CN101960746A - 利用以身体耦合通信进行医疗数据的流传输的无线患者监控 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线监控患者(4)的系统和方法，该系统包括用于收集医疗数据的医用传感器(1)和用于与监控器(3)耦合的耦合接口(2)。医用传感器(1)附着于患者(4)的身体，经由身体耦合通信(5)将医用传感器(1)收集的医疗数据发送到耦合接口(2)。优选地，通过身体耦合通信(5)向所述耦合接口(2)流传输所收集的医疗数据。通过这种方式，实现了仅需要很少功率的用于进行无线患者监控的安全可靠系统和方法。

Description

利用以身体耦合通信进行医疗数据的流传输的无线患者监控
技术领域
本发明涉及无线患者监控领域，尤其涉及利用附着于患者身体的医用传感器的超低功率无线患者监控。
背景技术
无线传感器网络(WSN)已经被大规模用于像患者监控的医疗应用，其中可以通过小的传感器节点平台测量生命体征(例如心电图(ECG)、光体积描记图(PPG)、脉搏血氧测定(SpO2)或脑电图(EEG))并发送到监控器进行可视化。这些节点形成一个网络，该网络经由RF传输并使用像例如IEEE 802.11、IEEE 802.15.4/Zigbee或Bluetooth的协议进行通信。所有这些无线电标准都消耗大量能量，并且不能用于需要非常长使用期限的应用，因为传感器节点平台使用的电池容量很小。
身体耦合通信(BCC)是一种在人体上传播电场以便在附着于人体的两个或更多装置之间发送信息的通信技术。在US 6211799中描述了用电容耦合通过人的身体发送数据和功率。
通常，对于利用BCC的这种系统而言，发送机和接收机都具有两个导电板，即，身体上一个和空中一个，用于传播电场并形成由人体和返回路径(即空气和地)构成的电路。这种系统可以工作在不同频率并能够达到几kbps的数据率。
发明内容
本发明的目的是提供一种安全可靠且仅需要很少功率的用于无线监控患者的系统和方法。
这一目的是通过一种用于无线监控患者的系统实现的，该系统包括
用于收集医疗数据的医用传感器，以及
用于与监控器耦合的耦合接口，其中
医用传感器附着于患者的身体，并且
通过身体耦合通信向耦合接口发送由医用传感器收集的医疗数据。
因此，本发明的重要创意是将医用传感器和耦合接口之间的通信限制为身体耦合通信。同使用医用传感器与接收机或像监控器的远程站的RF通信的现有技术相比，这样有若干优点。
与根据本发明的系统相比，RF系统至少多消耗十倍的能量。通常，WSN节点装备的是小容量电池，但必须要持续非常长的时间，典型的为数月。使用根据本发明的系统代替RF系统至少使传感器节点使用期限增大了十倍。此外，RF系统一般工作在2.4GHz。这个频率受到人体的强烈衰减，所发送信号的质量严重退化。
此外，工作在这一频率的现有RF系统的数量呈指数增加(例如IEEE802.11、IEEE 802.15.4/Zigbee或Bluetooth)，这一频带上高水平的干扰严重造成通信质量的下降，而医学应用需要最佳的数据传送率。从另一个角度看，引入工作在2.4GHz的新系统会降低所有其他也工作在该频率的现有系统性能，从而干扰例如医院当前的网络架构。
像Zigbee或Bluetooth的RF标准的通信传输层作用在于根据网络条件向一个节点提供最大数据率，同时向网络中的所有节点提供相等的数据率。与本发明相反，在信道空时这导致带宽的浪费，即能量的浪费，因为节点以比其采样速率更高的数据率发送，而在信道完全满的时候这导致信息损失，因为由于必须使用更低数据率，数据无法再及时到达。
此外，医疗数据对安全性非常敏感。通常，RF系统具有非常大的传播范围，使得该范围中的恶意节点能够窃听所发送数据。相反，根据本发明，上述系统发送的信息保持在人体上使得截取要困难得多，间谍要窃听医疗数据需要接触装备有根据本发明的监控系统的患者。
最后，为了在监控器上显示医疗数据，在范围内有很多监控器时，必须要将RF系统关联到一个特定监控器。此外，很多节点可能希望在同一屏幕上显示信息。因此，RF系统使用复杂网络协议来解决这些问题并在传感器节点和显示监控器之间实现可靠的对等连接。相反，对于根据本发明的系统的短传播范围而言，用户几乎不可能接触一个以上的监控器，因此该系统的通信协议栈更简单而更高效。
根据本发明的优选实施例，医用传感器适于以下测量之一：心电图(ECG)、光体积描记图(PPG)、脉搏血氧测定(SpO2)或脑电图(EEG)。
通常，根据本发明的系统可以仅装备单一医用传感器。不过，根据本发明的优选实施例，在患者身体上提供多个医用传感器。此外，根据本发明的优选实施例，通过身体耦合通信将多个医用传感器收集的医疗数据发送到同一耦合接口，耦合接口充当从多个医用传感器收集医疗数据的网关并将医疗数据重新发送到监控器。
可以通过多种不同方式将监控器与耦合接口耦合。不过，根据本发明的优选实施例，经由欧姆接触，优选经由用于患者的床、轮椅或助行器现有的导电设施将监控器与耦合接口耦合。这意味着能够为床、轮椅或助行器装备监控器，分别经由作为床、轮椅或助行器现有部分的例如金属装置接触监控器。
根据本发明的另一优选实施例，监控器包括在手持装置中。优选地，手持装置是像移动电话的移动装置。手持装置还可以装备有耦合接口，从而能够通过接触或接近人的皮肤与手持装置进行身体耦合通信。
此外，根据本发明的优选实施例，耦合接口包括适于与医用传感器进行身体耦合通信的导电板或片。
根据本发明的另一优选实施例，监控器经由无线连接与耦合接口耦合。于是，对于一侧的一个或多个医用传感器与另一侧的耦合接口之间的通信而言，使用身体耦合通信，使得该系统安全而有效率，而对于耦合接口与监控器的连接而言，提供无线连接，尤其是RF连接。于是，在多个医用传感器的情况下，耦合接口能够充当网关，无线连接使得能够在远处的位置，即在另一个房间或甚至另一栋楼中提供监控器。
通常，除了身体耦合通信之外，不需要用于发送医用传感器采集的医疗数据的任何额外通信系统。不过，根据本发明的优选实施例，提供RF应变(fallback)系统，以在医用传感器和耦合接口之间的身体耦合通信中断时向监控器进行医疗数据的RF发送。如果通过相应装备的床实现医用传感器到耦合接口，从而到监控器的耦合，而且患者离开床，可能会发生这种情况。
上述目的还通过一种用于无线监控患者的方法实现，该方法包括
在患者身体上收集医疗数据，
提供用于与监控器耦合的耦合接口，
经由身体耦合通信向耦合接口流传输所收集的医疗数据。
因此，在协议方面，根据本发明的方法的重要创意是对必须要在监控器上显示的所收集医疗数据进行流传输，以避免传输层上延迟通信并消耗更多能量的控制机制。由于几乎没有外来通信系统的干扰，例如对链路质量没有影响，因此系统的可靠性仍然非常高。
这意味着在能量消耗方面与现有技术的RF方案相比根据本发明的方法收益加倍：该方法自身比任何传统RF通信系统效率高得多，此外，针对实时应用优化了流传输协议且其比任何像TCP或Zigbee的传统传输协议有效得多，通常流传输协议可以是任何现有流传输协议，例如RTP或UDP。
根据本发明的优选实施例，实时向监控器流传输数据。此外，优选提供医用传感器和耦合接口之间的双向身体耦合通信。这提供了如下可能性：根据本发明的优选实施例，请求医用传感器开始测量并通过身体耦合通信经由耦合接口流传输医疗数据。优选由监控器或另一移动装置，例如与医用传感器进行BCC的手持装置执行这种请求。
附图说明
本发明的这些和其他方面将从下文描述的实施例中变得明显并参考这些实施例进行阐述。
在附图中：
图1示意性地描绘出根据本发明第一优选实施例用于无线监控患者的系统；
图2示意性地描绘出根据本发明第二优选实施例用于无线监控患者的系统；
图3a、b、c示意性地描绘出根据本发明第三优选实施例用于无线监控患者的系统；
图4示意性地描绘出根据本发明第四优选实施例用于无线监控患者的系统；以及
图5示意性地描绘出根据本发明第一优选实施例用于无线监控患者的系统。
具体实施方式
从图1可以示意性看出根据本发明第一优选实施例用于无线监控患者4的系统。根据本发明第一优选实施例的这个系统包括用于收集医疗数据的医用传感器1以及用于与监控器3耦合的耦合接口2，其中医用传感器1附着于患者4的身体。将医用传感器1收集的医疗数据经由身体耦合通信5发送到耦合接口。根据本发明的第一优选实施例，监控器3经由电连接6与耦合接口2耦合。该电连接6能够非常短，这意味着能够将耦合接口2集成到监控器3中。此外，监控器3自身能够适于与医用传感器1进行身体耦合通信5。
从图2可以示意性看到根据本发明第二优选实施例用于无线监控患者4的系统，与前面描述的系统相反，该系统在一侧的耦合接口2与另一侧的监控器3之间使用无线通信。此外，根据本发明的第二优选实施例，提供了两个医用传感器1，它们附着于患者4身体的不同位置并适于测量不同的医疗数据。因此，在这种情况下，耦合接口2充当着这两个医用传感器1采集的数据的网关并向能够远程提供的监控器3无线转发该数据。
根据从图3a可以看到的本发明的第三优选实施例，患者4佩戴着医用传感器1，医用传感器1在患者4的身体上对数据进行流传输。该数据由位于床7上的耦合接口2接收。该耦合接口2非常薄，大约为0.1mm，并被设计成叶形。因此，能够容易地将其放置在床7的床单8下方。该床边耦合接口2将数据重新发送到链接到床7的监控器3。图3b和3c示出了用于布置床边耦合接口2和监控器3的两种可能配置。
有两种可能用于链接床边耦合接口2和监控器3，从而实现BCC数据传输。如果如图3b所示，两个装置之间的路径充分导电，例如，床7的床架由金属制成，可以简单地利用BCC而无需任何额外装置由床边耦合接口2向监控器3发送数据。然而，如果床边耦合接口2和监控器3之间的路径导电不够好，如图3c所示，使用电缆6实现BCC数据传输。
根据本发明的本优选实施例，一旦打开医用传感器1，它就一直向监控器3流传输数据。这意味着在开启监控器3时，它向医用传感器1发送数据请求以便发起通信。当然，本实施例也适用于装备有监控器3的用于门诊患者的活动床、轮椅或任何种类的助行器。监控器3附着于床7、轮椅或助行器，因此，只要患者4躺在床7上，就始终能够发送医疗数据。如果患者4不再和床7接触，则根据本发明第三实施例的系统装备RF应变系统9，其中只要医用传感器1探测到缺失BCC链接，RF应变系统9就继续流传输医疗数据。
从图4可以看到根据本发明第四优选实施例的系统。尽管上文所述的本发明的优选实施例尤其适用于医院用途，但本优选实施例尤其是指用于居家保健的BCC医疗数据流传输。患者4佩戴着医用传感器1，医用传感器1在患者4的身体上流传输数据。该数据被适于经由患者4的身体与医用传感器1进行身体耦合通信的移动装置9接收。移动装置9可以是装备有用于显示医疗数据的屏幕的移动电话、PDA、音乐播放器、便携式电影播放器等。根据本发明的本优选实施例，医用传感器1是流媒体服务器并向移动装置9递送数据，而移动装置9请求获取信息且是流媒体客户端。
医用传感器1和移动装置9之间的数据交换由如下方案控制：在患者4希望查看其生命体征时，移动装置9请求获取数据。医用传感器1在前进到验证过程之后确认该请求并开始测量。然后，医用传感器1开始向移动装置9流传输数据。如果患者4不希望再看到其数据，移动装置9发送结束通信的请求。医用传感器1确认该请求并停止测量以便节省能量。
优选将医疗数据存储在移动装置9中，于是后来可以由患者4自己或医生查阅。
根据从图5可以看到的本发明的第五优选实施例，提供了用于居家保健的BCC医疗数据流媒体网关。患者4佩戴着医用传感器1，医用传感器1在患者4的身体上流传输数据。该数据被移动装置9接收，移动装置9例如是移动电话、具有通信能力的PDA等，充当着医用传感器1和监控器3之间的网关。它利用像802.11/Wifi、802.15.4/Zigbee、Bluetooth、GSM、UMTS、LTE等RF协议向监控器3转发经由BCC从医用传感器1接收的数据。
根据本发明的该优选实施例，可以由自己在医院的医生监控在家中的患者4。患者4可以在其移动装置9上看到医疗数据，医生能够在医院的监控器3上看到数据。由以下方案控制这两个装置之间的数据交换：
监控器3在启动移动装置9时向其请求数据。然后，移动装置9向医用传感器1请求获取数据。医用传感器1在进行到验证过程之后确认该请求并开始测量。然后，医用传感器1开始向移动装置9流传输数据，移动装置9向医院中的监控器3转发数据。如果医生不希望再看到患者数据，监控器3向移动装置9发送结束通信的请求。移动装置9向医用传感器1转发该请求。医用传感器1确认该请求并停止测量以便节省能量。最后，移动装置9向监控器转发该确认。
可以将本发明应用于医疗领域，尤其是需要一直进行患者监控的医院中。在医院中大规模部署无线患者监控方案的情况下，利用现有技术的RF方案，在电池更换和管理方面成本可能非常高。本发明不仅提供了更可靠的医疗数据发送，而且还是用于无线患者监控的超低功率方案，因此通过抑制电池寿命的繁重管理工作降低了医院的成本。此外，还可以将本发明应用于居家保健，具有低风险的患者需要一直被监控但仍然能够呆在家里。
尽管已经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但要将这种图示和描述视为例示性或示范性的而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。
本领域的技术人员在实践所要求保护的发明时，通过研究附图、说明书和权利要求，可以理解和实施所公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”不排除复数。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施不表示不能有利地采用这些措施的组合。不应将权利要求中的任何附图标记推断为限制范围。

Claims (12)

1.一种用于无线监控患者(4)的系统，所述系统包括
用于收集医疗数据的医用传感器(1)，以及
用于与监控器(3)耦合的耦合接口(2)，其中
所述医用传感器(1)附着于所述患者(4)的身体，并且
经由身体耦合通信(5)将由所述医用传感器(1)收集的医疗数据发送到所述耦合接口(2)。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，在所述患者(4)的身体上提供多个医用传感器(1)。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，经由身体耦合通信(5)将由多个医用传感器(1)收集的医疗数据发送到同一耦合接口(2)，所述耦合接口(2)充当用于从所述多个医用传感器(1)收集所述医疗数据的网关且向所述监控器(3)重新发送所述医疗数据。
4.根据权利要求1到3的任一项所述的系统，其中，所述监控器(3)经由欧姆接触，优选经由用于所述患者(4)的床(7)、轮椅或助行器现有的导电设施与所述耦合接口(2)耦合。
5.根据权利要求1到3的任一项所述的系统，其中，所述监控器(3)经由无线连接与所述耦合接口(2)耦合。
6.根据权利要求1到5的任一项所述的系统，其中，所述监控器(3)包括在移动装置(9)中。
7.根据权利要求1到6的任一项所述的系统，其中，所述耦合接口(2)包括适于与所述医用传感器(1)进行身体耦合通信(5)的导电板或片。
8.根据权利要求1到7的任一项所述的系统，其中，提供RF应变系统(10)，以在所述医用传感器(1)和所述耦合接口(2)之间的身体耦合通信(5)中断时向所述监控器(3)RF发送所述医疗数据。
9.一种用于无线监控患者(4)的方法，所述方法包括
在所述患者(4)身体上收集医疗数据，
提供用于与监控器(3)耦合的耦合接口(2)，
经由身体耦合通信(5)向所述耦合接口(2)流传输所收集的医疗数据。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，进一步向所述监控器(3)流传输，优选实时地流传输所述数据。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中，提供所述医用传感器(1)和所述耦合接口(2)之间的双向身体耦合通信(5)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，请求所述医用传感器(2)开始测量并通过身体耦合通信(5)经由所述耦合接口(2)流传输医疗数据。
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