20 die Beacon-Meldung 34 in einem festen Intervall überträgt, wodurch eine Vielzahl an Kommunikationsframes 32 definiert wird. Die drahtlosen Sensoren 16, die mit dem Gateway-Gerät 20 verbunden sind, erwachen bei Empfang der Beacon-Meldung 34 aus einem Niedrigleistungszustand. Jeder Sensor 16 wartet dann in dem Niedrigleistungsverbrauchszustand bis der ihm zugewiesene Zeitschlitz 30 in dem Kommunikationsframe 32, mit dem er verbunden ist, auftritt. Während der ihnen zugewiesenen Zeitschlitze in dem Kommunikationsframe 32 übertragen alle drahtlosen Sensoren 16 ein Datenpaket 36, das Daten über das gemessene Patientenparameter enthält, an das Gateway-Gerät 20. Das Datenpaket 36 umfasst mindestens die Patientendaten, die während des gegenwärtigen Kommunikationsframes 32 erfasst wurden. Es wird ebenfalls in Erwägung gezogen, dass die Datenpakete 36 Patientendaten aus einem unmittelbar vorangegangenen oder vorherigen Kommunikationsframe umfassen oder aus mehreren vorangegangenen Kommunikationsframes, solange die Probleme der Datenwartezeit angesprochen werden. Nach der Kommunikation des Datenpaketes 36 von jedem der verbundenen drahtlosen Sensoren an das Gateway-Gerät 20 und vor dem Ende des Kommunikationsframes 32 folgt dann ein Zuweisungsintervall 38, in dem alle zusätzlichen drahtlosen Sensoren 16, die dem Sensornetzwerk 18 (in 1 dargestellt) hinzuzufügen sind, einen entsprechenden Schlitz 30 zugewiesen bekommen. In einer Ausführungsform schlafen die drahtlosen Sensoren 16 während dieses Zuweisungszeitraums 38 und bis zum nächsten Beacon-Intervall (d. h. dem nächsten Kommunikationsframe). Am Ende des Kommunikationsframes 32 stellen sowohl das Gateway-Gerät 20 als auch die drahtlosen Sensoren 16 in Vorbereitung für einen nachfolgenden Kommunikationsframe eine gemeinsame Frequenz ein.
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Um die drahtlose Kommunikation zwischen dem Gateway-Gerät 20 und den drahtlosen Sensoren 16 stabil zu gestalten, wird die Beacon-Meldung mehrere Male an die drahtlosen Sensoren 16 übertragen, wobei jede übertragene Beacon-Meldung 34 dieselben Daten/Anweisungen enthält. Während nachstehend als eine Beacon-Ausgangsmeldung 40 und eine Beacon-Folgemeldung 42 (d. h. zwei Meldungen) beschrieben, wird ebenfalls in Erwägung gezogen, dass zusätzliche Beacon-Wiederholungsmeldungen übertragen werden könnten. Die Beacon-Ausgangsmeldung 40 wird von dem Gateway-Gerät 20 mit einer ersten Frequenz F1 gesendet (d. h. über einen ersten Frequenzkanal). Die drahtlosen Sensoren 16 erzeugen keine Eingangsbestätigung dieser Beacon-Ausgangsmeldung 40. Daher sendet das Gateway-Gerät 20 im Anschluss an die Ausgangsübertragung automatisch eine Beacon-Folgemeldung 42 mit einer zweiten Frequenz F2 (d. h. über einen zweiten Frequenzkanal), die sich von der ersten Frequenz unterscheidet. In einer Ausführungsform unterscheiden sich die erste Frequenz und die zweite Frequenz um einen vorbestimmten und feststehenden Betrag, jedoch wird ebenfalls in Erwägung gezogen, dass der Unterschied zwischen den Frequenzen ein pseudozufälliger Unterschied sein kann, der von dem Gateway-Gerät 20 (d. h. der in 1 dargestellten Mikrosteuerung 24) erzeugt wird. Der pseudo-zufällige Unterschied ist innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches begrenzt, welcher Frequenzen entspricht, die allgemein für die drahtlose RF-Kommunikation verwendet werden.
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Wie vorstehend erwähnt, wird die Beacon-Ausgangsmeldung 40 mit einer ersten Frequenz F1 an die drahtlosen Sensoren 16 übertragen. In einem Ausgangszustand werden die drahtlosen Sensoren 16 auf die erste Frequenz eingestellt, um auf den Empfang der Beacon-Ausgangsmeldung 40 von dem Gateway-Gerät 20 zu warten. Die drahtlosen Sensoren 16 sind programmiert, um für einen vorbestimmten Zeitraum 44 auf die Übertragung der Beacon-Ausgangsmeldung 40 zu warten. Wenn innerhalb dieses Zeitraums 44 keine Beacon-Meldung empfangen wird, stellen sich (d. h. wechseln) die drahtlosen Sensoren 16 auf die zweite Frequenz ein und halten Ausschau nach der Beacon-Folgemeldung 42, die mit der zweiten Frequenz F2 übertragen wird. Die Übertragung der Beacon-Meldung 34 mit der ersten und zweiten Frequenz hilft dabei, den Empfang der Beacon-Meldung durch die drahtlosen Sensoren 16 zu gewährleisten.
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Bei Empfang der Beacon-Meldung 34 wird jeder der drahtlosen Sensoren 16 entweder mit der ersten oder der zweiten Übertragungsfrequenz aktiviert, um ein Datenpaket 36 (enthält erfasste Patientendaten) an das Gateway-Gerät 20 zu übertragen. Ähnlich der Übertragung der Beacon-Meldung 34 werden auch die Patientendaten mehrere Male nacheinander und über verschiedene Frequenzen übertragen. Wieder wird, während nachstehend als ein Paar wiederholter Datenpakete 36 mit einer ersten und zweiten Frequenz übertragen, ebenfalls in Erwägung gezogen, dass zusätzliche Wiederholungsdatenpakete 36 übertragen werden könnten, die lediglich von der Zeitlänge des Kommunikationsfensters und der Anzahl der während dieser Länge übertragbaren Meldungen eingeschränkt werden. Das Gateway-Gerät 20 erzeugt keine Empfangsbestätigung der Patientendaten. Daher kann im Anschluss an eine erste Übertragung eines Datenpaketes ein drahtloser Sensor 16 das Datenpaket 36 mit einer anderen Frequenz erneut übertragen, gemäß einem der nachstehend beschriebenen Muster und ohne die Notwendigkeit, auf eine Rückmeldung warten zu müssen, ob das in der ersten Übertragung gesendete Datenpaket 36 erfolgreich empfangen wurde. Die Eliminierung einer Empfangsbestätigung verringert die Zeit zwischen nachfolgenden und Wiederholungsübertragungen und geht somit die Probleme in Bezug auf Verzögerungsanforderungen/Datenwartezeit an.
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Die Implementierung eines bestimmten Kommunikationsschemas/Musters zum Variieren von Zeit und Frequenz der Übertragungen der Datenpakete 36, wie aus der Vielzahl an nachstehend beschriebenen SchematalMustern ausgewählt, wird (zumindest teilweise) von den Eigenschaften der Funkumgebung und Störsender in der Nähe eines NAP 10 (in 1 dargestellt) bestimmt. Das heißt, das Gateway-Gerät 20 kann ein anderes Zeit-/Frequenzmuster für die Übertragung eines Datenpakets 36 aufrufen, basierend auf bekannten Störsystemen in der Nähe, um die Leistung bei Vorhandensein solcher Störsysteme zu testen und zu verbessern. In einer Ausführungsform ist das Gateway-Gerät 20 konfiguriert, um das Vorhandensein anderer Störsysteme zu erfassen, durch Beobachtung eines Anstiegs in Paketfehlern (d. h. Übertragungsfehlern, Daten in dem Paket, die von dem gemessenen Parameter gelöst sind, etc.) und durch Erfassen von Außenfunksensoren (d. h. Sensoren, die außerhalb der verbundenen drahtlosen Sensoren 16 liegen) während des Zuweisungszeitraums 38. Die Auswahl des angemessenen Kommunikationsschemas/-musters zum Optimieren der Übertragung eines Datenpakets 36 kann daher von dem Gateway-Gerät 20 bestimmt werden.
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Wie nachstehend als Beispiel beschrieben, umfasst ein Sensornetzwerk in Kommunikation mit dem Gateway-Gerät 20 drei drahtlose Sensoren 16, wie in 2 dargestellt. In der in 2 dargestellten Ausführungsform stehen ein erster Sensorknoten 46, ein zweiter Sensorknoten 48 und ein dritter Sensorknoten 50 in drahtloser Kommunikation mit dem Gateway-Gerät 20 und übertragen Patientendaten in sequentieller Reihenfolge über Datenpakete 36 an das Gerät. Das heißt, der erste Sensorknoten 46, der zweite Sensorknoten 48 und der dritte Sensorknoten 50 übertragen Patientendaten gemäß dem Schlitz 30 in dem Kommunikationsframe 32, der jedem Knoten zugewiesen ist. Wie in 2 dargestellt, überträgt der erste Sensorknoten 46 Daten 36 in dem ihm zugewiesenen Schlitz mit der ersten Frequenz und anschließend der zweiten Frequenz. Im Anschluss an die Wiederholungsübertragung eines Datenpaketes 36 durch den ersten Sensorknoten 46 mit einer unterschiedlichen ersten und zweiten Frequenz überträgt der zweite Sensorknoten 48 anschließend ein Datenpaket 36 mit der ersten Frequenz und dann mit der zweiten Frequenz in dem ihm zugewiesenen Schlitz 30. Im Anschluss an die Übertragungen durch den zweiten Sensorknoten 48 überträgt anschließend der dritte Sensorknoten 50 Patientendaten mit der ersten Frequenz und dann mit der zweiten Frequenz in dem ihm zugewiesenen Schlitz 30.
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Um den Empfang der Patientendaten aufzunehmen, wird das Gateway-Gerät 20 durch den Wechsel des ersten, zweiten und dritten Sensorknotens 46, 48, 50 zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz synchronisiert. Das heißt, das Gateway-Gerät 20 stellt abwechselnd die erste Frequenz F 1 und die zweite Frequenz F2 in einem Muster ein, das der Übertragung von Datenpaketen 36 von dem ersten, zweiten und dritten Sensorknoten 16, 48, 50 über der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz entspricht. Ähnlich dem vorstehend in Bezug auf die Übertragung der Beacon-Meldung 34 Beschriebenen, wird das Gateway-Gerät 20 programmiert, um für einen vorbestimmten Zeitraum 52 auf die Übertragung eines Datenpaketes 36 von einem Sensorknoten mit einer festgelegten Frequenz zu warten. Wenn innerhalb dieses Zeitraums 52 kein Datenpaket 36 über die überwachte Frequenz empfangen wird, stellt sich (d. h. wechselt) das Gateway-Gerät 20 auf eine zweite, andere Frequenz ein und hält Ausschau nach dem Datenpaket 36, das mit der zweiten Frequenz übertragen wird. Mit Bezug auf die in 2 dargestellte Ausführungsform bedeutet das, dass das Gateway-Gerät 20 anfangs auf eine erste Frequenz eingestellt wird, wenn es auf ein Datenpaket 36 von jedem der einzelnen Sensorknoten 46, 48, 50 wartet. Dann wird sich das Gateway-Gerät 20 auf die zweite Frequenz einstellen, wenn das Datenpaket 36 von jedem Sensorknoten, das anfänglich mit der ersten Frequenz gesendet wird, nicht innerhalb des vorbestimmten Zeitraums 52 empfangen wird. Wie nachstehend beschrieben, wird jedoch ebenfalls in Erwägung gezogen, dass die Übertragung der Patientendaten modifiziert werden kann, um die Anzahl der von dem Gateway-Gerät 20 durchgeführten Frequenzwechsel zu verringern, um die Synchronisation mit jeder Übertragung von Patientendaten durch die Sensorknoten beizubehalten.
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Mit Bezug auf 3 stehen in einer anderen Ausführungsform der Erfindung der erste Sensorknoten 46, der zweite Sensorknoten 48 und der dritte Sensorknoten 50 in drahtloser Kommunikation mit dem Gateway-Gerät 20 und übertragen ihm Patientendatenpakete 36 in sequentieller Reihenfolge. Das heißt, der erste Sensorknoten 46, der zweite Sensorknoten 48 und der dritte Sensorknoten 50 übertragen Datenpakete 36 gemäß dem Schlitz 30 in dem Kommunikationsframe 32, der jedem Knoten zugewiesen ist. Wie in 3 dargestellt, überträgt der erste Sensorknoten 46 Datenpakete 36 in dem ihm zugewiesenen Schlitz mit der ersten Frequenz und dann mit der zweiten Frequenz. Im Anschluss an die Wiederholungsübertragung eines Datenpaketes 36 durch den ersten Sensorknoten 46 mit einer unterschiedlichen ersten und zweiten Frequenz überträgt der zweite Sensorknoten 48 anschließend ein Datenpaket 36 mit der zweiten Frequenz und dann mit der ersten Frequenz in dem ihm zugewiesenen Schlitz 30. Da diese anfängliche Übertragung des Datenpakets 36 durch den zweiten Sensorknoten 18 mit einer zweiten Frequenz einer Übertragung durch den ersten Sensorknoten 46 mit der zweiten Frequenz folgt, bleibt das Gateway-Gerät 20 beim Wechsel zwischen den Schlitzen 30 des ersten Sensorknotens 46 zum zweiten Sensorknoten 48 auf die zweite Frequenz eingestellt. Auf ähnliche Weise überträgt im Anschluss an die Übertragungen durch den zweiten Sensorknoten 48 der dritte Sensorknoten 50 Patientendaten zunächst mit der ersten Frequenz und dann mit der zweiten Frequenz. Daher ist das Gateway-Gerät 20 wieder in der Lage, beim Wechsel von dem zweiten Sensorknoten 48 zum dritten Sensorknoten 50 auf die erste Frequenz eingestellt zu bleiben. Die Anzahl der Frequenzeinstellungen und Frequenzwechsel, die von dem Gateway-Gerät 20 gefordert wird, um die Synchronisation mit jeder Übertragung von Datenpaketen 36 durch die Sensorknoten 46, 48, 50 beizubehalten, wird daher in der in 3 dargestellten Ausführungsform verringert.
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Mit Bezug auf 4 wird in einer anderen Ausführungsform jeder Kommunikationsframe 32 in eine Vielzahl an begrenzten Subframes 54, 56 geteilt. Wie in 4 dargestellt, umfasst ein Kommunikationsframe 32 ferner einen ersten Subframe 54 und einen zweiten Subframe 56, wobei jeder Subframe eine identische Anzahl an Schlitzen 58 enthält. Jeder Sensorknoten entspricht einem identischen Schlitz 58 in jedem Subframe (d. h. der erste Sensorknoten 46 überträgt in dem ersten Schlitz des ersten und zweiten Subframes). Die Übertragung von Patientendaten mithilfe von Datenpaketen 36 von der Vielzahl an drahtlosen Sensoren 16 in dem Sensornetzwerk 18 (in 1 dargestellt) wird in zwei Subframes unterteilt. Das heißt, wie in 4 dargestellt, werden ein erster Sensorknoten 46, ein zweiter Sensorknoten 48 und ein dritter Sensorknoten 50 programmiert, um während des ersten Subframes 54 ein Datenpaket 36 mit einer ersten Frequenz zu übertragen. Die Übertragung von Datenpaketen 36 durch jeden Sensor wird gemäß einem jedem Sensor zugewiesenen Zeitschlitz 58 innerhalb des ersten Subframes 54 geordnet. Am Ende des ersten Subframes 54 wird der zweite Subframe 56 betreten, während dem der erste Sensorknoten 46, der zweite Sensorknoten 48 und der dritte Sensorknoten 50 programmiert werden, um ihre jeweiligen Datenpakete 36 mit einer zweiten unterschiedlichen Frequenz erneut zu übertragen. Ähnlich der Übertragung während des ersten Subframes 54 wird die Übertragung von Datenpaketen 36 durch jeden Sensor in dem zweiten Subframe 56 wieder gemäß dem jedem Sensor zugewiesenen Zeitschlitz 58 innerhalb des zweiten Subframes 56 geordnet.
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Die Teilung des Kommunikationsframes in den ersten und zweiten Subframe 54, 56, wie vorstehend beschrieben, erlaubt verlängerte Zeiträume für die Übertragung von Patientendaten mit einer festgelegten Frequenz. Das heißt, alle durch die Sensorknoten 46, 48, 50 in dem ersten Subframe 54 übertragenen Datenpakete 36 werden mit der ersten Frequenz übertragen. Anschließend werden alle Datenpakete 36, die durch die Sensorknoten in dem zweiten Subframe 56 erneut übertragen werden, mit der zweiten Frequenz übertragen. Solch ein Übertragungsprotokoll erlaubt dem Gateway-Gerät 20, für die Gesamtheit des Subframes auf eine einzelne Frequenz eingestellt zu bleiben, bevor es auf eine andere Frequenz einstellen muss. Eine Verringerung der Anzahl von Neueinstellungen, die vom Gateway-Gerät 20 gefordert werden, um mit den Sensorknotenübertragungen synchronisiert zu bleiben, verringert den Energieverbrauch und eliminiert die mit dem Neueinstellen verbundenen Zeitverzögerungen.
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Während jedes von einer Vielzahl an Übertragungsmustern für die Beacon-Meldung 34 und die Patientendatenpakete 36 vorstehend einzeln dargestellt wurde, wird in Erwägung gezogen, dass die Übertragungsmuster in Verbindung miteinander verwendet werden können. Das heißt, die für die Datenübertragung zwischen dem Gateway-Gerät 20 und der Vielzahl an drahtlosen Sensoren 16 verwendeten Übertragungsmuster können zwischen aufeinander folgenden Kommunikationsframes 32 variiert werden. Solch eine Varianz in den Übertragungsmustern kann eine noch weiter verbesserte und stabile drahtlose Kommunikation erreichen, da die Übertragungsmuster gemäß dem Arbeitszyklus von störenden Funkübertragungen variiert werden können, um In terferenzen damit zu vermeiden.
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In einer anderen Ausführungsform wird vom Gateway-Gerät 20 ein(e) Frequenzagilität/- springen zwischen den Kommunikationsframes 32 eingesetzt, um verfügbare Funkkanäle (z. B. aus einem 2,4 GHz-ISM-Band) auszuwählen, die nicht von anderen Gateways oder anderen Funksystemen verwendet werden. Das heißt, das Gateway-Gerät 20 (als Überwachungs-Gateway 29 in 1 dargestellt) ordnet Übertragungsfrequenzen an, die in einem nachfolgenden Kommunikationsframe 32 während seiner Beacon-Meldung 34 verwendet werden, um mindestens eine der durch das Gateway-Gerät 20 und die drahtlosen Sensoren 16 übertragenen Frequenzen auf eine zuvor ungenutzte Frequenz zu ändern. Das zusätzliche zwischen den Kommunikationsframes 32 verwendete Frequenzspringen gewährleistet ferner, dass die Übertragung der Beacon-Meldung 34 und den Datenpaketen 36 in dem NAP 10 (in 1 dargestellt) durch weiteres Erhöhen der Variabilität der Übertragungen erfolgreich ist. Das Gateway-Gerät 20 kann ebenfalls einen Satz aus Frequenzmustern für zukünftige Kommunikationen übertragen.
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Daher umfasst gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein drahtloses Patientenüberwachungssystem eine Vielzahl an Sensorknoten, die konfiguriert sind, um Patientendaten von einem Patienten und einem Gateway-Gerät in bidirektionaler drahtloser Kommunikation mit der Vielzahl an Sensorknoten für eine Vielzahl an definierten Kommunikationsframes zu erfassen. Das Gateway-Gerät ist konfiguriert, um eine Beacon-Meldung mit jeder der Vielzahl an Frequenzen an die Vielzahl an Sensorknoten zu übermitteln. Die Vielzahl an Sensorknoten ist ferner konfiguriert, um die Beacon-Meldung von dem Gateway-Gerät zu empfangen und die erfassten Patientendaten mit jeder der Vielzahl an Frequenzen an das Gateway-Gerät zu übertragen.
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Gemäß einem anderen Aspekt umfasst ein Verfahren zur Patientenüberwachung die folgenden Schritte: Anordnen einer Vielzahl drahtloser Sensoren auf einem Patienten, um Daten zum Gesundheitszustand zu erfassen, und Verbinden der Vielzahl drahtloser Sensoren mit einer Gateway-Steuereinrichtung, indem jedem der Vielzahl drahtloser Sensoren ein Zeitschlitz in dem operativen Frame zugewiesen wird. Das Verfahren umfasst ebenfalls die folgenden Schritte: Übertragen eines Beacon-Signals von der Gateway-Steuerung an die Vielzahl drahtloser Sensoren, um die drahtlosen Sensoren während eines operativen Frames zu aktivieren und die Daten zum Gesundheitszustand von der Vielzahl drahtloser Sensoren über eine Vielzahl an Datenpaketen während des operativen Frames in Antwort auf das Beacon-Signal an die Gateway-Steuerung zu übertragen. Entweder werden das Beacon-Signal oder die Datenpakete während des operativen Frames über einen ersten Frequenzkanal und einen zweiten Frequenzkanal übertragen.
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Gemäß einem noch anderen Aspekt umfasst ein drahtloses Sensorkommunikationssystem ein Sensornetzwerk, das konfiguriert ist, um Systemdaten aus einem überwachten System und einer in der Nähe des Sensornetzwerkes positionierten und in drahtloser Kommunikation damit stehenden Steuerung zu erfassen. Sowohl das Sensornetzwerk als auch die Steuerung sind konfiguriert, um drahtlose Signale sequentiell über einen ersten Frequenzkanal (F 1) und über einen zweiten Frequenzkanal (F2) zu übertragen und zu empfangen und mindestens einmal während jedem der Vielzahl an Kommunikationsframes zwischen dem ersten Frequenzkanal und dem zweiten Frequenzkanal zu schalten, wobei die drahtlosen Signale ein Aktivierungssignal und Systemdaten umfassen.
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Die vorliegende Erfindung wurde in Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben und es wird erkannt, dass Äquivalente, Alternativen und Modifikationen, neben den ausdrücklich genannten, möglich sind und in den Anwendungsbereich der angefügten Ansprüche fallen.
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Ein drahtloses Patientenüberwachungssystem bildet ein den Patienten umgebendes Netz (NAP) 10 und umfasst Sensorknoten 16, die konfiguriert sind, um Patientendaten von einem Patienten 14 zu erfassen. Ein Gateway-Gerät 20 steht in bidirektionaler drahtloser Kommunikation mit den Sensorknoten 16 für eine Vielzahl an definierten Kommunikationsframes 32. Das Gateway-Gerät 20 ist konfiguriert, um mit jeder der Vielzahl an Frequenzen eine Beacon-Meldung 34 an die Sensorknoten 16 zu übertragen. Die Sensorknoten 16 sind ferner konfiguriert, um die Beacon-Meldung 34 von dem Gateway-Gerät 20 zu empfangen und die erfassten Patientendaten mit jeder der Vielzahl an Frequenzen an das Gateway-Gerät 20 zu übertragen.
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- 10
- Den Patienten umgebendes Netzwerk (NAP)
- 12
- Gesundheitseinrichtung
- 14
- Patient
- 16
- Drahtlose Sensoren
- 20
- Gateway-Steuergerät
- 22
- Integrierter Sendeempfangsschaltung
- 24
- Mikrosteuerung
- 26
- Erfassungsgerät
- 28
- Infrastruktur
- 29
- Überwachungs-Gateway-Gerät
- 30
- Zeitschlitz
- 32
- Kommunikationsframes
- 34
- Beacon-Rundmeldung
- 36
- Datenpaket
- 38
- Zuweisungsintervall
- 40
- Beacon-Ausgangsmeldung
- 42
- Beacon-Folgemeldung
- 44
- Vorbestimmter Zeitraum
- 46
- Erster Sensorknoten
- 48
- Zweiter Sensorknoten
- 50
- Dritter Sensorknoten
- 52
- Vorbestimmter Zeitraum
- 54
- Subframe
- 56
- Subframe
- 58
- Schlitze
