CN105407962B - 自动外部传感器接口 - Google Patents
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Abstract
一种具有传感器接口的监测器设备包括连接器部分(402)，所述连接器部分被配置为与预定类型的一个或多个传感器机械接合。硬件接口层(306)被配置为确定传感器类型并建立与传感器类型的通信接口。硬件抽象层(304)被配置为存储与预定类型的一个或多个传感器对应的多个协议。所述硬件抽象层通过通信接口使用针对该类型的选定协议与传感器通信，以允许所述设备与传感器类型之间的交互。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械，并且更具体而言，涉及一种接口连接系统，以确保医疗应用中使用合适的硬件。
背景技术
监测患者生命特征的医疗设备使用各种类型的传感器来将患者的生理活动转换为电信号。电信号能够提供用于数字测量和时变波的基础，其能够被显示并用于检测报警条件。一个示例是通过测量患者呼出的气体中所吸收的红外光的量来测量潮气末二氧化碳EtCO2的传感器。
传感器能够被物理地安装在患者监测设备的内部。备选地，它们能够被制造作为独立模块，通过线缆插入监测设备上的端口内。外部传感器的潜在优势是终端用户能够选择多个备选的兼容的传感器类型中的哪一个来使用。
传统系统使用行业标准接口协议和通用连接器。用于医疗设备的行业标准接口协议的示意性示例是蓝牙健康设备概要(HDP)。该标准定义了用于与医疗设备交换数据的应用程序接口(API)。具体支持的设备包括诸如脉搏血氧计、血压监测器、血糖计和热量计的传感器。供应商能够设计他们的传感器产品以遵从这些标准协议。执行相关HDP的任何患者监测设备能够与兼容的传感器交换数据。
通用连接器类似于行业标准协议，其中它定义了标准协议接口。另外，它定义了电气和机械或物理接口。示例是通用串行总线(USB)。USB允许多种类型的设备被连接至主机。
行业标准协议和通用连接器旨在用于无限的适用性，允许任何时刻引入新的兼容性产品。该通用性使得患者监测设备厂商不可能验证与每个传感器的兼容性和安全性。美国专利公布号No.2004/0122490公开了一种可植入医疗设备通信系统。
发明内容
根据该原理，描述了用于提供患者监测设备上的端口的机构和方法，其将接收各种不同的传感器类型并自动确定连接哪种类型的传感器。该机构还提供安全装置以确保仅使用授权的传感器。另外，兼容传感器的性能可以由该机构评估以确保所有特征或性能被理解并能够被利用。
在一个实施例中，一种具有传感器接口的监测器设备包括连接器部分，所述连接器部分被配置为与预定类型的一个或多个传感器机械接合。能够使用多层方法来确定兼容性。例如，可以软件实现的硬件接口层被配置为确定传感器类型并建立与传感器类型的通信接口。可以包括硬件和软件部分的硬件抽象层被配置为存储与预定类型的一个或多个传感器对应的多个协议。硬件抽象层通过通信接口使用针对该类型的选定协议与传感器通信，以允许设备与传感器类型之间的交互。
具有传感器接口的另一监测器设备包括连接器部分，所述连接器部分被配置为与预定类型的一个或多个传感器机械接合。包括三层面机构，用于确定传感器兼容性并提供与仅兼容传感器类型的通信。所述三层面机构还包括：硬件接口层，其被配置为确定传感器类型并建立与传感器类型的通信接口；硬件抽象层，其被配置为存储与预定类型的一个或多个传感器对应的多个协议；硬件抽象层通过通信接口使用针对该类型的选定协议与传感器通信，以允许设备与传感器类型之间的交互；以及，设备应用，其被配置为通过硬件接口层和硬件抽象层与兼容传感器交互。
一种用于验证传感器类型的兼容性的方法，包括通过尝试将传感器连接至监测设备来确定传感器类型是否与监测设备机械兼容；如果机械兼容，使用传感器检测单元来识别传感器类型；通过硬件接口层建立与机械兼容传感器类型的通信接口；并且，使用针对该传感器类型的选定协议来通过通信接口与传感器类型通信，选定协议被存储在硬件抽象层中，以允许监测设备与传感器类型之间的交互。
本公开的这些和其他目标、特征和优点将通过下述示例实施方式的详细描述而变得显而易见，其将结合附图来理解。
附图说明
本发明将参考以下附图详细地呈现优选实施例的下述描述，其中：
图1是示出根据一个实施例的具有传感器接口和感测系统的监测设备或系统的方框/流程图；
图2是示出根据有用实施例的针对用于专门提供机械兼容和机械不兼容的连接器对的插头和插座的示例性配置的透视图；
图3是示出根据一个实施例的用于识别传感器并与传感器通信的三层面机构的方框/流程图；
图4是示出根据一个实施例的更详细的图3的三层面机构的方框/流程图；以及
图5是示出根据示例性实施例的用于识别传感器并与传感器通信的方法的流程图。
具体实施方式
根据本原理，描述了用于提供患者监测设备上的端口的机构和方法，其将接收各种不同的传感器类型并自动确定连接哪种类型的传感器。该机构还提供安全装置，以确保仅使用授权的传感器。
医疗设备需要经过验证以确保该设备满足其确认要求并且该设备对于临床使用是安全且有效的。在外部传感器与患者监测设备一起使用时，外部传感器被认为是整个医疗设备的部分。因此，需要利用其兼容传感器中的每个验证并确认患者监测设备的功能性、安全性和功效。
与通用或标准连接器相反，本机构旨在用于非常有限的适用性，从而患者监测设备厂商能够预选择有限组的兼容传感器并验证每个授权的传感器满足针对功能性、安全性和功效的所有系统层要求。
还应当理解的是，本发明将根据医疗器械来描述；然而，本发明的教导更宽泛，并适用于任何接线的器械或系统。在一些实施例中，在针对复杂生理或机械系统的应用中利用本原理。具体地，本原理可应用于诸如肺部、胃肠道、排泄器官、血管等的人体所有区域中的生理系统、过程的内部跟踪或测试设备。附图中描绘的元件可以硬件和软件的各种组合来实现并提供可以在单个元件或多个元件组合的功能。
附图中示出的各个元件的功能能够通过专用硬件以及能够执行与合适软件相关的软件的硬件的使用来提供。在由处理器提供时，能够通过单个专用处理器、通过单个共享处理器、或通过其中一些能够共享的多个单独处理器来提供功能。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应当解释为仅仅指代能够执行软件的硬件，并能够隐含地而非限制地包括数字信号处理器(“DSP”)硬件、用于存储软件的只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“RAM”)、非易失性存储器等。
此外，本文中叙述本发明的原理、方面和实施例的所有表述以及其具体示例旨在涵盖其结构和功能等效方案。另外，这样的等效方案包括当前已知的等效方案以及未来开发的等效方案(即，执行相同功能的所开发的任何元件，而不论结构如何)。因此，例如，本领域技术人员将意识到，本文中呈现的方框图表示体现本发明原理的示例性系统部件和/或电路的概念视图。类似地，将意识到，任何流程表、流程图和类似呈现的各种过程可以在计算机可读存储介质中基本呈现并因此由计算机或处理器执行，不论这样的计算机或处理器是否被明确示出。
此外，本发明的实施例能够采用可从计算机可用或计算机可读存储介质读取的计算机程序产品的形式，其提供由计算机或任何指令执行系统使用或者与之结合使用的程序代码。为了该描述的目的，计算机可用或计算机可读存储介质能够是任何设备，其可以包括、存储、通信、传播、或传输用于由指令执行系统、装置、或设备使用或者与之结合使用的程序。该介质能够是电子、磁性、光学、电磁、红外或半导体系统(或装置或设备)或传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前示例包括光盘只读存储器(CD-ROM)、光盘-读/写(CD-R/W)、蓝光光碟和DVD。
现在参考附图，其中相似数字表示相同或相似的元件，并首先参考图1，具有传感器检测和通信模块106的系统100。根据一个实施例，系统100包括患者监测器设备112，诸如除颤器或其他监测器设备。除颤器或监测器设备示意性地用作为示例。根据本原理也可以利用其他设备或系统。监测器设备112可包括一个或多个处理器114和用于存储程序和应用的存储器116。传感器检测和通信模块106可以包括用于传感器检测的电路。模块106可以包括硬件(逻辑电路)、软件或两者的组合。在一个实施例中，模块106包括逻辑门或电路，所述逻辑门或电路被配置为识别并归类传感器和传感器类型。应当理解，逻辑也可以以软件实现，或可以利用硬件和软件的组合。软件部分可以被存储在存储器116中，尽管可以利用其他存储元件，例如缓存器。
连接器感测模块115被配置为解读来自连接器的反馈信号。连接器感测模块115可以包括逻辑电路或者可以利用软件和电路的任何组合。连接器感测模块115与传感器108通信以确定传感器108与监测器设备112之间的兼容性。兼容传感器108的每个可以具有电缆105，所述电缆具有与患者监测器设备112上的插座端口或插座104配合的连接器插头110。电源和信号经由插座104内的预定插销而被路由。除了电源之外，电连接可以包括一个或多个串行数据连接、传感器类型识别信号线路，并且还可以包括其他模拟或数字信号线路。信号线路或电缆105可以包括电导体、光纤等。在监测器设备112内，具有用于与传感器108通信的多层面机构。在识别一个或多个传感器108后，可以执行被存储在存储器116内的传感器应用124以实现一个或多个传感器108的合适使用。
在一些实施例中，监测器设备112可以包括显示器118，以允许用户与监测器设备112及其组件和功能、或系统100内的任何其他元件交互。这还由用户接口120促进，其可以包括键盘、鼠标、操纵杆、触觉设备或任何其他外围设备或控制器，以允许来自监测器设备112的用户反馈以及与监测器设备112交互。监测器设备112可以包括其他特征134，诸如电击叶片、其他电子设备或特征，等。
参考图2并继续参考图1，示出描绘监测器设备112与传感器108之间的硬件连接的示例以示意性地说明如何能够使插座与一个传感器或一组传感器兼容。插座104被设置在患者监测器设备112的外表面上。该插座104物理地配合外部传感器108上的连接器插头110。连接器插头110和插座104的形状和颜色可以被匹配，以使得用户更容易地定位正确的一个或多个插座。另外，插座104被成形和/或键控的，适应所有兼容传感器108以及仅兼容传感器。
连接器键控策略能够以多层面实现，以允许传感器108与监测器设备(112)的不同组合。例如，插座226支持传感器220和222。但是，插座224仅支持传感器220。传感器220和222包括多个导体或销208。中心插头部分202包括分别针对传感器220和传感器222的槽206和平台204或键210。键210被设计以使得插座224将不配合传感器222。插座224和226包括键槽214和导电肋(conductive rib)215，其被容纳在槽206中。插座224包括配合平台212，并且插座226包括配合槽216。平台204适配配合平台212。销208被容纳在插口218内。传感器220与平台204均适配插座224和226。传感器222与键210仅适配插座226。应当理解，该示例仅表示一个示意性方案并且能够预想到其他布置。可以在传感器220或222或插座224和226上提供例如键或狭槽的其他特征，以根据需要提供更多变换/组合。
被提供在接口上的电信号水平和连接(例如，销208至插口218)需要匹配所有兼容传感器的需求。用于电源、接地和数据信号的连接器销208需要兼容所有工作传感器/插座对。
参考图3并继续参考图1，在监测器设备112中，具有用于传感器检测并且与传感器108通信的三层面机构300。在图1中，三层面机构300被包括在连接器感测模块115、传感器检测和通信模块106和传感器应用124内。在图3中，三层机构300分别转换为硬件接口层306、硬件抽象层304和设备应用302。
在传感器108机械地适配至监测器设备112的插座内时，监测器设备112需要确定传感器108是否通过硬件传感器检测电路或硬件接口层306和使用硬件抽象层304和/或设备应用302中的一个或多个的兼容协议的软件批准的组合而在连接/信号水平上兼容。监测器设备112然后能够利用验证的软件和协议来与识别的兼容传感器通信。
在一个示意的实施方式中，监视器/除颤器被用于监测器设备112。监测器设备112与体外EtCO2传感器的多个类型可兼容，例如类型310、312、314。EtCO2传感器由不同厂商提供并包括侧流和主流CO2测量技术，例如提供外部主流传感器(Capnostat 5TM)和外部侧流传感器(LoFloTM)，并且CovidienTM(OridionTM)提供外部侧流传感器(MicroPodTM)。在该示例中，传感器108包括三种类型310、312和314。
备选的兼容传感器108每个具有电缆320，所述电缆具有连接器插头322，所述连接器插头配合患者监测器设备112上的插座104。电源和信号经由连接器中的预定插销(插头322至插座104)而被路由。除了电源之外，电连接可以包括一个或多个串行数据连接、传感器类型识别信号线路、光纤链接、无线链接(例如，插头322与各个传感器类型310、312、314之间)以及任何其他模拟或数字信号线路。应当理解，尽管插座104显示在监测器设备112上；监测器设备112可以包括用于接合传感器的插座的插头，或可以利用插头和插座的组合。
参考图4，更加详细地示出了用于传感器检测和通信的三层面机构300。硬件接口层306包括传感器检测电路404、多路复用设备，诸如现场可编程门阵列(FPGA)406、以及功率调节电路408。传感器检测电路404确定是否连接传感器，例如在没有传感器被连接至传感器输入/输出(IO)插座402时(也参见插座104)，在传感器类型识别信号线路上检测到开路。在传感器被连接时，传感器在传感器类型信号线路上输出信号，其唯一地指示所连接的传感器的类型(例如，传感器类型310、312、314等)。
传感器检测电路404可以包括逻辑电路。传感器检测电路404的输出可以包括下述可能的逻辑值：没有传感器连接；未辨识的传感器连接；传感器类型310连接；传感器类型312连接；等等，针对其他兼容传感器。FPGA406提供用于硬件抽象层304的软件的接口，用于读取传感器检测电路404的输出，加上FPGA 406包括通用异步接收器/发送器(UART)，用于通过插座402与传感器串行数据通信。硬件接口层306还使用功率调节电路408以为被连接至插座402的传感器提供经调节的功率。
硬件抽象层304提供协议类型的灵活性，以及因此与监测器设备112一起使用的传感器类型的灵活性。硬件抽象层304不需要所有兼容传感器使用相同数据通信协议。每个传感器类型能够在串行数据连接上使用不同的通信协议。该机构的硬件抽象层(304)包括多个存储的协议410(例如，协议A至N)。硬件抽象层304自动地适于连同所连接的传感器来使用协议410。硬件抽象层304内执行的软件周期性地检查传感器检测电路404的输出(经由FPGA 406)以确定是否已经插入传感器。在传感器被连接时，传感器检测电路404的输出用于确定利用哪个传感器协议410。
设备的选定的传感器协议软件(协议410)设置波特率(baud rate)并尝试使用其协议与所连接的传感器(108)通信。如果传感器不准确地响应该协议，传感器是不兼容的，并且错误消息被呈现在监测设备显示器118上(图1)。如果传感器准确地做出响应，监测器设备112已经确定了所连接的传感器的类型并且针对该传感器的验证软件协议410用于与该传感器通信。如果传感器检测电路指示已经连接不兼容传感器，监测器设备112也呈现错误消息。
由于硬件抽象层304提供关于连接的传感器类型的透明度，设备应用302不需要针对每个传感器定制通信软件。处理多个传感器的复杂性被封装在硬件抽象层304内。设备应用302负责支持特定于传感器类型的任何功能。例如，一种传感器类型需要被校准或者各种传感器类型可能会检测到不同错误状态。设备应用302处理校准方法、错误信息的生成等。
设备应用302还可以控制数据采集功能、检查传感器的规格等。根据本原理，用户能够连接任何若干不同类型的传感器，并且监测器设备112将自动辨识哪个传感器被连接。所连接的传感器类型不仅被辨识还将基于传感器类型为监测器设备112提供对传感器性能的理解。以这种方式，插入插座内的传感器将使得其全部功能可用。
参考图5，根据有用实施例示意性地示出了验证传感器类型的兼容性的方法。在方框502中，通过尝试将传感器连接至监测设备来进行对传感器类型是否与监测设备机械兼容的确定。在方框504中，这可以包括提供监测设备与预选的传感器类型之间具有机械兼容性的配合连接器。预先地确定预选的传感器类型与监测设备兼容。在方框506中，提供在传感器类型信号线路上输出的信号，以唯一地指示传感器类型。在方框508中，通过提供具有不可兼容的接合特征的连接器部分来阻止非预定类型的传感器与监测设备的连接。
在方框510中，如果是机械兼容的，使用传感器检测电路来识别传感器类型。非机械兼容的传感器不能够被连接至监测设备，如方框508中所描述的。在方框514中，通过硬件接口层建立与机械兼容传感器类型的通信接口。这可以包括多路复用设备或FPGA，以完成硬件接口层上的接口连接。在方框516中，建立通信接口包括根据传感器检测电路的输出与硬件抽象层的协议进行接口连接。
在方框518中，使用针对该传感器类型的选定的协议通过通信接口来执行与传感器类型的通信。选定的协议被存储在硬件抽象层中，以允许监测设备与传感器类型之间的交互。在方框520中，如果没有协议与传感器类型兼容，警告用户传感器与监测设备不兼容。
在解释所附权利要求书时，应当理解：
a)“包括”一词不排除给定权利要求中列举的那些以外的其他元件或动作的存在；
b)在元件之前的单词“一”或“一个”不排除多个该元件的存在；
c)权利要求书中的任何参考标记不限定它们的范围；
d)数个“工具”可通过相同项或硬件或软件执行的结构或功能来表示；以及
e)不旨在要求动作的特定序列，除非具体指出。
已经描述了自动外部传感器接口的优选实施例(其旨在为示意性且非限制性的)，应当指出，本领域技术人员能够根据上述教导做出修改和变体。因此，能够理解，可以在所公开的本发明的特定实施方式中做出变化，它们处于由所附权利要求书概述的本文所公开的实施例的范围内。因此，已经描述了由专利法要求的细节和特异性，由专利特许所要求和期望保护的内容在所附权利要求书中说明。
Claims (15)
1.一种具有传感器接口的监测器设备，包括：
连接器部分，其被配置为与预定类型的一个或多个传感器机械接合；
硬件接口层(306)，其被配置为确定传感器类型并建立与所述传感器类型的传感器进行通信的通信接口；以及
硬件抽象层(304)，其被配置为存储与预定类型的所述一个或多个传感器对应的多个协议，所述硬件抽象层通过所述通信接口使用针对所述传感器类型的选定的协议与所述传感器通信，以允许所述监测器设备与所述传感器类型的所述传感器之间的交互。
2.如权利要求1所述的监测器设备，其中，所述硬件接口层包括传感器检测电路(404)，所述传感器检测电路被配置为感测传感器何时被连接并且确定所述传感器类型。
3.如权利要求2所述的监测器设备，其中，所述硬件接口层还包括多路复用设备，所述多路复用设备被配置为根据所述传感器检测电路的输出而接合所述硬件抽象层的协议。
4.如权利要求3所述的监测器设备，其中，所述多路复用设备包括现场可编程门阵列(406)，所述现场可编程门阵列具有通用异步接收器/发送器(UART)，用于与被连接至所述监测器设备的传感器进行串行数据通信。
5.如权利要求1所述的监测器设备，其中，所述硬件接口层包括功率调节电路(408)以为被连接至所述监测器设备的传感器提供经调节的功率。
6.如权利要求1所述的监测器设备，其中，所述连接器部分包括啮合特征，所述啮合特征阻止针对不是所述预定类型的传感器的连接。
7.如权利要求1所述的监测器设备，其中，所述监测器设备(112)包括除颤器。
8.一种具有传感器接口的监测器设备，包括：
连接器部分，其被配置为与预定类型的一个或多个传感器机械接合；以及
三层面机构(300)，其用于识别传感器兼容性，并且提供仅与兼容的传感器类型的传感器的通信，所述三层面机构包括：
硬件接口层(306)，其被配置为确定传感器类型，并且建立与所述传感器类型的传感器进行通信的通信接口；
硬件抽象层(304)，其被配置为存储与预定类型的所述一个或多个传感器对应的多个协议，所述硬件抽象层通过所述通信接口使用针对所述传感器类型的选定的协议与所述传感器通信，以允许所述监测器设备与所述传感器类型的所述传感器之间的交互；以及
设备应用(302)，其被配置为通过所述硬件接口层和所述硬件抽象层与兼容的传感器交互。
9.如权利要求8所述的监测器设备，其中，所述硬件接口层包括传感器检测电路(404)，所述传感器检测电路被配置为感测传感器何时被连接并且确定所述传感器类型。
10.如权利要求9所述的监测器设备，其中，所述硬件接口层还包括多路复用设备，所述多路复用设备被配置为根据所述传感器检测电路的输出而接合所述硬件抽象层的协议。
11.如权利要求10所述的监测器设备，其中，所述多路复用设备包括现场可编程门阵列(406)，所述现场可编程门阵列具有通用异步接收器/发送器(UART)，用于与被连接至所述监测器设备的传感器的串行数据通信。
12.如权利要求8所述的监测器设备，其中，所述硬件接口层包括功率调节电路(408)以为被连接至所述监测器设备的传感器提供经调节的功率。
13.如权利要求8所述的监测器设备，其中，所述连接器部分包括啮合特征，所述啮合特征阻止针对不是所述预定类型的传感器的连接。
14.如权利要求8所述的监测器设备，其中，所述监测器设备(112)包括除颤器。
15.一种用于验证传感器类型的兼容性的方法，包括：
通过尝试将传感器连接至监测设备来确定(502)传感器类型是否与所述监测设备机械兼容；
如果机械兼容，则使用传感器检测电路来识别(510)传感器类型；
通过硬件接口层建立(514)与机械兼容的传感器类型的传感器进行通信的通信接口；并且
通过所述通信接口使用针对所述传感器类型的选定的协议来与所述传感器类型的传感器通信(518)，选定的协议被存储在硬件抽象层中，以允许所述监测设备与所述传感器类型的所述传感器之间的交互。
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