JP2020513988A - 医療機器用の向上された無線通信 - Google Patents

Abstract

医療機器（１００、１２０）間の無線通信のための方法及び装置が提供される。幾つかの実施形態においては、汎用の低電力、低帯域幅通信プロトコルが、高い忠実度及び信頼性で複数の信号を同時に伝送するために利用されてもよい。例えば、心音データ及びＥＣＧデータが、共通のＡＤＰＣＭ構成要素（３３０）を使用して圧縮され、共通のＢＬＥパケット構造（２００）に挿入されてもよい。コマンド制御データ（２２０）がまた挿入されてもよい。要求されたコマンド制御データ報告頻度がパケット頻度より低い場合には、ヘッダビットが、所与のパケットバイト位置において複数のタイプのコマンド制御データを伝送するために利用されてもよい。ローリングパケットシーケンス値は、リンク保全性障害を識別するために受信機器によって使用されるために、共通のパケット構造に挿入されてもよい。

Description

本開示は、無線電子通信を利用する医療機器に関する。より詳細には、本開示は、無線心臓センサのような医療機器用途において無線通信を向上させるための方法及び装置に関する。

電子機器のための無線通信技術の使用は、ますます普及している。無線機器は、利便性及び使い易さを提供する。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）は、無線通信プロトコルとして特に普及している。それは、非常に低い消費電力で短距離に亘ってデジタル信号を送信するための多目的の機構を提供する。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈは、携帯電話、タブレット型コンピュータ、パーソナルコンピュータ、無線ヘッドフォン、自動車、及び様々な他の機器のタイプの間で広く行き渡った規格となっている。結果として、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ機器は、他の電子機器と容易に相互運用可能である。その一方で、大量生産が、トランシーバチップセット及び回路基板に対する容易な利用可能性及び相対的低コストをもたらし、この規格の広範囲の採用を更に強固にする。

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ（「ＢＬＥ」）は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ４．０プロトコル内で画定されたサブプロトコルであって、それは、クライアント機器（例えばセンサ）とサーバ機器（例えば携帯電話又はパーソナルコンピュータ）との間の高エネルギー効率のデータ転送を可能にする。ＢＬＥは、電力消費を最小化することが重要になる場合があるバッテリ式機器に特に有益である。

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈの普及及びＢＬＥの電力効率は多くの利点を提供するが、幾つかの機器タイプ、特に医療計装に関しては、標準的なＢｌｕｅｔｏｏｔｈ実装によっては充分に満足されない場合がある通信要件を生じさせる。例えば、多くのタイプの計装は、慣例上、複数の有線機又は複数の無線機によって伝送される複数の信号タイプの送信を要求する場合がある。しかし、民生用電子機器は提供される無線機の数が制限され場合があり、一方、複数の無線機を有するセンサはより大きな電力消費を要求する場合があり、それは、より大きいバッテリ及び／又はより悪いバッテリ寿命をもたらす。一方、ＢＬＥ帯域幅の制限が、センサの性能に影響を与える場合がある。例えば、人間は通常、約２０Ｈｚ〜約２０ｋＨｚの範囲の音を認識することができるが、プロトコルとしてのＢＬＥは、小さいパケットサイズ及び遅いパケット速度に起因して、人間の音声スペクトルの全体を送信するための充分な帯域幅を有しない。慣例上のＢｌｕｅｔｏｏｔｈ及びＢＬＥの実装は、無線心臓機器のような医療機器にとって特に不利である場合があり、又は制限する場合がある。

ＢＬＥベースの無線通信プロトコルの向上された実装が、無線医療機器用途において高レベルの性能を提供することができ、一方、依然として汎用Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈトランシーバハードウェア及び汎用ホスト電子機器の使用を可能にする。

幾つかの実施形態においては、無線センサからホスト機器に心臓データを送信するための方法が提供される。心音データ及びＥＣＧデータが、例えば、患者において感知された音声及び電気信号をデジタル化するオンボードのトランスデューサを介して、無線センサにおいて受信される。心音データ及びＥＣＧデータは、例えば、約２ｋＨｚを超える周波数成分を減衰させるための心音データへのデジタルローパスフィルタの適用を介して、フィルタリングされることができる。心音データ及びＥＣＧデータは、例えば、適応差分圧縮構成要素へのデータの適用を通して、圧縮される。幾つかの実施形態においては、共通の適応差分圧縮構成要素が、心音データとＥＣＧデータとの両方に適用されることができる。圧縮された心音データ及び圧縮されたＥＣＧデータが、共通のパケット構造に組み合わされ、無線センサからホスト機器に送信されることができる。

共通のパケット構造はまた、コマンド制御データを含んでもよい。パケット頻度がコマンド制御データ報告の要求頻度より高い実施形態においては、コマンド制御データは、関連するコマンド制御値が関連する複数のコマンド制御データコンテンツタイプのうちの１つを示すヘッダビットを含んでもよく、それによって、パケット構造内のコマンド制御データに割り当てられる必要があるビット数を低減する。

共通のパケット構造はまた、無線通信リンク保全性問題を識別するための機構を含んでもよい。ローリング４ビット値のようなパケットシーケンス値は、心臓センサのような送信機器によって各パケットに挿入されることができる。受信機器、例えば、ホスト機器は、連続的に受信されたパケットが連続的なパケットシーケンス値を有することを保証するためにパケットシーケンス値を復号化することができる。受信機器がローリングパケットシーケンス値のギャップを識別する場合には、受信機器は、無線通信リンク保全性の障害の存在を判定してもよい。そして、このような障害は、例えば、ホスト機器ユーザインタフェースにおいて警告表示を表示することを介して、ユーザに伝送されてもよい。

無線心臓センサ及びホスト機器を含む医療計装環境の概略ブロック図である。 無線パケット構造の概略ブロック図である。 心臓信号処理チェーンの概略ブロック図である。

本発明は、多くの異なる形態における実施形態の影響を受けやすいが、幾つかの特定の実施形態は、当業者が本発明を製造及び使用することを可能にするために、本開示が本発明の原理の例示として見なされるべきであることを理解した上で、図面に示され、且つ本明細書で詳細に説明され、本発明を例示された実施形態に限定することは意図されない。

Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙのような低電力、低帯域幅無線通信プロトコルを介して、医療機器データ、特に心臓診断データを効率的に送信するために使用されることができる技術が説明される。以下に説明される幾つかの技術は、個別に又は組み合わせて適用されることができる。

図１は、実施形態が用いられることができる典型的な動作環境を例示する。心臓センサ１００は、心音及びＥＣＧ電気記録を含む複数のタイプの診断データを検出することができる無線心臓モニタである。センサ１００は、トランスデューサ１０３からのデータを処理しメモリ１０４に記憶するためのマイクロプロセッサ１０２を含む。センサトランスデューサ１０３は、心音の記録のような聴診用の音声トランスデューサ１０３Ａと、心臓の電気的活動の検査用のＥＣＧトランスデューサ１０３Ｂとを含むことができる。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈトランシーバ１０５は、ホスト機器１２０のような遠隔電子機器へのデータ及びそれからのデータを伝送するために、プロセッサ１０２と動作可能に通信する。バッテリ１０６は、センサ１００に電力を供給する充電式バッテリである。要求される帯電間の持続時間を最大化し、センサ１００のサイズ、重量、及び費用を最小化するために、センサ１００は、動作中の低電力消費のために設計される。

センサ１００は、無線データ接続１１０を介してホスト機器１２０と通信する。ホスト機器１２０は、好ましくは、スマートフォン（例えば、Ａｐｐｌｅ ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）、タブレットコンピュータ（例えば、Ａｐｐｌｅ ｉＰａｄ（登録商標））又はノートパソコンのような標準の汎用モバイル無線コンピューティング機器であってもよい。ホスト機器１２０は、データを処理し記憶するためのマイクロプロセッサ１２２を含む。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈトランシーバ１２３は、プロセッサ１２２とセンサ１００のような外部機器との間の無線通信を可能にする。ホスト機器１２０は、（タッチスクリーンのような）ユーザインタフェース構成要素１２４、データ記憶用のメモリ１２５、及びバッテリ１２６を更に含む。図１の実施形態においては、モバイル機器として例示されるが、他の実施形態においては、ホスト機器１２０は、パーソナルコンピュータ又は中央センサ検査ステーションのようなＢｌｕｅｔｏｏｔｈトランシーバを有する他のタイプのコンピューティング機器の中から代わりに選択されることができる。

ＢＬＥプロトコルは、動作中のエネルギー消費を最小化し、従ってセンサ１００及びホスト機器１２０のバッテリ寿命を延ばすために、無線通信リンク１１０の実装のために望ましい場合がある。しかし、ＢＬＥは、一般的に実装されるように、無線心臓センサ環境において重大な制限を提示する。このような制限の１つが帯域幅である。一般的なモバイル機器１２０は、通信リンク１１０のためにＢＬＥプロトコルを利用するパケットレートに制限がある。例えば、幾つかの携帯電話は、５ミリ秒毎に１つのＢＬＥパケットが受け入られることができる理論上の最小パケット間隔を有する場合がある。この制限を悪化させることは、高いデータ保全性及び信頼性のための医療用途における必要性である。このような実施形態においては、理論上の最大パケットレート又はそれに近いデータ伝送を要求することによって、データ保全性及びリンク信頼性を潜在的に犠牲にすることが望ましくない場合がある。パケットレートの低下はパケット間隔の動作マージンを向上させる場合があるが、帯域幅の制約は更に制限される。幾つかの一般的な民生用モバイル機器では、信頼性の高いＢＬＥ通信が８ミリ秒間隔でパケットを送信し続けることできることが分かっている。

ＢＬＥはまた、パケットサイズの制約を課す。その上、パケットサイズにおけるプロトコルの制約にかかわらず、電力消費を低減するためにパケットサイズを低減することが更に望ましい場合がある。一方、聴診とＥＣＧデータとの両方を提供する効率的な無線心臓センサを実装するために、パケットは、好ましくは、音声トランスデューサ１０３Ａからの心音音声データ、トランスデューサ１０３ＢからのＥＣＧデータ、並びに心臓センサ１００の動作及びそのホスト機器１２０との相互作用に関連するコマンド及び制御データのような複数のデータストリームを収容する。このような環境におけるＢＬＥの使用に対しては、パケット効率が重要になる場合がある。

図２は、心臓センサ１００からホスト機器１２０への通信において利用されてもよい最適化されたＢＬＥパケット構造を例示する。図２のパケット構造は、標準的なスマートフォン、タブレット、又は他の民生用電子機器によって確実に受信されることができる相対的に低帯域幅及び低電力のＢＬＥ通信リンクを介して複数のタイプの医療計器及び制御データを伝送するように最適化される。具体的には、図２のパケット構造は、１つの標準ＢＬＥ無線セットを使用して、単一のＢＬＥパケット内で、心音、ＥＣＧデータ、及びコマンド／制御データを臨床的忠実度で同時に伝送する。

図２の各パケット２００は、ＢＬＥ規格によって提供されたバイト長と、好ましくは汎用ＢＬＥチップセット及びコンピューティング機器と互換性のあるパケット間隔とを有するように、好ましくは形成される。このようなデータ構造は、約２０ｋｂｐｓの有効ビットレートを提供してもよい。

パケット２００は、ヘッダバイト２１０、コマンド及び制御バイト２２０、並びに心臓データ２３０を含む。例示される実施形態においては、心臓データ２３０は、音声ペイロード２３２及びＥＣＧペイロード２３４を含む。音声オペイロード２３２は、音声トランスデューサ１０３Ａによって記録された心音データを送信するために利用される。図３は、図２のＢＬＥパケット構造で伝送されるデータを生成するように動作する、心臓センサ１００内の心臓信号処理構成要素の概略図を例示する。音声センサ３００は、心臓聴診のような音声信号をアナログ電子信号に変換する。アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）３１０は、センサ３００の出力をサンプリングし、デジタルデータストリーム３１１を生成する。ＡＤＣ３１０は、最初に１６ビットのサンプルを用いて約４ｋＨｚのサンプルレートで音響心音信号をサンプリングし、６４ｋｂｐｓの音声ストリームを生じる。音声圧縮は、４ｋＨｚのレートで４ビットの音声ストリーム３３２を生じるために（すなわち、０．２５ｍｓ毎の１個の４ビットサンプル）、適応差分パルス符号変調（ＡＤＰＣＭ）エンコーダ３３０によって適用される。従って、８ｍｓのパケット間隔で、各パケット２００は、３２個の４ビット音声サンプルを有する音声ペイロード２３２を含む。

デジタルフィルタ３２０が、ＡＤＰＣＭ圧縮プロセス中の乱れ及び歪みを低減するために、ＡＤＰＣＭエンコーダ３３０の前にＡＤＣ３１０の出力３１１に適用されることができる。特に、フィルタ３２０は、２ｋＨｚの範囲を超える高周波成分を除去又は大幅に減衰させるための強力なローパスフィルタを含む。ＡＤＰＣＭエンコーダ３３０による圧縮雑音及び乱れの潜在的な導入を伴うそれほど積極的でないフィルタリングと比較して、ＡＤＰＣＭ圧縮前の心臓聴診音の積極的な事前フィルタリングによって課される周波数範囲の制限は、人間の医学診断の目的にとって好ましいと判定される。

図２のパケット構造の別の利点は、特にホスト機器１２０として利用されてもよい一般的なスマートフォン及び他のモバイル機器におけるパケット間隔に制限がある場合、それが単一のＢＬＥパケット内で心音及びＥＣＧデータを組み合わせることである。図３は、心臓センサ１００に実装されてもよいＥＣＧデータパイプラインの概略図を更に例示する。使用中、ＥＣＧセンサ３４０は、患者に接続され、患者の心臓の電気的活動を示す電気信号３４１を出力する。

心臓電気信号３４１は、アナログ−デジタル変換器３５０によってサンプリングされる。例示的な実施形態においては、ＡＤＣ３５０は、５００Ｈｚのサンプリングレートで１６ビットのサンプルを生成してもよい。これは、８ｋｂｐｓのデータレートを有するデジタルＥＣＧデータストリーム３５１を生じ、それにフィルタ３６０が適用されてもよい。従って、８ｍｓのＢＬＥパケット間隔を利用すると、ＥＣＧデータストリーム３５１は、各ＢＬＥパケット内に８バイトを要求する。しかし、以上で説明されたように、心音データに割り当てられたパケット２００の量を考えると、ＥＣＧデータの忠実度に重大な悪影響を与えることなく圧縮が達成されれば、ＥＣＧデータストリームを圧縮することが望ましい場合がある。

心音データを符号化するために使用された同じＡＤＰＣＭエンコーダ３３０がまた、サンプルレートの戦略的仕様を介してＥＣＧ信号の忠実度に重大な悪影響を及ぼすことなくＥＣＧデータ帯域幅を低減するために効率的に利用されることができることが判定される。５００Ｈｚのサンプルレートを選択することによって、典型的なデジタル化されたＥＣＧ信号における隣接するサンプル間の測定差は、ＥＣＧデータストリームがＥＣＧペイロード２３４のサイズを低減する符号化されたＥＣＧデータストリーム３３４を生じるためにＡＤＰＣＭエンコーダ３３０によって効率的に符号化されてもよいということである。

幾つかの実施形態においては、音声センサ３００及びＡＤＣ３１０は、音声トランスデューサ１０３Ａ内に実装されることができ、ＥＣＧセンサ３４０及びＡＤＣ３５０は、ＥＣＧトランスデューサ１０３Ｂ内に実装されることができ、フィルタ３２０、フィルタ３６０、及びエンコーダ３３０は、プロセッサ１０２によって実装される。他の実施形態においては、図３の要素は、音声トランスデューサ１０３Ａ、ＥＣＧトランスデューサ１０３Ｂ、プロセッサ１０２、カスタムＡＳＩＣ、ＧＰＵ、又は他の構成要素のような構成要素間で異なるように区分されることができる。

コマンド及び／又は制御データ（コマンド制御データとして参照される場合がある）の帯域幅効率のよい伝送がまた、無線心臓センサ及び他の医療機器用途において重要であってもよい。許容可能な報告頻度がパケット頻度より低いという性質のコマンド制御データの場合には、連続的なパケットが同じパケットビット位置内で異なるコマンド制御データコンテンツタイプを送信することが望ましい場合がある。１つ又は複数のヘッダビットが、関連するパケットビット位置内で複数のタイプのコマンド制御データの何れが伝送されるのかを示すために利用されてもよい。

例えば、８ｍｓのパケット間隔で送信する無線心臓センサに関しては、音量レベル又はバッテリレベルのような特定のコマンド制御データを８ｍｓの間隔で送信する必要がない場合がある。依然としてユーザが高いレベルの応答性を認識することを保証しながら、より長い間隔が充分である場合がある。この結果、図２のパケット構造においては、ヘッダ２１０内のビットが、複数のコンテンツタイプのコマンド制御データのうちの１つを伝送するために利用されることができる。例えば、ヘッダデータが、コマンド及び制御データ２２０内のデータが音量レベル又はバッテリレベルを反映するか否かを示すために利用されてもよい。他の実施形態においては、充分なコマンド制御データ値粒度のために要求されるビット数、及びコマンド制御データ伝送の所望の頻度に応じて、複数のヘッダビットが、より多くのコマンド制御データコンテンツタイプが所与のパケットバイト位置内で伝送されることを可能にするために利用されることができる。例えば、別の実施形態においては、２つのビットが、関連する値を伝送する関連するビット位置に４つの異なるコマンド制御データコンテンツタイプのうちの１つを指定するために使用されてもよい。幾つかの実施形態においては、ヘッダビットは、パケット２００内の関連するコマンド及び制御値とは異なるバイト位置で伝送されてもよく、他の実施形態においては、ヘッダビット並びに関連するコマンド及び制御値は、パケット２００の同じバイト位置内で伝送されてもよく、それによって、ヘッダデータ２１０とコマンド及び制御データ２２０とを混合する。

幾つかの医療用途における無線通信の別の重要な態様は、リンク保全性を検証することである。心音及びＥＣＧデータのような高リスクデータの場合には、データ伝送品質の問題が発生した場合に機器がユーザに迅速且つ確実に警告することが望ましい場合がある。データ伝送の問題を効率的に識別することによって、ユーザは、設備の問題を敏速に解決し、異常な結果が検査されている患者ではなく計装エラーに起因することを保証することができる。しかし、従来のＢＬＥプロトコルは、パケットがいつドロップされたのかを判定する機構を提供しない。

従って、図２のパケットは、好ましくは、パケット構造内に統合されたリンク保全性検証機構を含む。ヘッダ２１０内の所定のビットは、ローリングパケットシーケンスインジケータに割り当てられることができる。心臓センサ１００によって送信される場合には、プロセッサ１０２は、ローリングマルチビットパケットシーケンス値を通して増分するように連続したパケットを構築する。そして、受信機器１２０は、連続したパケットが連続的に増分するパケットシーケンス値で受信されることを検証するために、パケットシーケンス値を復号することができる。パケットシーケンス値が隣接するパケットにおいて連続的でない場合には、受信機器１２０は、リンク１１０の保全性が危うくされたと判定し、例えばユーザインタフェース１２４に適切な警告表示を表示することによって、ユーザに問題を警告することができる。図２の実施形態は、４ビット長であるローリングパケットシーケンス値を利用し、それは、幾つかの実施形態においては、リンク保全性問題を識別するための障害を最小化すること（より長いシーケンス値が優れる）と、リンク保全性検証機能に起因する電力消費及び帯域幅を最小化すること（より短いシーケンス値が優れる）との間の最適なトレードオフであってもよい。

開示された実施形態のこれまでの説明は、当業者が本明細書に開示された本発明を製造又は使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態に対する様々な変更が、当業者には容易に明らかであって、本明細書で画定された一般的な原理が、本開示の精神又は範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用されてもよい。この結果、本開示は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図されず、本明細書に開示される原理及び新規な特徴に矛盾しない最も広い範囲が与えられるべきである。本明細書において引用された全ての参考文献が、参照によって明示的に組み込まれる。

Claims (10)

1. 無線センサからホスト機器に心臓データを送信するための方法であって、
   前記無線センサにおいて受信された心音データ及びＥＣＧデータをデジタル化するステップと、
   前記デジタル化された心音データ及びＥＣＧデータをフィルタリングするステップと、
   適応差分圧縮構成要素を使用して前記心音データ及び前記ＥＣＧデータを圧縮するステップと、
   前記圧縮された心音データ及び圧縮されたＥＣＧデータを共通のパケット構造に組み合わせるステップと、
   Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｌｏｗ Ｅｎｅｒｇｙ通信リンクを介して前記無線センサから前記ホスト機器に前記共通のパケット構造を送信するステップと
   を含む方法。
2. 前記心音データ及び前記ＥＣＧデータを圧縮するステップは、前記心音データと前記ＥＣＧデータとの両方を共通の適応差分パルス符号変調エンコーダに適用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ＥＣＧデータは、約５００Ｈｚのサンプルレートを有する、請求項２に記載の方法。
4. 前記心音データは、約４ｋＨｚのサンプルレートを有する、請求項３に記載の方法。
5. 前記デジタル化された心音データをフィルタリングするステップは、２ｋＨｚを超える周波数成分を減衰させるためにデジタルローパスフィルタを適用するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記圧縮された心音データ及び圧縮されたＥＣＧデータを共通のパケット構造に組み合わせるステップは、コマンド制御データを前記共通のパケット構造に挿入するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記コマンド制御データは、パケット頻度より低い報告頻度を有し、前記コマンド制御データを前記共通のパケット構造に挿入するステップは、コマンド制御値及びヘッダ値を含むコマンド制御を挿入するステップを含み、前記ヘッダ値は、前記コマンド制御値が関連するコンテンツタイプを示す、請求項６に記載の方法。
8. 前記圧縮された心音データ及び圧縮されたＥＣＧデータを共通のパケット構造に組み合わせるステップは、ローリングパケットシーケンス値を前記共通のパケット構造に挿入するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記ローリングパケットシーケンス値は４ビット長である、請求項８に記載の方法。
10. 前記ホスト機器によって、非連続的なローリングパケットシーケンス値を有する連続的なデータパケットを受信するステップと、
    ホスト機器ユーザインタフェースに警告表示を表示するステップと
    を更に含む、請求項８に記載の方法。