CN113316413A - 用于测量哺乳动物受试者生理参数的传感器网络和其应用 - Google Patents
用于测量哺乳动物受试者生理参数的传感器网络和其应用 Download PDFInfo
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- A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
- A61B5/026—Measuring blood flow
- A61B5/0261—Measuring blood flow using optical means, e.g. infrared light
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/08—Detecting, measuring or recording devices for evaluating the respiratory organs
- A61B5/0816—Measuring devices for examining respiratory frequency
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- A—HUMAN NECESSITIES
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- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/103—Detecting, measuring or recording devices for testing the shape, pattern, colour, size or movement of the body or parts thereof, for diagnostic purposes
- A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor, mobility of a limb
-
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- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
- A61B5/14542—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring blood gases
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- A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
- A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
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- A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
- A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
- A61B5/14551—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
- A61B5/14552—Details of sensors specially adapted therefor
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- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/251—Means for maintaining electrode contact with the body
- A61B5/257—Means for maintaining electrode contact with the body using adhesive means, e.g. adhesive pads or tapes
- A61B5/259—Means for maintaining electrode contact with the body using adhesive means, e.g. adhesive pads or tapes using conductive adhesive means, e.g. gels
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- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/279—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses
- A61B5/28—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electrocardiography [ECG]
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- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/25—Bioelectric electrodes therefor
- A61B5/279—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses
- A61B5/28—Bioelectric electrodes therefor specially adapted for particular uses for electrocardiography [ECG]
- A61B5/282—Holders for multiple electrodes
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- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/24—Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
- A61B5/316—Modalities, i.e. specific diagnostic methods
- A61B5/318—Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]
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- A61B5/349—Detecting specific parameters of the electrocardiograph cycle
- A61B5/352—Detecting R peaks, e.g. for synchronising diagnostic apparatus; Estimating R-R interval
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- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
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- A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
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- A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
- A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
- A61B5/6823—Trunk, e.g., chest, back, abdomen, hip
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- A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
- A61B5/6801—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be attached to or worn on the body surface
- A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
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- A61B5/6813—Specially adapted to be attached to a specific body part
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- A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
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- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
- G16H40/00—ICT specially adapted for the management or administration of healthcare resources or facilities; ICT specially adapted for the management or operation of medical equipment or devices
- G16H40/60—ICT specially adapted for the management or administration of healthcare resources or facilities; ICT specially adapted for the management or operation of medical equipment or devices for the operation of medical equipment or devices
- G16H40/63—ICT specially adapted for the management or administration of healthcare resources or facilities; ICT specially adapted for the management or operation of medical equipment or devices for the operation of medical equipment or devices for local operation
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- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
- G16H40/00—ICT specially adapted for the management or administration of healthcare resources or facilities; ICT specially adapted for the management or operation of medical equipment or devices
- G16H40/60—ICT specially adapted for the management or administration of healthcare resources or facilities; ICT specially adapted for the management or operation of medical equipment or devices for the operation of medical equipment or devices
- G16H40/67—ICT specially adapted for the management or administration of healthcare resources or facilities; ICT specially adapted for the management or operation of medical equipment or devices for the operation of medical equipment or devices for remote operation
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- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
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- G16H50/50—ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics for simulation or modelling of medical disorders
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- G—PHYSICS
- G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
- G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
- G16H80/00—ICT specially adapted for facilitating communication between medical practitioners or patients, e.g. for collaborative diagnosis, therapy or health monitoring
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
- H04L67/01—Protocols
- H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
- H04W4/00—Services specially adapted for wireless communication networks; Facilities therefor
- H04W4/80—Services using short range communication, e.g. near-field communication [NFC], radio-frequency identification [RFID] or low energy communication
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2503/00—Evaluating a particular growth phase or type of persons or animals
- A61B2503/04—Babies, e.g. for SIDS detection
- A61B2503/045—Newborns, e.g. premature baby monitoring
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2503/00—Evaluating a particular growth phase or type of persons or animals
- A61B2503/40—Animals
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2560/00—Constructional details of operational features of apparatus; Accessories for medical measuring apparatus
- A61B2560/02—Operational features
- A61B2560/0204—Operational features of power management
- A61B2560/0214—Operational features of power management of power generation or supply
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
- A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
- A61B2562/0204—Acoustic sensors
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
- A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
- A61B2562/0219—Inertial sensors, e.g. accelerometers, gyroscopes, tilt switches
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
- A61B2562/02—Details of sensors specially adapted for in-vivo measurements
- A61B2562/0271—Thermal or temperature sensors
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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- A61B2562/16—Details of sensor housings or probes; Details of structural supports for sensors
- A61B2562/162—Capsule shaped sensor housings, e.g. for swallowing or implantation
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
- A61B2562/16—Details of sensor housings or probes; Details of structural supports for sensors
- A61B2562/164—Details of sensor housings or probes; Details of structural supports for sensors the sensor is mounted in or on a conformable substrate or carrier
-
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- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B2562/00—Details of sensors; Constructional details of sensor housings or probes; Accessories for sensors
- A61B2562/22—Arrangements of medical sensors with cables or leads; Connectors or couplings specifically adapted for medical sensors
- A61B2562/225—Connectors or couplings
- A61B2562/227—Sensors with electrical connectors
-
- A—HUMAN NECESSITIES
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- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
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Abstract
一种用于测量哺乳动物受试者的生理参数的传感器网络包含彼此时间同步的多个空间分离的传感器系统。所述多个空间分离的传感器系统中的每一个附接到所述哺乳动物受试者的相应位置，并且包含：传感器构件，其用于测量至少一个生理参数；片上系统(SoC)，其具有耦合到所述传感器构件的微处理器，以用于从所述传感器构件接收数据并且处理接收到的数据；以及收发器，其耦合到所述SoC以用于无线数据传输和无线功率采集。所述传感器网络还包含微控制器单元(MCU)，所述微控制器单元适合于与所述多个空间分离的传感器系统进行无线通信，以将数据无线传入和传出所述多个空间分离的传感器系统。
Description
相关申请的交叉引用
本PCT申请要求第62/753,303、62/753,453和62/753,625号美国临时专利申请的优先权和权益，所述专利申请中的每一个在2018年10月31日提交并且分别通过引用以其全文结合在此。
本PCT申请涉及约翰·A.·罗杰斯(John A.Rogers)等人的代理人案号为0116936.213WO2的标题为“用于测量哺乳动物受试者的生理参数的设备和方法以及其应用”的共同待决PCT专利申请，以及约翰·A.·罗杰斯(John A.Rogers)等人的代理人案号为0116936.215US2的标题为“用于无创地测量哺乳动物受试者的血压的设备和方法”的共同待决美国专利申请，所述专利申请中的每一个在此PCT申请提交的同一天提交且与本申请具有相同受让人，并且分别通过引用以其全文结合在此。
在本发明的实施方式中引用并论述一些参考文献，其可以包含专利、专利申请和各种公开案。所述参考文献的引用和/或讨论仅仅为了阐明本发明的实施方式而提供，并且并不是承认任何所述参考文献是在此所描述的本发明的“现有技术”。在本说明书中引用和讨论的所有参考文献都以全文引用的方式并入本文中，并且以如同每一参考文献都是以引用的方式单独地并入的相同程度并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及医疗保健，且更确切地说，涉及用于测量哺乳动物受试者的生理参数的传感器网络以及其应用。
背景技术
本文中提供的背景描述是出于大体上呈现本发明的上下文的目的。发明背景部分中论述的主题不应由于其在发明背景部分中提到而仅仅假设成现有技术。类似地，在本发明的背景部分中提到的或与本发明的背景部分的主题相关联的问题不应被假定为先前已经在现有技术中得到识别。发明背景部分中的主题仅表示不同方法，其本身还可以是发明。在此发明背景部分中所描述的程度上，当前署名的发明人的工作以及在提交时不能作为现有技术的本说明书的各方面既不明确地也不隐含地被视为本发明的现有技术。
每年美国有30万新生儿进入新生儿护理部(NICU)。全球胎儿和新生儿护理设备市场预计将从2016年的73.2亿美元增长到2022年的118.6亿美元。然而，自20世纪70年代以来，生命体征监测系统在很大程度上一直处于锁定状态。具有大量导线的大型基本单元仍然附接到许多电极。
持续监测NICU中的生命体征对于危重新生儿的存活至关重要。然而，NICU中的常规医疗平台无法提供以患者为中心的安全操作模式，这在很大程度上是由于对新生儿的脆弱且发育不全的皮肤使用了硬接线的刚性界面。因此，对于产妇/胎儿以及新生儿健康中的重症监护应用，持续监测生命体征需要能够满足独特需求的新技术。低皮肤装置界面压力源需要小巧但可调适的形状因数。更高的信噪比要求专门的处理和算法即使在高运动伪影期间也能够精确地收集生命体征。
因此，在本领域中存在迄今为止未解决的对于解决前述缺陷和不足的需要。
发明内容
本发明的一个方面是提供一种新型无线可穿戴传感器，所述无线可穿戴传感器能够以高度联网和同步的方式概括护理标准监测系统并与儿科健康中的部署相关。这些无线可穿戴传感器处于联网配置以促进符合临床护理的严格要求的实时数据处理、分析和安全特征。传感器网络具有先进的监测能力和更大的安全特征，并且适用于无线生命体征监测系统尚未渗透到新生儿护理中的低资源环境，以及即时系统表示用于新生儿监测的最前沿下一代系统的高资源环境两者。
在一个方面中，本发明涉及一种用于测量哺乳动物受试者的生理参数的传感器网络。所述生理参数包含但不限于以下项中的一个或多个：包含心搏出量和射血分数的心脏活动、氧合水平、温度、皮肤温度差、身体移动、身体位置、呼吸参数、血压、哭闹时间、哭闹频率、吞咽计数、吞咽频率、胸壁位移、心音、核心身体位置、非同步四肢运动、说话和生物力学扰动。哺乳动物受试者是活的人类受试者或活的非人类受试者。在某些实施例中，监测并测量新生儿或婴儿的生理参数。本领域技术人员应了解，在实践中本发明还可以监测并测量儿童或成人的生理参数。
在一个实施例中，传感器网络包含彼此时间同步的多个空间分离的传感器系统。所述多个空间分离的传感器系统中的每一个附接到哺乳动物受试者的相应位置，并且包含：传感器构件，其用于测量至少一个生理参数；片上系统(SoC)，其具有耦合到传感器构件的微处理器，以用于从传感器构件接收数据并且处理接收到的数据；以及收发器，其耦合到SoC以用于无线数据传输和无线功率采集。传感器网络还包含微控制器单元(MCU)，所述微控制器单元适合于与多个空间分离的传感器系统进行无线通信，以将数据无线传入和传出多个空间分离的传感器系统。
在一个实施例中，每两个相邻的传感器系统在空间上分离可在最小距离与最大距离之间调整的相应距离。
在一个实施例中，多个空间分离的传感器系统包括：第一传感器系统，所述第一传感器系统被配置成附接到哺乳动物受试者的中心区；以及第二传感器系统，所述第二传感器系统被配置成附接到哺乳动物受试者的肢体区。在一个实施例中，中心区包括哺乳动物受试者的以下项中的一个或多个：胸部区、包含胸骨上切迹区域的颈部区，以及头部区，所述头部区包含前额区或前囟区。肢体区包括哺乳动物受试者的四肢区、脚区、手区、脚趾甲区和手指甲区中的一个或多个。
在一个实施例中，第一传感器系统的传感器构件包括在空间上彼此分离以用于心电图(ECG)生成的至少两个电极。
在一个实施例中，第二传感器系统的传感器构件包括血管容积图(PPG)传感器，所述PPG传感器包括光源以及位于传感器覆盖区内的光检测器。
在一个实施例中，第一传感器系统和第二传感器系统的每个传感器构件进一步包括以下项中的一个或多个：加速计，用于测量位置和移动中的至少一个；惯性测量单元(IMU)，用于测量移动、力、角速率和定向中的至少一个；以及温度传感器，用于测量温度。
在一个实施例中，加速计或IMU用于测量心震描记法(SCG)和呼吸频率中的至少一个。
在一个实施例中，加速计或IMU与运动伪影模块一起用于将生命体征标识为具有运动伪影并且校正运动伪影。
在一个实施例中，第一传感器系统和第二传感器系统的每个传感器构件包括ECG传感器、EKG传感器、脉搏血氧仪传感器、温度传感器、血压传感器、加速计或声传感器中的一个或多个。
在一个实施例中，MCU被配置成执行以下功能中的至少一个功能：从多个空间分离的传感器系统接收并处理生理参数的所测量数据；将生理参数的处理后数据传输到患者数据库、云服务器和移动装置中的至少一个；连续地多模式监测与至少一个生命体征相关联的一个或多个关键参数；并且当出现传感器异常信号输出情况时通知医生或护理人员；以及当出现关键参数中的一个或多个超出预定义范围的警报生命体征读取情况时，生成警报，并且向医生或护理人员通知所述警报。在一个实施例中，一个或多个关键参数是心脏参数、大脑活动、温度、身体移动、呼吸参数、氧合作用、发声参数、吞咽参数以及血压和血流中的一个或多个。
在一个实施例中，MCU被配置成进一步执行以下功能中的至少一个功能：基于生理参数评估哺乳动物受试者的身体疼痛，所述生理参数包含心率、心率变异性、呼吸频率、呼吸努力和哭闹时间，并且向医生或护理人员通知评估疼痛的位置；基于位置特定脉搏血氧饱和度评估哺乳动物受试者的局部血液灌注，所述位置特定脉搏血氧饱和度是从通过放置于身体的各个位置上的传感器系统的脉搏血氧仪测量的外围血氧饱和度(SpO2)推导；在呼吸频率突然下降或停止，然后心率代偿性增加且SpO2下降时检测到呼吸暂停事件，并且当出现呼吸暂停事件时通知医生或护理人员，并振动传感器系统本身以触发哺乳动物受试者改变其位置或唤醒哺乳动物受试者；以及基于通过放置于不同位置中的多个空间分离的传感器系统测量的生理参数来定位解剖病理。
在一个实施例中，MCU包括用于生理参数的实时显示、生理参数的记录和警报中的至少一个的移动装置。
在一个实施例中，移动装置与多个空间分离的传感器系统进行双向无线通信。在一个实施例中，移动装置与患者数据库进行无线通信。在一个实施例中，移动装置是具有显示多个生理参数的图形用户界面的手持式装置或便携式装置。
在一个实施例中，传感器网络进一步包括用于无线地为传感器系统供电的电力单元。在一个实施例中，传感器网络能够在没有外部电源的情况下无线地运行至少24小时的时间段。
在一个实施例中，多个空间分离的传感器系统中的至少一个进一步包括致动器，所述致动器被配置成当检测到预定义触发信号时生成用于向哺乳动物受试者提供刺激的力。在一个实施例中，所述刺激包括用于安慰哺乳动物受试者的轻柔振动。
在一个实施例中，致动器是机电马达、加热器和电刺激器中的一个或多个。
在一个实施例中，多个空间分离的传感器系统中的每一个进一步包括：多个柔性可拉伸互连件，其电连接到包含传感器构件、SoC和收发器的多个电子组件；以及弹性包封层，其围绕电子组件和多个柔性可拉伸互连件，以形成面向组织的表面和面向环境的表面，其中所述面向组织的表面被配置成贴合哺乳动物受试者的皮肤表面。在一个实施例中，包封层包括阻燃材料。
在一个实施例中，收发器包括磁性环形天线，所述磁性环形天线被配置成允许通过单个链路同时进行无线数据传输和无线功率采集。
在一个实施例中，多个空间分离的传感器系统中的每一个的电子组件进一步包括用于将电力提供到所述传感器系统的电池，并且弹性包封层被配置成在使用期间将电池与哺乳动物受试者电隔离。在一个实施例中，电池是通过无线充电可操作地充电的可充电电池。
在一个实施例中，多个空间分离的传感器系统中的每一个的电子组件进一步包括防故障元件，所述防故障元件是短路保护组件或用于避免电池爆炸的电池电路。
在另一方面中，本发明涉及一种用于测量哺乳动物受试者的生理参数的方法。在一个实施例中，所述方法包含部署如上文所公开的传感器网络；将多个空间分离的传感器系统同步到共同时基；从多个空间分离的传感器系统测量生理参数的数据；以及无线地传输时间同步的所测量生理参数。所述部署传感器网络包含分别将至少一个第一传感器系统附接到哺乳动物受试者的中心区以及将至少一个第二传感器系统附接到哺乳动物受试者的肢体区，使得第一传感器系统和第二传感器系统在空间上分离一定距离。
在一个实施例中，通过与多个空间分离的传感器系统进行无线通信的MCU执行所述无线地传输时间同步的所测量生理参数。
在一个实施例中，所述无线地传输时间同步的所测量生理参数包括从多个空间分离的传感器系统接收并处理生理参数的所测量数据；以及将生理参数的处理后数据传输到患者数据库、云服务器和移动装置中的至少一个。
在一个实施例中，所述方法进一步包括将无线传输的生理参数与唯一患者标识符相关联，由此在患者数据库、云服务器和移动装置中的至少一个中标识哺乳动物受试者的生理参数。
在一个实施例中，所述方法进一步包括基于生理参数标识正常生命体征读取情况、异常传感器输出情况，或警报生命体征读取情况。在一个实施例中，异常传感器输出情况是以下项中的一个或多个：导联脱落状态，其中传感器系统的面向组织的表面不与下方患者表面紧密接触；患者运动伪影；或相对于至少两个不同传感器系统的输出偏差。在一个实施例中，当从第一传感器系统检测到的至少一个生命体征与从第二传感器检测到的生命体征相差25％或更大时，标识异常传感器输出情况。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：连续地多模式监测与至少一个生命体征相关联的一个或多个关键参数；以及当出现传感器异常信号输出情况时通知医生或护理人员。
在一个实施例中，所述方法进一步包括当出现关键参数中的一个或多个超出预定义范围的警报生命体征读取情况时，生成警报；以及向医生或护理人员通知所述警报。
在一个实施例中，一个或多个关键参数是心脏参数、大脑活动、温度、身体移动、呼吸参数、氧合作用、发声参数、吞咽参数以及血压和血流中的一个或多个。
在一个实施例中，所述方法进一步包括以下项中的至少一个：基于生理参数评估哺乳动物受试者的身体疼痛，所述生理参数包含心率、心率变异性、呼吸频率、呼吸努力和哭闹时间，并且向医生或护理人员通知评估疼痛的位置；基于位置特定脉搏血氧饱和度评估哺乳动物受试者的局部血液灌注，所述位置特定脉搏血氧饱和度是从通过放置于身体的各个位置上的传感器系统的脉搏血氧仪测量的SpO2推导；在呼吸频率突然下降或停止，然后心率代偿性增加且SpO2下降时检测到呼吸暂停事件，并且当出现呼吸暂停事件时通知医生或护理人员，并振动传感器系统本身以触发哺乳动物受试者改变其位置或唤醒哺乳动物受试者；以及基于通过放置于不同位置中的多个空间分离的传感器系统测量的生理参数来定位解剖病理。
在一个实施例中，所述方法进一步包括在具有图形用户界面的显示器中显示生理参数、通知和警报中的至少一个。
在一个实施例中，所述方法进一步包括通过在用户可以访问生理参数之前要求安全登录来确保显示生理参数的安全。
在一个实施例中，用户是医生或护理人员、哺乳动物受试者或家庭成员，并且所述方法进一步包括基于生理参数在医生或护理人员与哺乳动物受试者或家庭成员之间无线地通信。
在一个实施例中，所述方法进一步包括基于生理参数将命令从远程医生或护理人员安全地发送到靠近哺乳动物受试者的医生或护理人员。
在一个实施例中，所述方法进一步包括当检测到预定义触发信号时，致动致动器以生成用于向哺乳动物受试者提供刺激的力。在一个实施例中，所述刺激包括用于安慰哺乳动物受试者的轻柔振动。
在又一方面中，本发明涉及一种非暂时性有形计算机可读介质，其存储在由一个或多个处理器执行时致使执行上文公开的方法的指令。
本发明的这些和其它方面将根据下文与以下图式一起采取的优选实施例的描述变得显而易见，但是在不脱离本发明新颖概念的精神和范围的情况下，可能会影响其中的变化和修改。
附图说明
以下附图形成本说明书的一部分且为了进一步展现本发明的某些方面而包含在内。通过参考这些附图中的一个或多个以及本文呈现的具体实施例的详细描述，可以更好地理解本发明。下文所描述的图式仅出于说明的目的。附图并不预期以任何方式限制本发明教导内容的范围。
图1A示意性地示出根据本发明的某些实施例的传感器网络的功能框图。
图1B示意性地示出根据本发明的某些实施例的传感器网络的部署。左上图中的传感器系统被配置成附接到例如胸部的躯干区，而右上图中的传感器系统被配置成附接到例如脚的附器，如分别在左下和右下图中所说明。
图2A-2H示出根据本发明的实施例的用于传感器网络中的超薄皮肤状无线传感器系统的示意图。图2A是示出具有主机读取器平台的每个EES的模拟前端和电子组件的功能框图，近场通信(NFC)片上系统(SoC)的组件包含微控制器、通用输入/输出(GPIO)和无线电接口，所述主机读取器平台包含NFC读取器模块以及与循环缓冲器的低功耗蓝牙(BLE)接口。图2B示出根据本发明的另一实施例的两个传感器系统的功能框图。电源管理单元涉及从初级无线电力传递和二次电池的双功率操作模式以实现便携性。ECG EES包含用于ECG测量的可选电极，以及用于ECG模拟前端顶部上的心震描记法(SCG)和呼吸频率测量的6轴惯性测量单元(IMU)。PPG EES包含脉搏血氧仪模拟前端以及用于运动伪影减少算法的6轴IMU。每一个别单元由BLE SoC控制。图2C是根据本发明的一个实施例的配置成附接到例如胸部的躯干的传感器系统的示意图。传感器系统可拉伸且可折叠，如在顶部图中所说明。在底部图中说明电气组件和布局，包含提供联网和无线平台的组件(包含电力单元、存储器单元、温度单元、ECG单元、BLE SoC)。图2D示出根据本发明的一个实施例的传感器系统，所述传感器系统被配置成例如通过环绕型机构附接在例如脚、腿、手、手臂手指、脚趾或指甲的肢体上，以将主电路组件与连接到其的机械解耦合的传感器系统固定。传感器系统可拉伸且可折叠，如在顶部图中所说明。在底部图中说明电气组件(包含电力单元、存储器单元、温度单元、PPG传感器、低功耗蓝牙(BLE))和布局，包含提供联网和无线平台的组件。传感器部分可以在不同方向上，例如在相对于主电路组件的正交方向上对准。以此方式，主电路组件可以环绕脚，其中传感器部分可独立地安装(例如)到指甲区。在一个实施例中，PPG传感器系统用于通过具有LED单元的传感器测量氧合作用。包含微处理器和无线发射器的主电路组件在称为环绕方向的一个方向上对准。LED单元在与环绕方向不同的方向上延伸。以此方式，主电路组件可以在没有任何粘合剂的情况下环绕肢体，例如环绕脚踝。有源传感器部分可以独立地附接到所需位置，例如脚或脚趾甲。以此方式，仅需要将整个装置的较小覆盖区可靠地固定到患者，并且甚至可以用粘合剂固定在更容易承受粘合剂和相应去除的表面(例如指甲)上。图2E是根据本发明的一个实施例的用于通过具有LED单元的传感器测量氧合作用的PPG装置的示意图。包含微处理器和无线发射器的主电路组件在称为环绕方向的一个方向上对准。LED单元在与环绕方向不同的方向上延伸。以此方式，主电路组件可以在没有任何粘合剂的情况下环绕肢体，例如环绕脚踝。有源传感器部分可以独立地安装在所需位置，例如脚或脚趾甲。以此方式，仅需要将整个装置的较小覆盖区可靠地固定到患者，并且甚至可以用粘合剂固定在更容易承受粘合剂和相应去除的表面(例如指甲)上。图2F是根据本发明的一个实施例的说明为MCU的一部分的ECG传感器系统的示意图，所述ECG传感器系统测量无线地传输到微处理器的电势、温度、位置和运动。图2G是根据本发明的一个实施例的说明为MCU的一部分的PPG传感器系统的示意图，所述PPG传感器系统用于测量传输到微处理器的氧气并且还测量温度。图2H示出根据本发明的一个实施例的说明MCU、IC和天线的示例性NFC读取器IC。
图3是根据本发明的一个实施例的传感器网络的两个传感器系统(胸部单元和脚单元)的图示，所述传感器系统支持连续的24/7使用而无需外部电线且至多使用例如水凝胶的温和粘合剂。
图4示出根据本发明的一个实施例的PPG传感器系统，所述PPG传感器系统被配置成保形地环绕附器(到图)，其中传感器在相应底部图中环绕玩偶和新生儿脚。
图5示出根据本发明的某些实施例的监测哺乳动物受试者的生理参数的方法的流程图。
图6示意性地示出根据本发明的某些实施例的传感器网络的传感器的板载软件操作的流程图。
图7示意性地示出根据本发明的某些实施例的传感器网络的一般感测、存储和远程医疗应用的图示。
图8A-8C说明根据本发明的某些实施例的用于呼吸频率(RR)估计的ECG传感器的使用。图8A示出使用ECG传感器进行呼吸频率(RR)估计的算法。图8B说明基于由ECG传感器测量的ECG信号使用图8A中所示的算法进行的RR估计。图8C示出与ECG EES相比的实际计数的曲线图。
图9A-9B说明根据本发明的某些实施例的将通过加速计测量的胸壁移动用于RR估计。图9A示出将胸壁移动用于RR估计的算法。图9B说明基于由加速计测量的胸壁移动使用图9A中所示的算法进行的RR估计。
图10示出根据本发明的某些实施例的用于脉搏血氧仪的连续小波变换(CWT)DST的信号处理算法。
图11A和11B说明根据本发明的某些实施例的分别对干净信号(无运动伪影)和噪声信号(运动污染信号)的SpO2确定。
图12根据本发明的某些实施例示出对于心率，与护理标准系统相比来自实验系统的平均差是在18个受试者中聚集的每分钟-0.47次心跳。平均差的标准偏差是每分钟3.0次心跳。因此，95％的数据处于小于每分钟6.0次心跳的差异内。在较低心率(<每分钟100次心跳)和较高心率(>每分钟170次心跳)下，实验无线系统的一致性保持可比性。
图13根据本发明的某些实施例示出对于血氧浓度，平均差是0.11％且实验系统与护理标准系统之间，在16个受试者中聚集的平均差的标准偏差是1.8％。因此，95％的数据处于小于3.6％血氧浓度的差异内。在较低血氧浓度(<90％)以及较高血氧浓度(>96％)两者下，实验无线系统的一致性保持可比性。两名受试者在下肢均具有静脉输液管或其它必要的医疗设备并被排除在外。
图14根据本发明的某些实施例示出对于呼吸频率，平均差是每分钟-2.0次呼吸，其中实验系统与参考系统之间的平均差的标准偏差为每分钟8.7次呼吸。呼吸频率的较高变化可能与呼吸频率的测量模式的差异有关。通过ECG由实验系统导出呼吸频率，而参考菲利浦监护仪使用了胸阻抗呼吸描记法)。在低呼吸频率和高呼吸频率(每分钟<30次和>70次呼吸)中进行测量时，观察到相似性能。
图15示出根据本发明的实施例的通过传感器网络确定的心率，其示出与FDA批准的装置等效的性能。
图16示出根据本发明的某些实施例的PPG传感器与黄金标准系统的比较。
图17示出根据本发明的某些实施例的用于SpO2测量的新生儿前额测量。
图18A是根据本发明的某些实施例的在放置之前(顶部图)以及用于胸部附接(左图)和脚附接(右图)的传感器放置(底部图)的皮肤表面的照片。
图18B示出根据本发明的某些实施例的在去除之后(顶部图)以及在去除之后30分钟(底部图)的皮肤。
图19示出根据本发明的某些实施例的在紧接去除之前(顶部图)和去除之后(底部图)安装传感器24小时之后的胸部区的热图像，揭示了没有加热皮肤且没有热量产生。
图20说明根据本发明的某些实施例的传感器网络中的不同温度传感器位置。
图21是根据本发明的某些实施例的胸部(顶部图)和脚(底部图)单元的温度校准曲线的图形。
图22说明根据本发明的某些实施例的与即时温度传感器和黄金标准温度传感器的良好一致性和相关性。
图23说明根据本发明的某些实施例的与核心温度(顶部图)相比以及与红外线温度测量(底部图)相比的图21中所说明的传感器的温度测量差。
图24是根据本发明的某些实施例的用于睡觉、抱在手臂上和靠着身体(袋鼠式护理或“KMC”)的三维传感器位置(x、y、z)的图形表示。
图25示出根据本发明的某些实施例的由具有加速计的传感器系统为处于由照片反映的不同位置的婴儿确定的平均(x、y、z)位置。
图26是根据本发明的某些实施例的对睡觉、进食、托抱和KMC位置的位置结果的图形表示。
图27是根据本发明的某些实施例的测量(x、y、z)位置的概述。
图28是根据本发明的某些实施例的临床研究中针对新生儿打嗝的加速计输出。
图29是根据本发明的某些实施例的实验室内模拟的概述，其示出了具有KMC和倾斜移动的随时间变化的x、y、z位置。
图30A-30B分别概述根据本发明的某些实施例的KMC加速计传感器测量和处理。例如监督和无监督学习的各种学习算法有助于获得并分类数据。
图31说明根据本发明某些实施例的基于加速计传感器系统的姿势、倾斜和移动的数据标记。
图32A-32B和33-38说明根据本发明的某些实施例的远程接收器的强大用途，其中GUI可以向远程护理人员或家庭成员提供易于理解的监测。
图39示出根据本发明的某些实施例的概述传感器网络系统的各种远程医疗应用的流程图。具体来说，新生儿的护理人员以及提供者都可以查看传感器。在发展中国家或农村社区，接受过重症监护培训的熟练新生儿学家的数量有限。本公开中的可穿戴传感器还可以允许医生/临床医生安全地查看，从而允许远距离的eNICU护理。
图40是说明根据本发明的某些实施例的用至少三个不同传感器测量生理参数的优势的流程图概述。如果所有传感器获得的类似读数超出参数的指定正常范围，则通知护理人员。如果一个传感器超出定义的一致范围(例如+/-10％，或用户确定的范围可能与所使用的特定传感器和正在测量的生命体征有关)，则会发送所述传感器的异常信号通知，以便可以采取补救措施。或者，如果所有传感器一致认为参数超出“正常”范围，则可以通知临床医生，以便立即进行干预/评估。当然，即使发生这种情况，传感器也可能持续运行，从而提供参数测量。对于正常操作条件，虚线箭头反映传感器网络仅继续正常操作。
图41是类似图40的流程图概述，但是使用用于补偿和校正运动伪影的附加传感器4加速计，从而进一步提高传感器精度和可靠性。
图42是根据本发明的某些实施例的无线通信以及用于提供时间同步传感器的蓝牙时间同步的示意图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更加完整地描述本发明，在所述附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以多个不同的形式来体现，且不应解释为限于本文所陈述的实施例。相反，提供这些实施例以使得本公开将透彻且完整，并且将向本领域的技术人员充分传达本发明的范围。相同参考标号始终指代相同元件。
本说明书中所用的术语在本发明的上下文内和在使用每一术语的特定上下文中通常具有其在所属领域中的一般意义。在说明书中下文或其它地方讨论用于描述本发明的某些术语以就本发明的描述为医生提供附加指导。为方便起见，可以例如使用斜体和/或引号标记突出显示某些术语。使用突出显示和/或大写字母对术语的范围和含义没有影响；术语的范围和含义在相同上下文中为相同的，而不管其是否被突出显示和/或呈大写字母。应了解，可以多于一种方式陈述相同的事物。因此，对于本文中所论述的术语中的任何一个或多个都可以使用替代语言和同义词，在本文中无论是否详述或论述一术语时也不赋予任何特定意义。提供某些术语的同义语。一个或多个同义语的叙述并不排除其它同义语的使用。在本说明书中任何地方使用实例(包含本文中所论述的任何术语的实例)仅是说明性的，并且决不限制本发明或任何所例示术语的范围和含义。同样，本发明不限于本说明书中给出的各种实施例。
应理解，虽然本文中可以使用术语“第一、第二、第三”等来描述各种元件、组件、区、层和/或部分，但是这些元件、组件、区、层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件、组件、区、层或部分与另一元件、组件、区、层或部分加以区分。因此，在不脱离本发明的教示内容的情况下，下文所论述的第一元件、组件、区、层或部分可以称为第二元件、组件、区、层或部分。
应理解，除非上下文另外明确规定，否则如在本文中的实施方式中以及在之后的整个权利要求中所使用，“一(a/an)”和“所述”的意义包含复数个引用。此外，应理解，当元件被称为在另一元件“上”、“附接”到另一元件、“连接”到另一元件、与另一元件“耦合”、“接触”另一元件等时，其可直接在所述另一元件上、直接附接到所述另一元件、直接连接到所述另一元件或直接接触所述另一元件，或也可以存在中间元件。相反，当元件被称为(例如)“直接在”另一元件“上”、“直接附接”到另一元件、“直接连接”到另一元件、与另一元件“直接耦合”或“直接接触”另一元件时，不存在中间元件。本领域的技术人员还将理解，对“邻近”另一特征安置的结构或特征的参考可以具有重叠或下伏于邻近特征的部分。
应进一步理解，当在本文中使用时，术语“包括(comprises/comprising)”或“包含(includes/including)”或“具有(has/having)”指明存在所陈述的特征、区、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、区、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组。
此外，例如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”的相对术语可以在本文中用于描述如图中所示的一个元件与另一元件的关系。应理解，除图中所示的定向之外，相对术语预期涵盖装置的不同定向。例如，如果一个图中的装置翻转，那么描述成位于其它元件的“下部”侧上的元件将定向在所述其它元件的“上部”侧上。因此，示例性术语“下部”可以取决于图式的具体定向而涵盖下部和上部定向两者。类似地，如果一个图中的装置翻转，那么描述为在其它元件“之下”或“下方”的元件将定向在其它元件“上方”。因此，示例性术语“之下”或“下方”可以涵盖上方和下方两种定向。
除非另外定义，否则本文中所使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有本发明所属领域的一般技术人员所通常理解的相同意义。应进一步理解，例如常用词典中所定义的那些术语的术语应解释为具有与其在相关技术和本公开的上下文中的含义一致的含义，且除非在文中明确如此定义，否则将不在理想化或过度正式意义上进行解释。
如本公开中所使用，“大约”、“约”、“大致”或“基本上”应一般意味着在给定值或范围的20％以内，优选地在10％以内并且更优选地在5％以内。本文中给出的数值量是大致的，意味着可以在不明确地陈述的情况下推断术语“大约”、“约”、“大致”或“基本上”。
如本公开中所使用，短语“A、B和C中的至少一个”应解释为意味着使用非排它性逻辑或的逻辑(A或B或C)。如本文所使用，术语“和/或”包含相关联的所列项目中的一个或多个的任何以及所有组合。
如本公开中所使用，术语“空间分离”指代皮肤上的两个不同位置，其中安置在那些位置上的两个传感器系统没有物理接触。例如，一个传感器系统可以在躯干上并且另一传感器系统在脚上。
如本公开中所使用，术语“哺乳动物受试者”指代活的人类受试者或活的非类人受试者。出于本发明的说明的目的，设备和方法应用于监测和/或测量新生儿或婴儿的生理参数。本领域技术人员应了解，在本发明的实践中还可以应用设备以监测和/或测量儿童或成人的生理参数。
以下描述在本质上仅仅是说明性的，且决不意图限制本发明、其应用或使用。本发明的广泛教示可以各种形式实施。因此，虽然本发明包含特定实例，但是本发明的真正范围不应限于此，这是因为在研究图式、说明书和所附权利要求书之后，其它修改将变得显而易见。出于清楚起见，将在图式中使用相同参考标号以标识类似元件。应理解，方法内的一个或多个步骤可以在不改变本发明的原理的情况下用不同顺序(或同时)执行。
为了解决上述缺陷和不足，本发明在一个方面中公开一种新型无线可穿戴传感器，所述无线可穿戴传感器能够以高度联网和同步的方式概括护理标准监测系统并与儿科健康中的部署相关。这些无线可穿戴传感器处于联网配置以促进符合临床护理的严格要求的实时数据处理、分析和安全特征。传感器网络具有先进的监测能力和更大的安全特征，并且适用于无线生命体征监测系统尚未渗透到新生儿护理中的低资源环境，以及即时系统表示用于新生儿监测的最前沿下一代系统的高资源环境两者。
在一个方面中，本发明涉及一种用于无创地且连续地测量哺乳动物受试者的生理参数的传感器网络。可以测量的生理参数包含但不限于以下项中的一个或多个：包含心搏出量和射血分数的心脏活动、氧合水平、温度、皮肤温度差、身体移动、身体位置、呼吸参数、心冲击描记法、呼吸努力、血压、哭闹时间、哭闹频率、吞咽计数、吞咽频率、胸壁位移、心音、核心身体位置、非同步四肢运动、说话和生物力学扰动。
在某些实施例中，传感器网络包含彼此时间同步的多个空间分离的传感器系统。多个空间分离的传感器系统中的每一个附接到哺乳动物受试者的相应位置，并且包含：传感器构件，其用于测量至少一个生理参数；片上系统(SoC)，其具有耦合到传感器构件的微处理器，以用于从传感器构件接收数据并且处理接收到的数据；以及收发器，其耦合到SoC以用于无线数据传输和无线功率采集。传感器网络还包含微控制器单元(MCU)，所述微控制器单元适合于与多个空间分离的传感器系统进行双向无线通信，以将数据无线传入和传出多个空间分离的传感器系统。
图1A示意性地示出根据本发明的一个实施例的传感器网络的功能框图。在示例性实施例中，传感器网络100包含彼此时间同步的第一传感器系统110和第二传感器系统150，以及适合于与第一传感器系统110和第二传感器系统150进行无线通信的微控制器单元(MCU)(或者，读取器系统)190。在某些实施例中，第一传感器系统110和第二传感器系统150中的每一个经由无线传输协议，例如近场通信(NFC)协议或蓝牙协议与MCU 190进行无线通信。具体来说，术语“时间同步的(time-synchronized)”(或“时间同步的(time-synced)”)指代通过在不同位置的不同传感器的参数测量，这些传感器在时间上同步以允许测量新的生理参数。
在某些实施例中，第一传感器系统110和第二传感器系统150中的每一个是表皮电子系统(EES)。例如，第一传感器系统110被配置成附接到中心区，而第二传感器系统150被配置成附接到哺乳动物受试者的肢体区。中心区包含哺乳动物受试者的以下项中的一个或多个：胸部区、包含胸骨上切迹区域的颈部区，以及头部区，所述头部区包含前额区或前囟区。肢体区包含哺乳动物受试者的四肢区、脚区、手区、脚趾甲区和手指甲区中的一个或多个。
在某些实施例中，第一传感器系统110是可保形的躯干传感器系统，所述躯干传感器系统被配置成附接到哺乳动物受试者的躯干区并与其贴合以记录心电图(ECG)数据和皮肤温度；并且第二传感器系统150是可保形的肢体传感器系统，所述肢体传感器系统被配置成附接到哺乳动物受试者的四肢或附器区并与其贴合以记录血管容积图(PPG)数据和皮肤温度。换句话说，第一传感器系统110可以是心电描记法(ECG)并且第二传感器系统150可以是PPG传感器系统。如图1A和1B中所示，躯干传感器系统110和肢体传感器系统150可操作地分别附接到新生儿的第一区410(所述第一区例如是例如胸部的躯干区)和第二区420(所述第二区例如是例如脚的四肢区420)，使得躯干传感器系统110和肢体传感器系统150在空间上分离距离L。躯干传感器系统110与肢体传感器系统150之间的距离L可在最小距离与最大距离之间调整。
在某些实施例中，躯干传感器系统110和肢体传感器系统150中的每一个包含：传感器构件(电路)，所述传感器构件具有用于检测哺乳动物受试者的生命体征，然后生成一个或多个对应生理参数的一个或多个传感器；SoC，其具有耦合到传感器构件(电路)的微处理器以从传感器构件接收数据并处理接收到的数据；以及收发器，其耦合到SoC以用于无线数据传输和无线功率采集。传感器可以是用于将生命体征检测为信号的各种类型的传感器，并且信号可以是例如与ECG和肌电图(EMG)技术中的至少一个相关的电信号；与移动、呼吸和动脉张力测量法相关的机械信号；与声带发声和心音相关的声学信号；以及与血氧浓度相关的光学信号等。在一个实施例中，第一传感器系统110和第二传感器系统150的每个传感器构件包括ECG传感器、EKG传感器、脉搏血氧仪传感器、温度传感器、血压传感器、加速计和声传感器中的一个或多个。
参考图2A，在一个实施例中，躯干传感器系统110的传感器电路(构件)123包含但不限于在空间上彼此分离以用于ECG生成的两个电极121和122。电极121和122可以是网状电极或固体电极。传感器构件123还包含但不限于仪表放大器(例如，Inst.Amp)，所述仪表放大器电耦合到两个电极121和122，其适合于消除对输入阻抗匹配的需求，因此使得放大器特别适合于用于测量和测试设备；以及抗混叠滤波器(AAF)，所述抗混叠滤波器电耦合到仪表放大器并且在信号采样器之前使用，以将信号的带宽限制为在所关注的频带上大致或完全满足Nyquist-Shannon采样定理。
仍参考图2A，躯干传感器系统110的SoC 124包含但不限于例如CPU的微处理器单元、例如NFC ISO 15693接口的近场通信(NFC)接口、通用输入/输出(GPIO)端口、一个或多个温度传感器(Temp.sensor)和模/数转换器(ADC)，它们彼此通信以用于从传感器构件123接收数据和处理接收到的数据。
还参考图2A，躯干传感器系统110的收发器125耦合到SoC 124以用于无线数据传输和无线功率采集。在示例性实施例中，收发器125包括磁性环形天线，所述磁性环形天线被调谐到符合NFC协议且配置成通过单个链路实现同时无线数据传输和无线功率采集。
如图2A中所示，肢体传感器系统150的传感器构件(电路)163包含位于传感器覆盖区内的PPG传感器，所述PPG传感器具有光源，所述光源具有红外(IR)发光二极管(LED)161和红色LED 162；以及光检测器(PD)，其电耦合到IR LED 161和红色LED 162。传感器构件163还包含但不限于LED驱动器，其电耦合到两个电极161和162以驱动IR LED 161和红色LED 162；以及反式Z放大器，其电耦合到PD。
类似地，如图2A中所示，肢体传感器系统150的SoC 164包含但不限于例如CPU的微处理器单元、例如NFC ISO 15693接口的近场通信(NFC)接口、通用输入/输出(GPIO)端口、一个或多个温度传感器(Temp.sensor)和模/数转换器(ADC)，它们彼此通信以用于从传感器构件(电路)163接收数据和处理接收到的数据。肢体传感器系统150的收发器165耦合到SoC 164以用于无线数据传输和无线功率采集。在示例性实施例中，收发器165包括磁性环形天线，所述磁性环形天线被调谐到符合NFC协议且配置成通过单个链路实现同时无线数据传输和无线功率采集。
另外，所述多个空间分离的传感器系统中的每一个进一步包括：多个柔性可拉伸互连件(图2C-2D)，其电连接到包含传感器构件、SoC和收发器的多个电子组件；以及弹性包封层(图2C-2D)，其围绕电子组件和所述多个柔性可拉伸互连件以形成面向组织的表面和面向环境的表面，其中面向组织的表面被配置成贴合哺乳动物受试者的皮肤表面。在一个实施例中，包封层包括阻燃材料。
在操作中，躯干传感器系统110和肢体传感器系统150与具有天线195的读取器系统190或者MCU无线通信，其中NFC读取器系统190的一个示例性集成电路(IC)在图2H中示出。确切地说，躯干传感器系统110和肢体传感器系统150中的RF环形天线125和165与天线195无线通信，并在功率传递和数据通信中起双重作用，如图2A中所示。在一个实施例中，读取器系统190还包含但不限于NFC ISO 15693读取器、循环缓冲器和低功耗蓝牙(BLE)接口，它们被配置成使得数据可以通过双通道以高达800字节/秒的速率连续进行流式传输，这比以前在NFC传感器中实现的要高出几个数量级。实现这种高速率的关键在于通过将数据打包成循环缓冲器中的6个块(24个字节)来最小化与传递相关的开销。天线195连接到主机系统，以便将RF功率同时传递到躯干传感器系统110和肢体传感器系统150。因此，传感器网络可以在竖直距离下通过生物组织、被褥、毯子、加垫床垫、电线、传感器和NICU培养箱中发现的其它材料操作，从而在典型培养箱中进行全覆盖无线操作。BLE无线电传输随后允许以高达20m的范围将数据传递到个人计算机、平板计算机或智能电话。然后可以以简单明了的方式建立到医院中央监测系统的连接。
在图2B-2D中所示的另一实施例中，第一传感器系统210和第二传感器系统250类似于图1A中所示的第一传感器系统110和第二传感器系统150，不同之处在于，第一传感器系统210和第二传感器系统250中的每一个进一步包括用于将电力提供到所述传感器系统的电池205，以及与电池205、蓝牙SoC 224/264和收发器(天线)195电耦合的电源管理单元/IC(PMIC)206。电源管理单元206可操作地涉及从初级无线电力传递和二次电池205的双功率操作模式以实现便携性。另外，第一传感器系统210的传感器构件(或传感器电路)223还包含用于ECG测量的可选电极，以及用于ECG模拟前端(AFE)顶部上的心震描记法(SCG)和呼吸频率测量的6轴惯性测量单元(IMU)第二传感器系统250的传感器构件(或传感器电路)263还包含PPG AFE以及用于运动伪影减少算法的6轴IMU。第一传感器系统210和第二传感器系统250中的每一个的BLE SoC224/264进一步包括下采样器和BLE无线电。电源管理单元206和传感器构件223和263中的每一个由BLE SoC 224/264控制。在一个实施例中，加速计或IMU用于测量心震描记法(SCG)和呼吸频率中的至少一个。在一个实施例中，加速计或IMU与运动伪影模块一起用于将生命体征标识为具有运动伪影并且校正运动伪影。
在某些实施例中，电池205是通过无线充电可操作地充电的可充电电池。在一个实施例中，第一传感器系统210和第二传感器系统250中的每一个的电子组件进一步包括防故障元件，所述防故障元件是短路保护组件或用于避免电池爆炸的电池电路(未示出)。在一个实施例中，弹性包封层被配置成在使用期间将电池与哺乳动物受试者电隔离。
另外，第一传感器系统210可拉伸且可折叠，如在图2C的顶部图中所说明。在图2C的底部图中说明电气组件和布局，包含提供联网和无线平台的组件(包含电力单元、存储器单元、温度单元、ECG单元和BLE SoC)。
如图2D中所示的第二传感器系统250被配置成例如通过环绕型机构附接在例如脚、腿、手、手臂手指、脚趾或指甲的肢体上，以将主电路组件与连接到其的机械解耦合的传感器系统固定。第二传感器系统250也可拉伸且可折叠，如在图2D的顶部图中所说明。在图2D的底部图中说明包含电力单元、存储器单元、温度单元、ECG单元和BLE SoC的电气组件和布局，包含提供联网和无线平台的组件。传感器部分可以在不同方向上，例如在相对于主电路组件的正交方向上对准。因此，主电路组件可以环绕脚，其中传感器部分可独立地安装(例如)到指甲区。在一个实施例中，主电路组件可以在没有任何粘合剂的情况下环绕肢体，例如环绕脚踝。有源传感器部分可以独立地附接到所需位置，例如脚或脚趾甲。以此方式，仅需要将整个装置的较小覆盖区可靠地固定到患者，并且甚至可以用粘合剂固定在更容易承受粘合剂和相应去除的表面(例如指甲)上。
图2E示意性地示出根据本发明的一个实施例的PPG EES 250(或150)的主电路组件264以及具有LED单元161和162的传感器电路263的另一空间布置。主电路组件264以及包含LED单元161和162的传感器电路263通过蛇形的柔性可拉伸互连件170连接。包含至少SoC和收发器的主电路组件264对准并且在环绕方向201上可操作地环绕四肢或附器。LED单元161和162在与环绕方向201不同的方向202延伸。因此，主电路组件264可以在没有任何粘合剂的情况下环绕肢体，例如环绕脚踝。有源传感器部分可以独立地安装在所需位置，例如脚或脚趾甲。因此，仅需要将整个装置的较小覆盖区可靠地固定到患者，并且甚至可以用粘合剂固定在更容易承受粘合剂和相应去除的表面(例如指甲)上。在一个实施例中，PPG EES250(或150)的传感器构件可贴合皮肤表面并且配置为用于周向附接到四肢或附器区的软包裹物。
在如图2F-2G中所示的又另一实施例中，第一传感器系统310和第二传感器系统350类似于图1A中所示的第一传感器系统110和第二传感器系统150，不同之处在于，第一传感器系统310和第二传感器系统350的每个传感器构件323/363进一步包括临床级温度传感器。另外，第一传感器系统310的传感器构件323还包含3轴加速计。此外，代替图1A中所示的NFC SoC 124/164，第一传感器系统310和第二传感器系统350中的每一个包含BLE SoC324/264。
图3是根据本发明的一个实施例的传感器网络的躯干和肢体传感器系统(胸部单元和脚单元)的图示，所述传感器系统支持连续24/7使用而无需外部电线，并且至多使用例如水凝胶的温和粘合剂。在此示例性实施例中，躯干传感器系统(即，胸部单元)具有4.4cm×2.4cm×0.5cm的L×W×H尺寸，并且适合于测量ECG、心率、温度(医疗级)、RR、运动检测。肢体传感器系统(即，脚单元)具有4.5cm×2.7cm×0.5cm的L×W×H尺寸，并且适合于测量SpO2(在100Hz从PPG)和温度(医疗级)。
图4示出PPG传感器系统的一个实施例，所述PPG传感器系统被配置成保形地环绕附器(到图)，其中传感器在相应底部图中环绕玩偶和新生儿脚。
返回参考图1A，MCU 190被配置成从传感器系统110和150接收表示生理参数的输出信号并且显示哺乳动物受试者的生理参数。
具体来说，在某些实施例中，MCU 190被配置成执行以下功能中的至少一个功能：从多个空间分离的传感器系统接收并处理生理参数的所测量数据；将生理参数的处理后数据传输到患者数据库、云服务器和移动装置中的至少一个；连续地多模式监测与至少一个生命体征相关联的一个或多个关键参数；并且当出现传感器异常信号输出情况时通知医生或护理人员；以及当出现关键参数中的一个或多个超出预定范围的警报生命体征读取情况时，生成警报，并且向医生或护理人员通知所述警报。在一个实施例中，一个或多个关键参数是心脏参数、大脑活动、温度、身体移动、呼吸参数、氧合作用、发声参数、吞咽参数以及血压和血流中的一个或多个。
在某些实施例中，MCU 190被配置成进一步执行以下功能中的至少一个功能：基于生理参数评估哺乳动物受试者的身体疼痛，所述生理参数包含心率、心率变异性、呼吸频率、呼吸努力和哭闹时间，并且向医生或护理人员通知评估疼痛的位置；基于位置特定脉搏血氧饱和度评估哺乳动物受试者的局部血液灌注，所述位置特定脉搏血氧饱和度是从通过放置于身体的各个位置上的传感器系统的脉搏血氧仪测量的外围血氧饱和度(SpO2)推导；在呼吸频率突然下降或停止，然后心率代偿性增加且SpO2下降时检测到呼吸暂停事件；以及当出现呼吸暂停事件时通知医生或护理人员，并振动传感器系统本身以触发哺乳动物受试者改变其位置或唤醒哺乳动物受试者；以及基于通过放置于不同位置中的多个空间分离的传感器系统测量的生理参数来定位解剖病理。在一个实施例中，MCU例如可以用于定位肺部病理，以诊断肺叶特异性肺炎或感染。
在一个实施例中，MCU包括用于生理参数的实时显示、生理参数的记录和警报中的至少一个的移动装置。
在一个实施例中，移动装置与多个空间分离的传感器系统进行双向无线通信。在一个实施例中，移动装置与患者数据库进行无线通信。在一个实施例中，移动装置是具有显示多个生理参数的图形用户界面的手持式装置或便携式装置。
在一个实施例中，传感器网络进一步包括用于无线地为传感器系统供电的电力单元。在一个实施例中，传感器网络能够在没有外部电源的情况下无线地运行至少24小时的时间段。
在一个实施例中，多个空间分离的传感器系统中的至少一个进一步包括致动器，所述致动器被配置成当检测到预定义触发信号时生成用于向哺乳动物受试者提供刺激的力。在一个实施例中，所述刺激包括用于安慰哺乳动物受试者的轻柔振动。在一个实施例中，致动器是机电马达、加热器和电刺激器中的一个或多个。
图5示出根据本发明的某些实施例的用于测量哺乳动物受试者的生理参数的方法的流程图。在某些实施例中，如图5中所示的方法可以实施于图1A中示出的传感器网络上。应尤其注意，除非本公开中另外说明，否则方法的各步骤可以以不同顺序次序布置，并且因此不限于如图5中所示的顺序次序。
如图5中所示，在过程510处，包含多个传感器系统(即，如图1A、1B中所示的第一传感器系统110和第二传感器系统150)的传感器网络部署在哺乳动物受试者中。所述部署过程510包含分别将至少一个第一传感器系统附接到哺乳动物受试者的中心区以及将至少一个第二传感器系统附接到哺乳动物受试者的肢体区，使得第一传感器系统和第二传感器系统在空间上分离一定距离。例如，第一传感器系统110附接到哺乳动物受试者的躯干区410中的第一位置，以测量哺乳动物受试者的心跳，并且第二传感器系统150附接到哺乳动物受试者的四肢区420的第二位置以测量哺乳动物受试者的脉搏。此外，传感器系统110和150与MCU 190进行无线通信并且在空间上分离通过第一和第二位置限定的距离。如所部署，传感器网络对应于双向无线通信系统。如在本公开中所使用，术语“双向无线通信系统”指代提供接收和发送信号的能力的传感器的机载组件。以此方式，可以将输出提供到外部装置，包含基于云的装置、个人便携式装置或护理人员的计算机系统。类似地，可以例如通过外部控制器将命令发送到传感器，所述外部控制器可以或可以不对应于外部装置。机器学习算法可以用于改进信号分析，进而改进发送到医疗传感器的命令信号，包含医疗传感器的刺激器以用于将触觉信号提供给可用于治疗的医疗装置的用户。更一般来说，这些系统可以并入到处理器，例如机载地位于医疗传感器的电子装置上或物理地远离医疗传感器的电子装置定位的微处理器。
在过程520处，将多个空间分离的传感器系统时间同步到共同时基。如在本公开所使用，术语“时间同步的”或“时间同步的”指代通过包含不同位置处的不同传感器的参数测量，这些传感器在时间上同步以允许测量新的生理参数。实例包含允许时间同步测量的主从连接的传感器系统。例如，本发明的某些实施例利用并入除了蓝牙之外的次级2.4Ghz无线电协议的多协议功能，以在传感器网络中创建专用星形网络。次级无线电协议允许传感器中的一个充当中央集线器，以基于其晶体振荡器广播本地时钟以在传感器网络内创建共同时钟。每一传感器可以运行本地时钟，并且将基于广播的时钟值调整本地时钟值。中央集线器可以另外与基站(包含例如远程读取器或接收器)通信，以使其本地时钟与基站的时钟同步。专用星形网络不限于基站，从而允许两个不同的人体传感器网络及时同步，而无需中央集线器。这在传感器充当盲数据收集工具的情况下非常重要，这些盲数据收集工具具有可以通过基本单元稍后下载和使用的数据。
共同时钟可以对通过专用星形网络使用的传感器捕获的所有信号进行时间标记，从而允许取决于共同时钟的新颖算法用于传感器系统中。时间滞后/漂移的唯一来源是通常较低(0.0004％)的晶体振荡器。此时间滞后可以以用户确定的频率经由中央集线器进行调整和校正。
在过程530处，从多个空间分离的传感器系统测量生理参数的数据；
在过程540处，将时间同步的所测量生理参数无线地传输到患者数据库、云服务器和移动装置中的至少一个。在一个实施例中，所述无线传输过程540包含从多个空间分离的传感器系统接收并处理生理参数的所测量数据；以及将生理参数的处理后数据传输到患者数据库、云服务器和移动装置中的至少一个。
在一个实施例中，通过与多个空间分离的传感器系统进行无线通信的MCU执行所述无线传输过程540。
在一个实施例中，所述方法进一步包括将无线传输的生理参数与唯一患者标识符相关联，由此在患者数据库、云服务器和移动装置中的至少一个中标识哺乳动物受试者的生理参数。
在一个实施例中，所述方法进一步包括基于生理参数标识正常生命体征读取情况、异常传感器输出情况，或警报生命体征读取情况。在一个实施例中，异常传感器输出情况是以下项中的一个或多个：导联脱落状态，其中传感器系统的面向组织的表面不与下方患者表面紧密接触；患者运动伪影；或相对于至少两个不同传感器系统的输出偏差。在一个实施例中，当从第一传感器系统检测到的至少一个生命体征与从第二传感器检测到的生命体征相差25％或更大时，标识异常传感器输出情况。
在一个实施例中，所述方法进一步包括：连续地多模式监测与至少一个生命体征相关联的一个或多个关键参数；以及当出现传感器异常信号输出情况时通知医生或护理人员。
在一个实施例中，所述方法进一步包括当出现关键参数中的一个或多个超出预定义范围的警报生命体征读取情况时，生成警报；以及向医生或护理人员通知所述警报。
在一个实施例中，一个或多个关键参数是心脏参数、大脑活动、温度、身体移动、呼吸参数、氧合作用、发声参数、吞咽参数以及血压和血流中的一个或多个。
在一个实施例中，所述方法进一步包括以下项中的至少一个：基于生理参数评估哺乳动物受试者的身体疼痛，所述生理参数包含心率、心率变异性、呼吸频率、呼吸努力和哭闹时间，并且向医生或护理人员通知评估疼痛的位置；基于位置特定脉搏血氧饱和度评估哺乳动物受试者的局部血液灌注，所述位置特定脉搏血氧饱和度是从通过放置于身体的各个位置上的传感器系统的脉搏血氧仪测量的SpO2推导；在呼吸频率突然下降或停止，然后心率代偿性增加且SpO2下降时检测到呼吸暂停事件，并且当出现呼吸暂停事件时通知医生或护理人员，并振动传感器系统本身以触发哺乳动物受试者改变其位置或唤醒哺乳动物受试者；以及基于通过放置于不同位置中的多个空间分离的传感器系统测量的生理参数来定位解剖病理。
在一个实施例中，所述方法进一步包括在具有图形用户界面的显示器中显示生理参数、通知和警报中的至少一个。
在一个实施例中，所述方法进一步包括通过在用户可以访问生理参数之前要求安全登录来确保显示生理参数的安全。
在一个实施例中，用户是医生或护理人员、哺乳动物受试者或家庭成员，并且所述方法进一步包括基于生理参数在医生或护理人员与哺乳动物受试者或家庭成员之间无线地通信。
在一个实施例中，所述方法进一步包括基于生理参数将命令从远程医生或护理人员安全地发送到靠近哺乳动物受试者的医生或护理人员。
在一个实施例中，所述方法进一步包括当检测到预定义触发信号时，致动致动器以生成用于向哺乳动物受试者提供刺激的力。在一个实施例中，所述刺激包括用于安慰哺乳动物受试者的轻柔振动。
应注意，根据本发明的实施例的方法的全部或部分由硬件或指示相关硬件的程序实施。
本发明的又另一方面提供一种存储计算机可执行指令或程序代码的非暂时性计算机可读存储介质/存储器。计算机可执行指令或程序代码使计算机或类似计算设备能够完成无创地测量哺乳动物受试者的生理参数的上文所公开方法中的各种操作。存储介质/存储器可以包含但不限于，高速随机存取介质/存储器，例如DRAM、SRAM、DDR RAM或其它随机存取固态存储器装置；以及非易失性存储器，例如，一个或多个磁盘存储装置、光盘存储装置、闪存存储器装置，或其它非易失性固态存储装置。
根据本发明，传感器网络的应用包含但不限于，新生儿重症监护室中的重症监护监测；儿科重症监护室中的重症监护监测；新生儿/儿科心脏监护室中的重症监护监测；新生儿/儿科神经重症监护室中的重症监护监测；高危新生儿的家庭监测。
根据本发明的实施例的传感器网络具有多个优点。例如，传感器系统已完全集成并能够概括重症监护所需的完整生命体征监测。至少两个传感器系统包含但不限于ECG、高频加速计、陀螺仪、温度传感器、光电容积图单元EMG。这些传感器实现可穿戴传感器系统的迄今为止最广泛的测量，这些传感器包含传统生命体征和超越当前护理标准的新颖生理指标。
感测能力包含但不限于生命体征：心率、呼吸频率、皮肤温度(中心和外围)、核心温度传感器(当放置在腋下时)、血氧浓度。
新颖生理指标包含但不限于，无袖血压(经由脉搏到达时间或脉搏传导时间)、哭闹时间、吞咽计数、胸壁位移、心音、核心身体位置、在中心位置(例如，躯干)与远端位置(例如，四肢)之间的皮肤温度差。
根据本发明的实施例的传感器网络可以用于使上覆于心脏的胸壁移动与通过超声心动图测量的心搏出量和射血分数相关。
根据本发明的实施例的传感器网络允许分析婴儿的位置，包含何时幼儿直立。这可以用于量化重要参数，例如婴儿要袋鼠护理的时间。
根据本发明的实施例，传感器系统的输出可以用于评估各种指标，包含确定婴儿是否遭受与非意外创伤(例如虐待儿童)一致的伤害，并且可以测量作为不适或疼痛的指标的发声、哭闹时间；四肢的非同步运动；和/或通过核心身体位置测量(脸朝下躺、侧躺、平躺)进行的睡眠质量评估；新生儿平躺睡觉最安全，其它位置发生婴儿猝死综合症(SIDS)的风险更大。
根据本发明的实施例，独特的机械布局实现在移动婴儿的脆弱皮肤上进行安全部署。电路的分层设计允许对机械岛中的较高模量组件进行机械隔离；弯曲/扭转/拉伸不会干扰下层传感器或其它污染敏感组件。脉搏血氧仪单元被配置为允许周向地附接到新生儿的脚或手的软包裹物。此配置减少运动伪影并且允许SpO2的最大信号保真度。传感器本身的柔软机械特性实现紧密的皮肤耦合，而无需使用强有力的粘合剂，从而降低了医源性皮肤损伤的风险。形状因数占据较小表面积(小于2.0cm×4.0cm)的实施例有助于放置在早产儿身上。
根据本发明的实施例，电气组件的独特隔离实现在重症监护环境中操作。电池是电流隔离的，从而允许增强对新生儿的电气安全性。电极的间距能够进行调节，从而允许容纳胸壁大小截然不同的受试者(例如，孕龄为25周的早产儿与成年受试者)。屏蔽电气组件，使得即使在进行心脏除颤等救生医疗干预期间也可操作。低功率操作实现在两次充电之间可连续使用24小时。电池具有防故障功能，包含防短路和防电池爆炸电路。弹性包封的阻燃性降低了受伤的风险。
根据本发明的实施例，可穿戴传感器完全支持蓝牙5技术，从而能够通过基本单元极大地扩展感测范围。主从连接的传感器系统允许新颖生理参数的时间同步测量。当前，本文提供的网络系统与任何数目的通信协议，包含超宽带和窄带通信协议兼容。
根据本发明的实施例，传感器系统提供透明窗口，从而允许在不去除系统的情况下对下方皮肤进行直接视觉检查。穿孔的孔能够排汗。粘合剂具有基于去除方向性的可变剥离力。作为减少医源性损伤的风险的方法，减少粘合剂策略性地放置在装置的边缘(而非中心)以减少总皮肤粘合剂区域。通过额外机械连通将长效胶粘剂(>24小时粘着力)放置在新生儿身上的方法。使用水凝胶可以减少敏感脆弱的皮肤上的剥离力。这对于新生儿皮肤特别重要。
根据本发明的实施例，从更准确地反映真实生理功能的胸壁移动推导呼吸频率算法。尽管存在运动伪影，但仍可以通过改进的感测精度导出SpO2的算法。ECG和高频加速计提供双心率感测功能。双测量系统捕获准确的呼吸频率。经由阻抗肺X射线照像术通过ECG导出的呼吸频率测量值常常不准确，并且高估了真实的呼吸频率。本文描述测量胸壁移动以导出呼吸频率以及传统的阻抗肺X射线照像术的能力。可以进行连续交叉验证。高频加速计实现无电极方法，所述无电极方法无需额外的皮肤准备即可测量心率和呼吸频率；信号处理实现区分与呼吸相关的胸壁运动和心率。
根据本发明的实施例，传感器网络具有实现云存储、远程登录和安全通信的先进软件功能和互操作性。其它能力包含第三方传感器、可穿戴物和其它硬件系统的集成以及与电子健康记录的配对集成。
传感器网络的医疗应用包含但不限于多模式感测，包含无脉冲电活动。胸部的ECG可以获取完美的ECG，心脏等，但心脏实际上并未泵血(在低血容性休克的情况下)。加速计或PPG可以证实或反驳心脏活动的存在。另一方面是评估儿科新生儿疼痛：鉴于新生儿无法用语言表达，因此很难进行疼痛的测量和评估。因此，传感器网络可以提供与疼痛相关的各种测量，包含但不限于心率、心率变异性、呼吸频率、呼吸努力、哭闹时间。这进一步使得能够通知提供者或医生评估疼痛的位置。袋鼠式护理(KMC)：例如，在皮肤到皮肤，或将婴儿放在妈妈胸部的“袋鼠护理”期间，ECG传感器可以放置在新生儿的背部或侧腹上。算法实现对空间中的婴儿位置进行检测并且对与袋鼠护理相关的位置进行分类。
在某些实施例中，脉搏血氧仪单元放置于身体的各个位置上，以推导测量位置特定脉搏血氧饱和度。位置包含但不限于：所有四肢、胸部、背部、腹部、前额。这些位置实现局部血液灌注的评估，例如在前额的情形下，SpO2可以用作脑灌注的反射。呼吸暂停事件的检测：呼吸频率突然下降或停止，然后心率代偿性增加且SpO2下降可以表明需要干预；此干预包含通知医疗提供者或振动传感器本身以触发新生儿改变位置或唤醒新生儿。除了重症监护外，这些装置还可以在手术后环境、家庭环境或成人护理环境中使用。
在某些实施例中，形状因数包含具有所有电子装置和生命体征监测功能性的单个胸部单元传感器。
在某些实施例中，传感器网络具有基于预编程的或医生指定的输入产生警报的能力。这些警报包含视频通知和音频通知两者。这些通知可以显示在外部显示单元或机载传感器本身(经由机载LED或声音)上。
在某些实施例中，光体积描记器的光学单元位于婴儿的指甲(脚趾甲或手指甲)上。粘附在指甲上可提供极佳的装置/皮肤界面。指甲表面损伤的风险可以忽略不计且没有刺激的风险。
在某些实施例中，机电马达集成在传感器单元内，轻柔的振动为婴儿提供安慰并且常常诱导睡眠。传感器可以用作感测治疗耦合器。哭闹的感测可以触发轻柔的振动，从而安慰婴儿。
本发明的某些方面公开一种用于无线监测生理参数的传感器网络，其包括：多个时间同步的传感器系统，其中每个传感器系统包括用于监测生理参数的传感器；双向无线通信系统，其用于将数据无线传入和传出所述多个时间同步的传感器系统；以及远程读取器，其与所述双向无线通信系统通信以实时显示所监测生理参数，记录所监测生理参数，和/或对不一致状态发出警报。
在某些实施例中，第一传感器系统被配置成附接到中心患者区，并且第二传感器系统被配置成附接到肢体患者区。
在某些实施例中，中心患者区包括：新生儿的胸部区、包含胸骨上切迹区域的颈部区，或头部区，所述头部区包含前额区或前囟区。
在某些实施例中，肢体患者区包括以下项中的一个或多个：四肢区、脚区、手区、脚趾甲区或手指甲区。
在某些实施例中，传感器输出触发指示器以指示生命体征具有较低置信度。
在某些实施例中，传感器输出改变传感器系统的微处理器中的可执行算法。
在某些实施例中，改变的可执行算法包括滤波器、显示器参数或校正因子中的一个或多个。
在某些实施例中，传感器网络进一步包括微处理器，用于从多个传感器接收生理参数数据；以及警报模块，其可在微处理器上执行以确定至少两个传感器是否处于不一致情况。
在某些实施例中，传感器监测多个生理参数以提供关键参数的多模式监测来减少误报，并且通知护理人员传感器异常信号捕获情况。
在某些实施例中，传感器网络进一步包括监测相同生理参数的至少三个独立传感器，其中传感器测量不同物理参数，并且不同物理参数各自提供关键生命体征的独立测量且任选地位于患者身体上的不同位置处。
在某些实施例中，传感器网络进一步包括处理器，所述处理器执行一致计算器模块以将信号发送到警报，以在对应于至少三个独立传感器与范围外生命体征一致的情况下向临床医生通知所述范围外生命体征；或发送由至少三个传感器中的仅一个测量的范围外生命体征的一种传感器信号情况；由此增加传感器网络敏感性、阳性预测值并减少漏报。
在某些实施例中，传感器网络进一步包括加速计传感器，其与运动伪影模块一起使用以将生命体征标识为具有运动伪影和/或校正运动伪影。
在某些实施例中，关键参数是心率、大脑活动、温度、患者运动、呼吸或血流中的一个或多个。
在某些实施例中，传感器是ECG传感器和EKG传感器、脉搏血氧仪传感器、温度传感器、血压传感器、加速计或声传感器中的一个或多个；并且微处理器不断地比较来自传感器中的每一个的值且警报模块生成至少两个传感器之间不一致情况的信号。
在某些实施例中，传感器网络进一步包括与远程读取器无线通信的致动器，所述致动器被配置成接收致动信号以致动下方组织。
在某些实施例中，致动器是机电马达、加热器和电刺激器中的一个或多个。
在某些实施例中，读取器甚至在传感器故障情况下提供关键参数的连续显示。
在某些实施例中，传感器网络进一步包括用于无线地为传感器供电的无线电力单元。
在某些实施例中，传感器在不充电的情况下连续地操作，包含在大于8小时，或在约8小时与1天之间的时间段内连续地操作。
在某些实施例中，传感器测量以下一个或多个生理参数：哭闹时间、哭闹频率、吞咽计数、吞咽频率、胸壁位移、心音、核心身体位置、皮肤温度差、非同步四肢运动、说话。
在某些实施例中，传感器网络被配置成用于儿科或新生儿患者。
在某些实施例中，所监测生命体征提供疼痛度的指示。
在某些实施例中，传感器网络进一步包括致动器以生成配置成向患者提供刺激的力。
在某些实施例中，患者是新生儿或儿科患者并且致动器包括机电马达，所述机电马达被配置成向患者提供安慰振动力。
在某些实施例中，传感器检测到哭闹并且提供信号以自动地致动致动器并安慰患者。
在某些实施例中，传感器网络进一步包括远程控制器，所述远程控制器被配置成与传感器进行双向无线通信。
在某些实施例中，远程控制器可操作地连接到患者数据库。
在某些实施例中，远程控制器是具有显示多个所监测生理参数的图形用户界面的手持式装置或便携式装置。
在某些实施例中，远程控制器和接收器集成为单个单元。
在某些实施例中，传感器网络能够在不具有外部电源的情况下无线地操作至少24小时的时间段。
在某些实施例中，时间同步传感器独立于包含用于确定共同生理参数的多个空间分离传感器的传感器位置使来自多个传感器的生理参数数据同步。
在某些实施例中，多个传感器系统中的每一个包括：多个电子组件；蛇形互连件，其将不同电子组件电互连；弹性包封层，其围绕多个电子组件和蛇形互连件以形成底部面向组织的表面和顶部面向环境的表面；天线，其用于无线地传送从传感器系统测量的生理参数；其中底部面向组织的表面被配置成贴合皮肤表面。
本发明的某些方面还公开一种监测新生儿或儿科患者的一个或多个生命体征的方法，所述方法包括以下步骤：提供上文所公开的传感器网络；使第一传感器与患者的第一区保形地接触；使第二传感器与同第一区空间分离的患者的第二区保形地接触；通过第一和第二传感器检测与生命体征相关的一个或多个生理参数；以及将检测到的生理参数或生命体征无线地传输到远程控制器单元；由此监测一个或多个生命体征。
在某些实施例中，生命体征是以下项中的一个或多个：心脏参数(速率、强度、变异性)、呼吸参数(速率、强度、变异性)、温度、氧合作用(水平、变异性、最小值、最大值)、发声参数(哭闹持续时间、频率、强度)、吞咽参数和血压。
在某些实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：使无线传输的生理参数与唯一患者标识符相关联；由此标识患者的生理参数。
在某些实施例中，所述方法进一步包括在具有图形用户界面的显示器中显示所传输生理参数的步骤。
在某些实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：通过在用户可以访问所传输生理参数之前要求安全登录步骤来确保显示所传输生理参数的安全。
在某些实施例中，用户是医疗保健专业人员和患者或家庭成员，所述方法进一步包括以下步骤：基于检测到的生理参数或生命体征在医疗保健专业人员与患者或家庭成员之间无线地通信。
在某些实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：作为远程医疗保健专业人员的用户基于所传输生理参数安全地将命令发送到接近患者的邻近医疗保健专业人员。
在某些实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：从两个不同传感器系统内的至少两个不同传感器确定生命体征；比较至少两个生命体征确定；从比较步骤标识正常生命体征读取情况；异常传感器输出情况；或警报生命体征读取情况中的一个。
在某些实施例中，异常传感器输出情况是以下项中的一个或多个：导联脱落状态，其中传感器系统的底表面不与下方患者表面紧密接触；患者运动伪影；或相对于至少两个不同传感器系统的输出偏差。
在某些实施例中，对于来自第一传感器的至少一个生命体征标识异常传感器输出情况，所述生命体征与来自第二传感器的另一生命体征相差至少25％。
在某些实施例中，所述方法进一步包括以下步骤：标识具有异常传感器输出情况的传感器，以及警告护理人员所述情况以采取动作来校正传感器输出。
在某些实施例中，对于警报生命体征读取情况，所述方法进一步包括生成警报信号以警告医疗保健专业人员。
在某些实施例中，生命体征是温度、心率、呼吸频率或移动中的一个或多个。
在某些实施例中，生理参数是位置，并且生命体征对应于婴儿位置，即放置位置。
在某些实施例中，无线传输通过蓝牙协议进行。
在某些实施例中，生命体征是从测量胸壁移动的传感器导出的呼吸频率。
在某些实施例中，生命体征是SpO2，所述方法进一步包括通过适应任何运动伪影来提高SpO2精度的步骤。
在某些实施例中，生命体征是心率，并且所述方法进一步包括从ECG传感器和高频加速计两者检测心率，由此提供连续的交叉验证。
在某些实施例中，生命体征是呼吸频率，并且所述方法进一步包括用第一传感器测量胸壁移动以及用第二传感器测量阻抗肺X射线照像术，由此提供连续的交叉验证。
在某些实施例中，所述方法进一步包括将所传输生理参数或生命体征存储在服务器的网络中的步骤。
本发明的某些方面进一步公开一种电池供电的无线(例如，启用蓝牙5)生命体征监测系统，所述生命体征监测系统利用一对双节点的薄低模量测量模块，所述测量模块能够轻柔地且无创地连接到新生儿(甚至处于接近生存能力极限的胎龄)的皮肤。这项技术的主要区别特征包含低电池电量操作实现两次充电之间连续使用至少24小时，同时可监测整套生命体征。除了当前未测量的高级生理参数外，这些设计还能够测量传统生命体征。传感器的皮肤界面和电气/机械设计允许与脆弱的新生儿皮肤安全结合，即使在心脏除颤等救生干预期间也是如此。
本文还公开使用本文中所描述的传感器网络、传感器系统和电子组件中的任一个监测的方法。本文还提供用于执行本文所描述的方法中的任一个的传感器网络。
下文进一步描述本发明的这些和其它方面。不打算限制本发明的范围，下文给出根据本发明实施例的实例。应注意，为了方便读者，实例中可以使用标题或副标题，其决不应限制本发明的范围。此外，本文中提出并公开了某些理论；然而，无论其是正确的还是错误的，其决不应限制本发明的范围，只要本发明是不考虑任何特定作用理论或流程根据本发明实施的即可。
传感器网络概述和电气组件
取决于每个传感器系统的功能性，传感器系统中的每一个包括如在图2A-2G中示意性地说明的多个电气组件。图2A-2C和2F中的每一个示出根据本发明的不同实施例的心电图(ECG)传感器系统的示意图，所述ECG传感器系统被配置成测量附加生理参数，例如温度和位置/运动。电极和加速计连接到例如放大器和滤波器的互补电气组件。图2A、2B、2D和2G中的每一个说明根据本发明的不同实施例的光电容积图(PPG)传感器系统，所述PPG传感器系统包含温度传感器。PPG传感器包含光电检测器以及包含发光二极管(LED)的光源，例如红外线或红光。相关联电子组件包含放大器和滤波器。与微处理器的无线通信包含低功耗蓝牙(BLE)通信。
图4中提供用于安放包含(如所说明)脚的附器的代表性几何形状。图3中概述两个传感器系统的细节。时间同步的传感器系统(包含例如图3的传感器系统)的组合提供多个重要优势。例如，可以独立地监测多个生命体征并相互交叉检查，以提供更高保真度的监测和信息，从而区分与传感器故障(例如，由于与皮肤的接触不良引起)相比的严重医疗事件。传感器系统具有无线的功能特性，具有较长的电池寿命，并且在传感器系统与皮肤之间至多具有例如水凝胶的生物温和粘合剂。胸部传感器系统可以测量ECG、心率、温度(医疗级)、呼吸频率(RR)和运动检测。脚传感器系统可以测量血氧饱和度(SpO2)和温度。这些系统可以一起从脉搏到达时间(PAT)或脉搏传导时间(PTT)测量血压。
图2C-2D是一个传感器系统的示意图，其中顶部图说明未变形的传感器系统、拉伸传感器系统和折叠或扭转的传感器系统。底部图是电气组件的各种位置以及系统通过使用薄层电子、蛇形电气互连件和应力敏感元件(例如，电极、集成电路和芯片、电源、通信组件和处理器)的定位来适应各种施加力(包含拉伸(屈曲)和折叠(弯曲))的能力的示意图。系统可以用包封层(包含连续包封层)包封，因为不需要外部导线连接。
图2E中说明类似的传感器系统，但是配置用于安放附器或四肢。上图说明配置成环绕附器或四肢的传感器。
PCB可以使用3/3密耳的迹线间距来制造，根据感兴趣的应用，减小到使用3/2密耳的迹线间距来制造。PCB可以包括具有约6.92密耳(例如，小于约0.2mm)的厚度的多个堆叠层。
本文提供的传感器网络和系统的感测能力提供一系列感测能力，包含测量与心率、心率变异性、呼吸频率、皮肤温度、脉搏血氧饱和度、心冲击描记法、呼吸努力、哭闹时间、吞咽计数、无袖血压中的一个或多个相关的参数。
充电平台优选地具有小于15×15mm2的接收器尺寸、高达200mW的功率传递容量，以及高达约2到3cm的有效无线充电距离。无线充电类似于标准WPC Qi，但是实际Qi标准对于即时系统来说往往是不够的。接收器侧要求是谐振频率为110-205kHz的线圈，其中本文提供用于谐振频率的较大线圈。为了提高效率和电感线圈匝数比，需要额外的磁通量屏蔽，但这种屏蔽给传感器系统增加了不必要的体积，使其难以实现长期耐磨性。
比较NFC和Qi标准，包含通过频率范围(13.56MHz对110-205kHx)、充电功率范围(100-500mW对5-120W)和典型的接收器尺寸(大于10×10mm2对45×45mm2)比较。
示例性电子组件是NFC读取器IC，例如，ST25R3911A NFC读取器IC(图1G)。NFC启动器/HG读取器可以用于充电器平台。在差分驱动支持下，可获得高达1.4W的传输功率输出。以此方式，实现用于功率效率的发射器控制和唤醒模式。实现体积小且重量轻的传感器系统，所述传感器系统可贴合身体表面且重量轻，例如4.7cm×2.2cm×0.5cm(4.8克)或4.0cm×1.9cm×0.5cm(4.6克)。
软件和算法
图6说明根据本发明的一个实施例的传感器网络系统的操作的流程图。在示例性实施例中，传感器网络的操作开始检查电池模块是否需要充电。如果需要充电，则系统使机载存储器同步且执行固件更新，然后返回以检查电池模块是否需要充电。如果不需要充电，则系统初始化外围设备且随后进入低功率模式，之后检查传感器系统是否连接。如果否，则传感器网络系统播发连接到主机的请求，然后进入低功率模式。如果是，则传感器系统对信号进行采样，然后用数字信号处理(DSP)来处理所采样的信号。处理后的信号进行BLE传递，同时将传递写入机载存储器日志中。然后重复信号采样过程。系统与任何数目的硬件装置和平台兼容，包含移动电话、手持设备和计算机。
参考图7，示出根据本发明的一个实施例的高级云架构示意图。一般来说，用于实时监测的传感器网络、存储来自传感器网络的实时监测的数据的患者数据库，以及装置管理可操作地与用户界面和/或第三方分析引擎进行双向无线通信，并且还可操作地与移动装置、此种智能电话和平板计算机进行无线通信。另外，监测器数据可以存储在可以与支持蓝牙的装置通信的医院的电子健康记录系统中。
图8A示出根据本发明的一个实施例的使用ECG传感器进行呼吸频率(RR)估计的算法。图8B通过与图8C中提供的ECG EES相比的实际计数的图说明基于由ECG传感器测量的ECG信号，使用图8A所示的算法的RR估计。例如，如图8B中所示，从所测量的ECG(左上图)监测到峰值p1(右上图)，然后确定峰值p1的包络(左下图)。对于RR估计检测(右下图)所确定的峰值包络的峰值p2。
图9A示出根据本发明的另一个实施例的使用胸壁移动进行RR估计的算法。图9B说明基于例如由加速计测量的所测量胸壁移动使用图9A中所示的算法进行的RR确定。在此实施例中，与胸壁移动(左上图)相关联的SCG信号用带通滤波器(BPF)处理以获得带通滤波的(fc1＝0.5Hz、fc2＝5Hz)信号(右上图)，然后检测(左下图)所述信号的峰值以用于RR估计。
在这些示例性实施例中，传感器网络表征为多模式的，因为不同传感器可以用于确定相同生理参数。此多模式输入提供实现大量更可靠的数据读出和干预的能力，这在重症监护应用和新生儿护理中很重要。
在某些实施例中，可以通过连续小波变换(CWT)和离散饱和度变换(DST)确定脉搏血氧饱和度(SpO2)。图10概述对于脉搏血氧饱和度的CWT和DST的算法。在示例性实施例中，SpO2的计算涉及已知用于有效运动伪影减少的算法，这对于计算准确值至关重要，因为NICU和PICU中的婴儿通常是烦躁不安的。带通滤波(fc1＝0.5Hz、fc2＝5Hz)和归一化的PPG信号进一步用构建信号的连续视频分析的CWT处理。CWT有效地检测可以由运动驱动的伪影引起的时域中的频率快速变化，所述运动驱动的伪影用作第一运动伪影减少阶段。在进行功率比计算并获得中值之后，信号处理通过DST算法进一步抑制运动伪影。DST算法涉及自适应滤波并基于光密度比确定参考噪声信号和真实信号的族。自适应滤波自动地消除基于预定参考的噪声内容。这一系列信号处理实时发生以产生准确的SpO2值。
图11A-11B分别说明对于干净信号(不具有运动伪影)和噪声信号(运动污染的信号)的SpO2的最终结果，其中使用基于CWT的抗运动算法。时频域(TF)分析区分真实脉动响应和运动诱发响应。
传感器性能
参考图12，根据本发明的某些实施例，对于心率，与护理标准系统相比来自实验系统的平均差是在18个受试者中聚集的每分钟-0.47次心跳。平均差的标准偏差是每分钟3.0次心跳。因此，95％的数据处于小于每分钟6.0次心跳的差异内。在较低心率(<每分钟100次心跳)和较高心率(>每分钟170次心跳)下，实验无线系统的一致性保持可比性。
参考图13，根据本发明的某些实施例，对于血氧浓度，平均差是0.11％且实验系统与护理标准系统之间，在16个受试者中聚集的平均差的标准偏差是1.8％。因此，95％的数据处于小于3.6％血氧浓度的差异内。在较低血氧浓度(<90％)以及较高血氧浓度(>96％)两者下，实验无线系统的一致性保持可比性。两名受试者在下肢均具有静脉输液管或其它必要的医疗设备并被排除在外。
参考图14，根据本发明的某些实施例，对于呼吸频率，平均差是每分钟-2.0次呼吸，其中实验系统与参考系统之间的平均差的标准偏差为每分钟8.7次呼吸。呼吸频率的较高变化可能与呼吸频率的测量模式的差异有关。通过ECG由实验系统导出呼吸频率，而参考菲利浦监护仪使用了胸阻抗呼吸描记法)。在低呼吸频率和高呼吸频率(每分钟<30次和>70次呼吸)中进行测量时，观察到相似性能。
图15示出根据本发明的实施例的通过传感器网络确定的心率，其示出与FDA批准的装置等效的性能。
图16说明在根据本发明的一个实施例的ECG传感器系统与FDA批准的黄金标准装置之间的良好一致性。顶部图示出通过ECG传感器系统和FDA批准的黄金标准装置两者测量的原始数据。中间图示出通过ECG传感器系统和FDA批准的黄金标准装置测量的装置的线性校准。在校准之后，如在图16的底部图中所示，两个不同系统之间的测量值具有良好的相关性，校准后的差值为1.1±1.9。说明SpO2(％)和温度的类似等效性。这些校准因子可以用于任何算法中，以进一步提高传感器精度。
图17说明根据本发明一个实施例的全无线传感器平台(顶部图)和使用由无线传感器平台测量的860nm的IR波长、660nm的红色波长、3.7mm的源检测器距离的新生儿前额测量(底部图)。
皮肤安全性
传感器网络部署在早产儿和低出生体重新生儿(<2000克)两者上。第一传感器系统1910邻近于现有监测电极部署在胸部。第二传感器系统1950放置于脚上以用于脉搏血氧测定。护理标准脉搏血氧仪放置在对侧四肢上。第一传感器系统放置于中心胸部上。在去除传感器15分钟后，第一传感器系统1910和第二传感器系统1950下面的皮肤未显示出红斑、刺激、起泡或糜烂的可见迹象，这在图18A-18B中说明。
在某一实施例中，传感器系统用于评估提供给下方皮肤的热负荷。胸部安装传感器24小时后的皮肤温度为35.4℃且去除后的皮肤温度为36.9℃。这意味着没有任何实质性的热量产生或转移到下面的组织，如图19所示。对于安装在脚上的附器传感器也得到了类似的结果。在长时间使用期间以及在去除后，对装置和皮肤的热图像的分析显示传感器系统不会产生可检测的热量。
温度
图20的左图说明如通过箭头指示的温度传感器的两个不同配置。在左上图中，温度探针与辅助电气组件一起定位。在左下图中，将温度探针从其它电气组件移动约3cm的距离。右侧图像说明将装置安放到皮肤。目的是进一步改进装置与核心温度测量之间的相关性。
图21说明对于胸部单元(顶部图)和脚单元(底部图)的温度传感器校准。用温度计校准医疗级温度传感器，因此胸部单元和脚单元的温度精度分别为±0.09℃和±0.08℃。图22说明温度测量的相关性，其示出即时温度传感器与黄金标准FDA批准的温度传感器非常一致，其中平均差是0.07℃。与核心温度相比，在图23(顶部图)中提供使用图22的不同装置的温度测量结果。图23的底部图说明装置与红外测量非常一致。
袋鼠式护理(KMC)
在某些实施例中，可以模拟KMC，其中新生儿放置于妈妈的胸部、被抱着或睡在床上，位置由传感器系统中具有加速计的传感器网络监测，如图24-27中所示。图24是用于睡觉、抱在手臂上以及在KMC位置中紧靠身体托抱的三维传感器位置(x、y、z)的图形表示。图25示出由具有加速计的传感器系统确定的婴儿在通过照片反映的不同位置的平均(x、y、z)位置。图26是用于睡觉、进食、托抱和KMC位置的位置结果的图形表示。图27是根据本发明的某些实施例的测量(x、y、z)位置的概述。此外，加速计传感器可以用于随时间提供婴儿位置的视频再现，并将身体位置与一个或多个所监测生理参数相关联。
图28中概述临床研究中新生儿的打嗝。这些信息可以与视频录制相比较，作为实验室内参考。先前观察到的峰值重新生成并且与4Hz频率有很好地相关。
图29概述示出随时间变化的x、y、z位置的实验室内模拟的曲线图。
各种算法可用于对包含传感器位置的传感器数据进行分类，如在图30A中概述。例如，各种监督学习(SVM、神经网络)和无监督学习(例如，高斯混合模型)可以有助于传感器位置的分类。图30B示出根据本发明的一个实施例的用于对传感器数据进行分类的算法的流程图。一般来说，用于对传感器数据进行分类的算法开始于对原始数据进行预处理(滤波)。随后使用快速傅里叶变换(FFT)和/或标准偏差(STD)对预处理后的数据执行特征提取。提取的特征可以通过无监督学习(例如，高斯混合模型)或通过数据标记以及随后进行监督学习(SVM、神经网络)进行聚集。
例如，对于支持向量机，可以实施监督学习算法。这涉及找到在其偏移量之间有最大裕度的超平面，这将“削减”数据类别。SLM的特征是它们实施起来相对简单，在二进制分类中有效并且可以执行线性分类和非线性分类两者。在一个实施例中，可以实现实时分类，例如与姿势(躺、站立)、倾斜(KMC、倾斜)和运动(静止、运动)有关。可以获得这些参数的实时曲线图。
图31说明根据本发明的某些实施例的基于加速计传感器系统的用于姿势、倾斜和移动的数据标记(顶部图)(总共8个标记)以及从KMC 24小时数据测量(中间图和底部图)提取的数据。
用户界面
根据本发明，传感器网络是高度可配置且用户友好的，特别是在快速地且自然地传送一系列信息的用户界面方面。在图32A-38中提供用户界面的各种实例。
如图32A中所示，远程读取器可以是例如智能电话、平板计算机等的手持式装置。当然，无线传输使传感器网络与任何数目的读取器平台兼容。读取器可以显示实时或所存储数据。图32B说明与ECG、RR、SpO2、PTT和温度相关的所显示参数，包含运行平均值、瞬时读数和时间曲线图。
根据图33中所示的某些实施例，读取器可以包含经由蓝牙连接(例如，装置A、装置B、…装置E)连接到各种传感器。可以启用一系列警报设置中的任一个(图34)，使得读取器的用户可以知道落在期望范围之外的任何信号。
另外，还可以显示患者位置，如图35A和35B中所示，其示出患者平躺(图35A)对比侧躺(图35B)。如图36中所示，很容易地以书面、口头或图片/视频形式记录笔记。
根据本发明，当发生传感器故障，例如导联脱落情况时，其可以被迅速地传送，如图37中所示。进一步的传感器选择、控制和连接(包含胎儿和/或产妇)与即时传感器网络兼容，如图38中所示。
远程医疗
图39说明根据本发明的一个实施例的传感器网络的远程医疗应用。传感器网络具有带有唯一患者标识符信息的无线输出。将输出提供给读取器，所述读取器可以具有显示单元和处理器以用于进一步处理输出数据。可以将处理后的数据提供给医生/临床医生和/或患者门户，其中安全的远程登录确保仅授权的护理人员和个人可以访问数据。患者/家庭成员与护理人员之间可能存在双向通信。护理人员可以与患者所在的远程站点进行双向通信，从而确保有效地且快速地将适当的医嘱传达给就地护理人员。因此，新生儿的护理人员以及提供者都可以查看传感器输出。在发展中国家或农村社区，接受过重症监护培训的熟练新生儿学家的数量有限。本公开中的可穿戴传感器还可以允许医生/临床医生安全地查看，从而允许eNICU护理。
参考图40，根据本发明的一个实施例示出说明用至少三个不同传感器测量生理参数的优势的流程图概述。根据传感器网络的实施例，如果所有三个传感器获得的类似读数超出参数的指定正常范围，则向护理人员通知警报。如果一个传感器超出了定义的一致范围(例如+/-10％，或用户确定的范围可能与所使用的特定传感器和正在测量的生命体征有关)，则会发送所述传感器的异常信号通知，以便可以采取补救措施。或者，如果所有传感器一致认为参数超出“正常”范围，则可以通知临床医生，以便立即进行干预/评估。当然，即使发生这种情况，传感器也可能持续运行，从而提供参数测量。对于正常操作条件，虚线箭头反映传感器网络仅继续正常操作。
图41示出类似图40的流程图概述，但是使用用于补偿和校正运动伪影的附加传感器4加速计，从而进一步提高传感器精度和可靠性。
图42是根据本发明的一个实施例的无线通信以及用于提供时间同步传感器的蓝牙时间同步的示意图。在此示例性实施例中，多个传感器网络(例如，4210、4220和4230)通过例如局部网络彼此通信。如上文所公开，每个传感器网络4210、4220或4230具有多个传感器系统，所述多个传感器系统空间分离地附接到人类受试者的躯干区和四肢或附器区，并且彼此时间同步且通过例如专用网络彼此无线通信。同时，每个传感器网络4210、4220或4230通过蓝牙与读取器无线通信。作为此配置，除了执行针对部署传感器网络的人类受试者论述的测量和/或监测功能，传感器网络4210、4220或4230与其它者通信。
仅出于说明及描述的目的呈现本发明的示例性实施例的上述描述且并非意图是详尽的或将本发明限于所公开的精确形式。鉴于上文教示，许多修改和变化是可能的。
选择和描述实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，由此使得本领域的其它技术人员能够利用本发明和各种实施例，并进行适合于所预期的具体用途的各种修改。替代实施例将对于本领域的技术人员变得显而易见，本发明在不偏离其精神和范围的情况下涉及所述替代实施例。因此，本发明的范围是由所附权利要求书而非前述描述和其中所描述的示例性实施例来定义。
Claims (47)
1.一种用于测量哺乳动物受试者的生理参数的传感器网络，其包括：
多个空间分离的传感器系统，其彼此时间同步，其中所述多个空间分离的传感器系统中的每一个附接到所述哺乳动物受试者的相应位置，并且包括：传感器构件，其用于测量至少一个生理参数；片上系统(SoC)，其具有耦合到所述传感器构件的微处理器，以用于从所述传感器构件接收数据并且处理接收到的数据；以及收发器，其耦合到所述SoC以用于无线数据传输和无线功率采集；以及
微控制器单元(MCU)，其适合于与所述多个空间分离的传感器系统进行无线通信，以将数据无线传入和传出所述多个空间分离的传感器系统。
2.根据权利要求1所述的传感器网络，其中每两个相邻的传感器系统在空间上分离能够在最小距离与最大距离之间调整的相应距离。
3.根据权利要求1所述的传感器网络，其中所述多个空间分离的传感器系统包括：第一传感器系统，所述第一传感器系统被配置成附接到所述哺乳动物受试者的中心区；以及第二传感器系统，所述第二传感器系统被配置成附接到所述哺乳动物受试者的肢体区。
4.根据权利要求3所述的传感器网络，其中所述中心区包括所述哺乳动物受试者的以下项中的一个或多个：胸部区、包含胸骨上切迹区域的颈部区，以及头部区，所述头部区包含前额区或前囟区，并且其中所述肢体区包括所述哺乳动物受试者的四肢区、脚区、手区、脚趾甲区和手指甲区中的一个或多个。
5.根据权利要求4所述的传感器网络，其中所述第一传感器系统的所述传感器构件包括在空间上彼此分离以用于心电图(ECG)生成的至少两个电极。
6.根据权利要求4所述的传感器网络，其中所述第二传感器系统的所述传感器构件包括血管容积图(PPG)传感器，所述PPG传感器包括光源以及位于传感器覆盖区内的光检测器。
7.根据权利要求5或6所述的传感器网络，其中所述传感器构件进一步包括以下项中的一个或多个：
加速计，其用于测量位置和移动中的至少一个；
惯性测量单元(IMU)，其用于测量移动、力、角速率和定向中的至少一个；
温度传感器，其用于测量温度。
8.根据权利要求7所述的传感器网络，其中所述加速计或所述IMU用于测量心震描记法(SCG)和呼吸频率中的至少一个。
9.根据权利要求7所述的传感器网络，其中所述加速计或所述IMU与运动伪影模块一起用于将生命体征标识为具有运动伪影并且校正运动伪影。
10.根据权利要求1所述的传感器网络，其中所述传感器构件包括ECG传感器、EKG传感器、脉搏血氧仪传感器、温度传感器、血压传感器、加速计或声传感器中的一个或多个。
11.根据权利要求1所述的传感器网络，其中所述生理参数包括以下项中的一个或多个：包含心搏出量和射血分数的心脏活动、氧合水平、温度、皮肤温度差、身体移动、身体位置、呼吸参数、血压、哭闹时间、哭闹频率、吞咽计数、吞咽频率、胸壁位移、心音、核心身体位置、非同步四肢运动、说话和生物力学扰动。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的传感器网络，其中所述MCU被配置成执行以下功能中的至少一个功能：
从所述多个空间分离的传感器系统接收并处理所述生理参数的所测量数据；
将所述生理参数的处理后数据传输到患者数据库、云服务器和移动装置中的至少一个；
连续地多模式监测与至少一个生命体征相关联的一个或多个关键参数；并且当出现传感器异常信号输出情况时通知医生或护理人员；以及
当出现所述关键参数中的所述一个或多个超出预定义范围的警报生命体征读取情况时，生成警报，并且向医生或护理人员通知所述警报。
13.根据权利要求12所述的传感器网络，其中所述一个或多个关键参数是心脏参数、大脑活动、温度、身体移动、呼吸参数、氧合作用、发声参数、吞咽参数以及血压和血流中的一个或多个。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的传感器网络，其中所述MCU被配置成进一步执行以下功能中的至少一个功能：
基于所述生理参数评估所述哺乳动物受试者的身体疼痛，所述生理参数包含心率、心率变异性、呼吸频率、呼吸努力和哭闹时间，并且向医生或护理人员通知评估所述疼痛的位置；
基于位置特定脉搏血氧饱和度评估所述哺乳动物受试者的局部血液灌注，所述位置特定脉搏血氧饱和度是从通过放置于身体的各个位置上的所述传感器系统的脉搏血氧仪测量的外围血氧饱和度(SpO2)推导；以及
在所述呼吸频率突然下降或停止，然后所述心率代偿性增加且所述SpO2下降时检测到呼吸暂停事件，并且当出现所述呼吸暂停事件时通知医生或护理人员，并振动所述传感器系统本身以触发所述哺乳动物受试者改变其位置或唤醒所述哺乳动物受试者；以及
基于通过放置于不同位置中的所述多个空间分离的传感器系统测量的所述生理参数来定位解剖病理。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的传感器网络，其中所述MCU包括用于所述生理参数的实时显示、所述生理参数的记录和警报中的至少一个的移动装置。
16.根据权利要求15所述的传感器网络，其中所述移动装置与所述多个空间分离的传感器系统进行双向无线通信。
17.根据权利要求16所述的传感器网络，其中所述移动装置与所述患者数据库进行无线通信。
18.根据权利要求17所述的传感器网络，其中所述移动装置是具有显示所述多个生理参数的图形用户界面的手持式装置或便携式装置。
19.根据权利要求1至14中任一项所述的传感器网络，其进一步包括用于无线地为所述传感器系统供电的电力单元。
20.根据权利要求19所述的传感器网络，其能够在没有外部电源的情况下无线地运行至少24小时的时间段。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的传感器网络，其中所述多个空间分离的传感器系统中的至少一个进一步包括致动器，所述致动器被配置成当检测到预定义触发信号时生成用于向所述哺乳动物受试者提供刺激的力。
22.根据权利要求21所述的传感器网络，其中所述刺激包括用于安慰所述哺乳动物受试者的轻柔振动。
23.根据权利要求21所述的传感器网络，其中所述致动器是机电马达、加热器和电刺激器中的一个或多个。
24.根据权利要求1至23中任一项所述的传感器网络，其中所述多个空间分离的传感器系统中的每一个进一步包括：
多个柔性可拉伸的互连件，其电连接到多个电子组件，所述多个电子组件包含所述传感器构件、所述SoC和所述收发器；以及
弹性包封层，其围绕所述电子组件和所述多个柔性可拉伸互连件，以形成面向组织的表面和面向环境的表面，其中所述面向组织的表面被配置成贴合所述哺乳动物受试者的皮肤表面。
25.根据权利要求24所述的传感器网络，其中所述收发器包括磁性环形天线，所述磁性环形天线被配置成允许通过单个链路同时进行无线数据传输和无线功率采集。
26.根据权利要求25所述的传感器网络，其中所述多个空间分离的传感器系统中的每一个的所述电子组件进一步包括用于将电力提供到所述传感器系统的电池，并且所述弹性包封层被配置成在使用期间将所述电池与所述哺乳动物受试者电隔离。
27.根据权利要求26所述的传感器网络，其中所述电池是通过无线充电可操作地充电的可充电电池。
28.根据权利要求26所述的传感器网络，其中所述多个空间分离的传感器系统中的每一个的所述电子组件进一步包括防故障元件，所述防故障元件是短路保护组件或用于避免电池爆炸的电池电路。
29.根据权利要求26所述的传感器网络，其中所述包封层包括阻燃材料。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的传感器网络，其中所述哺乳动物受试者是人类受试者或非人类受试者。
31.一种用于测量哺乳动物受试者的生理参数的方法，其包括：
部署根据权利要求1至29中任一项所述的传感器网络，其中至少一个第一传感器系统附接到所述哺乳动物受试者的中心区并且至少一个第二传感器系统附接到所述哺乳动物受试者的肢体区，使得所述第一传感器系统和所述第二传感器系统在空间上分离一定距离；
将所述多个空间分离的传感器系统同步到共同时基；
从所述多个空间分离的传感器系统测量所述生理参数的数据；以及
无线地传输时间同步的所测量生理参数。
32.根据权利要求31所述的方法，其中通过与所述多个空间分离的传感器系统进行无线通信的所述微控制器单元(MCU)执行所述无线地传输所述时间同步的所测量生理参数。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述无线地传输所述时间同步的所测量生理参数包括：
从所述多个空间分离的传感器系统接收并处理所述生理参数的所测量数据；以及
将所述生理参数的处理后数据传输到患者数据库、云服务器和移动装置中的至少一个。
34.根据权利要求32所述的方法，其进一步包括：
将无线传输的生理参数与唯一患者标识符相关联，由此在所述患者数据库、所述云服务器和所述移动装置中的至少一个中标识所述哺乳动物受试者的所述生理参数。
35.根据权利要求32所述的方法，其进一步包括基于所述生理参数标识正常生命体征读取情况、异常传感器输出情况，或警报生命体征读取情况。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述异常传感器输出情况是以下项中的一个或多个：
导联脱落状态，其中传感器系统的所述面向组织的表面不与下方患者表面紧密接触；
患者运动伪影；或
相对于至少两个不同传感器系统的输出偏差。
37.根据权利要求36所述的方法，其中当从所述第一传感器系统检测到的至少一个生命体征与从所述第二传感器检测到的生命体征相差25％或更大时，标识所述异常传感器输出情况。
38.根据权利要求37所述的方法，其进一步包括：连续地多模式监测与所述至少一个生命体征相关联的一个或多个关键参数；以及当出现所述传感器异常信号输出情况时通知医生或护理人员。
39.根据权利要求38所述的方法，其进一步包括当出现所述关键参数中的所述一个或多个超出预定义范围的所述警报生命体征读取情况时，生成警报，并且向医生或护理人员通知所述警报。
40.根据权利要求38或39所述的方法，其中所述一个或多个关键参数是心脏参数、大脑活动、温度、身体移动、呼吸参数、氧合作用、发声参数、吞咽参数以及血压和血流中的一个或多个。
41.根据权利要求31到40中任一项所述的方法，其进一步包括以下项中的至少一个：
基于所述生理参数评估所述哺乳动物受试者的身体疼痛，所述生理参数包含心率、心率变异性、呼吸频率、呼吸努力和哭闹时间，并且向医生或护理人员通知评估所述疼痛的位置；
基于位置特定脉搏血氧饱和度评估所述哺乳动物受试者的局部血液灌注，所述位置特定脉搏血氧饱和度是从通过放置于身体的各个位置上的所述传感器系统的脉搏血氧仪测量的外围血氧饱和度(SpO2)推导；
在所述呼吸频率突然下降或停止，然后所述心率代偿性增加且所述SpO2下降时检测到呼吸暂停事件，并且当出现所述呼吸暂停事件时通知医生或护理人员，并振动所述传感器系统本身以触发所述哺乳动物受试者改变其位置或唤醒所述哺乳动物受试者；以及
基于通过放置于不同位置中的所述多个空间分离的传感器系统测量的所述生理参数来定位解剖病理。
42.根据权利要求31至41中任一项所述的方法，其进一步包括在具有图形用户界面的显示器中显示所述生理参数、通知和所述警报中的至少一个。
43.根据权利要求42所述的方法，其进一步包括通过在用户能够访问所述生理参数之前要求安全登录来确保所述显示所述生理参数的安全。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述用户是医生或护理人员、所述哺乳动物受试者或家庭成员，所述方法进一步包括基于所述生理参数在所述医生或护理人员与所述哺乳动物受试者或家庭成员之间无线地通信。
45.根据权利要求43所述的方法，其进一步包括基于所述生理参数将命令从远程医生或护理人员安全地发送到靠近所述哺乳动物受试者的医生或护理人员。
46.根据权利要求31至46中任一项所述的方法，其进一步包括当检测到预定义触发信号时，致动致动器以生成用于向所述哺乳动物受试者提供刺激的力，其中所述刺激包括用于安慰所述哺乳动物受试者的轻柔振动。
47.一种存储指令的非暂时性有形计算机可读介质，所述指令在由一个或多个处理器执行时致使执行根据权利要求31至46中任一项所述的方法。
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