利用身体传感器网络监测患者的生命参数的制作方法

专利名称：利用身体传感器网络监测患者的生命参数的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用身体传感器网络监测患者的生命参数的领域，并且特别地涉及改 善身体传感器网络的在体传感器与离体监测设备之间的数据传输。
背景技术：
身体传感器网络(BSN)是彼此之间进行无线通信并且位于诸如患者的人员的身 体中或身体上或者紧邻身体的设备的网络。由于没有线缆而带来的方便性，BSN越来越多 地用于患者监测以及许多其他应用。用于患者监测的典型BSN包括一组在体传感器和一个 离体监测设备，该离体监测设备接收由传感器测得并且传输的生命体征数据。监测设备通 常位于距患者身体小于五米的距离之内。优选地，患者监测BSN以高于2GHz的频率进行通信，这是因为这些频带在授权费 用、数据传输率和天线尺寸方面特别地适用。然而，在高于IGHz的频率下由人体引入的高 衰减是可靠的BSN的主要挑战。由于高RF频率几乎不通过身体传播，因此人体的部分经常 阻挡BSN设备之间的直接的RF传播路径，S卩，可见性或者视线(LOS)。尽管无LOS的两个设 备经常可以通信，但是它们之间的非LOS链路比LOS链路不可靠得多。由于以下两种效应经由非LOS的无线通信仍是可能的多路径传播和爬波。由于 多路径传播，无LOS的设备接收由另一设备传输的信号的多个反射。这种反射起源于所传 输的RF信号从诸如地面、墙、家具等的用户环境反弹时，并且因此极其依赖于这种环境。爬 波效应可以理解为衍射或者波导效应，其使得设备的RF信号沿身体的轮廓传播。多路径传 播和爬波均有助于在体BSN设备的通信。然而，诸如患者监测器的离体设备无法从爬波中 受益，而是仅依赖于来自环境的反射。如以上所指出的，也被称为身体区域网络(BAN)的常规身体传感器网络对于健康 监测不够可靠，主要是因为邻近人体而引入的较差的RF传播状况。尽管衰减问题对于医学 BSN是尤其不利的，但是也在其他类型的网络中以及对于其他应用领域识别出该问题。解决 该问题的大部分常规方法为基于下列的反应性方法首先利用误包率或者误码率(PER和 BER)、接收到的信号强度或者其他信号质量度量来监测无线链路上的状况，然后每当链路 状况变得不利时执行对策。这种对策包括下列第一种常规方法是使用被评价为具有更好的状况以传递数据的备选链路。因此， 设备将其数据发送到中间设备而非目的设备。大部分分组路由协议基于此。此外，另一种 常规方法是增加传输功率以确保接收设备处有更好的信号。这被称为动态链路自适应、动 态功率管理或者动态链路功率控制。又一种常规可能性为降低信息进行物理传输的数据 率，以便降低传输错误概率。例如，在无线技术中使用该机制，并且例如被称作动态速率缩 放(dynamic rate scaling)。其他方法独立于无线链路的实际状况而应用预防性措施。最相关的一些为下列可以使用针对在体操作而优化的天线，以便降低衰减的幅度。此外，可以持久地增 加传输功率，以便确保在接收设备处有更好的信号。此外，另一种常规可能性为使用基于洪泛(flooding)的分组路由，从而使得每个设备转发从其所有相邻设备接收到的包。由于经 由多条路线并行发送相同的信息，因此信息更有可能到达其目的地。然而，解决RF衰减问题的常规现有方法仅是部分成功的，并且表现出严重的劣 势。例如，之前提及的前三种方法无法完全防止信息的丢失，这是因为它们基于反应性措施 并且无法预期链路状况的恶化。换言之它们通常当问题已经发生时才对其作出反应。预 防性方法也并非成功得多尽管以上提及的第四种方法仅仅实现了对无线链路状况的最小 的改善，第五种方法显著降低了 BSN的操作时间，而第六种方法快速地使无线信道过载。

发明内容
本发明的目的在于提供用于利用身体传感器网络监测患者的生命参数的可靠且 易用的可能性，所述身体传感器网络使由患者身体引起的RF衰减所产生的BSN性能问题最 小化。该目的通过利用身体传感器网络监测患者的多个生命参数的方法而实现，所述身 体传感器网络具有一组在体传感器和至少一个离体监测设备，所述方法包括以下步骤利用每个在体传感器感测生命参数，并且将与所感测到的生命参数有关的数据传 输到离体监测设备，以及针对在体传感器中的至少一个，确定该在体传感器相对于离体监测设备的倾向。因此，本发明的基本思想是针对在体传感器中的至少一个，确定该传感器的倾向， 并且因此，可以检测患者身体或者患者肢体的姿态。如以下详细指出地，这提供了从一个在 体传感器到离体监测设备使用不同的数据传递路线而非直接数据传递路线的可能性。应该注意到的是，要将这里使用的“患者”一词理解为指的是使用身体传感器网 络——即携带与离体监测设备相通信的在体传感器的任何人类或者动物，无论该人类或者 动物健康与否。如前所述，优选地在患者身体上或者身体内或者紧邻患者提供在体传感器。此外， 对于常规身体传感器网络，优选地，在体传感器不仅向离体监测设备传输数据，而且还能够 彼此之间分享数据，即，从一个在体传感器向另一个在体传感器传输数据。此外，优选地，身体传感器网络的所有在体传感器都具有将数据传输到离体监测 设备的传输能力。然而，也可能提供其他的在体传感器，其不具有这种直接传输能力，即，其 总是使用另一在体传感器以将数据传输到离体监测设备。然而，尽管这种无直接传输能力 的在体传感器可能是根据本发明的方法所用于的身体传感器网络的一部分，但是以下将不 讨论这种无直接传输能力的在体传感器。根据本发明的优选实施例，所述方法还包括确定至少一个在体传感器的在体位置 的步骤。对此，特别优选地，针对这种在体传感器确定在体位置，还对其确定倾向。此外，特 别优选地，针对多个在体传感器确定倾向和在体位置，最优选地，针对所有在体传感器确定 倾向和在体位置。此外，根据本发明的优选实施例，所述方法包括确定已为其确定了倾向和在体位 置的至少一个在体传感器和离体监测设备之间的直接数据传递路线的质量的步骤，其中， 基于在体传感器的倾向和在体位置计算所述质量。对此，“直接数据传递路线”指的是以下 这种路线其提供从相应的在体传感器直接传输数据到离体监测设备而不需要作为中间站的另一在体传感器的可能性。此外，对于确定直接数据传递路线的质量，特别优选地，将质 量分类为多个质量等级中的一个。例如，可能将直接数据传递路线的质量分类为“可靠”、 “中等”或者“不可靠”。根据本发明的另一优选实施例，所述方法还包括当第一在体传感器和离体监测设 备之间的直接数据传递路线的质量低于预定义的值时，决定将所述第一在体传感器的数据 经由另一在体传感器路由到离体监测设备的步骤。参考以上给出的示例，当在体传感器和 离体监测设备之间的直接数据传递路线的质量被分类为“不可靠”时，将不再使用该路线而 是决定使用另一在体传感器作为中间站来将数据传输到离体监测设备。对于决定在上述情况中使用哪个其他在体传感器，根据本发明的优选实施例，所 述方法还包括将第一在体传感器的数据经由第二在体传感器路由到离体监测设备的步骤， 第二在体传感器的质量好于第一在体传感器的质量。例如，可以决定当第二在体传感器的 质量至少被分类为“中等”时才被使用。此外，根据本发明的另一优选实施例，所述方法还包括分别基于一组中其他在体 传感器的预期剩余操作时间而从其他在体传感器选择第二在体传感器的步骤。这意味着 例如在优选地为电池驱动的在体传感器的情况中，当这种在体传感器用作因其剩余电池电 量而具有较长预期剩余操作时间的中间站时，可以实现身体传感器网络的更长的总运行时 间。根据本发明的另一优选实施例，所述方法还包括基于经由相应的其他在体传感器 的相应的数据传递路线的中继段(hop)——即链路的数量而从一组其他在体传感器中选择 第二在体传感器的步骤。由于具有更少数量的链路一即中继段的路线改善了相应的路线 的可靠性，从而使总功率消耗最小化并且降低了数据传递延迟，因此这种措施是优选的。此外，根据本发明的优选实施例，所述方法包括监测和存储至少两条不同的数据 传递路线相对于按照在体传感器的倾向检测到的患者姿态的性能的步骤。此外，对此，优选 地，所述方法包括基于包括相应的其他在体传感器的所存储的相应的数据传递路线的性能 而从一组其他在体传感器中选择第二在体传感器的步骤。对于这种情况，可以以不同的方 式——例如基于误包率确定数据传递路线的性能。此外，还通过用于监测患者的多个生命参数的身体传感器网络实现以上提及的方 法，该身体传感器网络具有一组在体传感器和至少一个离体监测设备，其中，每个在体传感器都适于感测生命参数并且用于将与所感测到的生命参数有关的 数据传输到离体监测设备，并且其中，在体传感器中的至少一个包括倾向传感器。因此，根据本发明的身体传感器网络涉及如上所述地用于监测患者的生命参数的 方法，其中，为了确定在体传感器的倾向，该在体传感器包括倾向传感器。如以上已经陈述 的，可以存在另外的在体传感器，其不直接将其数据传输到离体监测设备，而是经由另一在 体传感器。尽管可以存在这种传感器，但以下不对其进行讨论。一般地，对于倾向传感器存在不同的可能性。然而，根据本发明的优选实施例，倾 向传感器包括加速度计、陀螺测试仪或/和磁强计。可以将所有这些用于感测倾向的设备 制成微设备，并且因此，可以容易地将它们集成到在体传感器中。
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此外，根据本发明的优选实施例，在体传感器中的至少一个包括存储有其在体位 置的存储设备。以这种方式，可以以简单且可靠的方式确定相应的在体传感器的在体位置。此外，根据本发明的优选实施例，提供用于在体传感器和离体通信设备之间进行 无线通信的> 2GHz的通信频率。如上所述，该频率范围是优选的，这是因为其在授权费用、 数据传输率和天线尺寸方面是适用的，天线尺寸对于这种方便佩戴的在体传感器是特别相 关的。因此，本发明提供使由患者身体引起的RF衰减所产生的BSN性能问题最小化的可 能性，而没有诸如以上描述的反应性和预防性方法的其他方法的严重劣势。根据本发明的 优选实施例，这是借助于预测性方法而实现的，该预测性方法包括基于以下将BSN设备的 数据经由另一 BSN设备进行路由患者的姿态和这两个设备的在体位置。在这种情况下， 因此不根据对设备和其他的附近设备之间的无线链路的质量的评估而是根据设备在身体 上的位置和与身体姿态强烈相关的设备倾向来确定设备数据的路线。这种度量揭开了无线 链路对突然的通信故障的易感性，并且使BSN能够在发生任何恶化之前决定哪条链路最可罪。优选地从包含在诸如胸部ECG传感器或者耳部Sp02传感器的BSN设备中的功能 性描述推断在体位置信息。在更实际的情况下，BSN设备的功能性揭示了其被佩戴的身体 部位。优选地使用现有的算法导出倾向信息，所述算法处理优选地嵌入到BSN设备中的倾 向传感器的输出信号。所提出的方案使用在BSN设备——即传感器上本地导出的倾向信息。为此，这些 设备优选地包括倾向敏感硬件，例如，3D加速度计芯片以及倾向计算软件。已经证明这种传 感器在尺寸、处理能力和功耗方面是可行的。本发明提供改善BSN的可靠性的可能性，并且使BSN的性能更少地依赖于由姿态 改变引起的RF衰减。因此，这里解决了 BSN的最重要的问题。与其他现有的方法相反，本 发明在发生通信故障之前将其避免。此外，本发明可以同时用于其他方法，例如包重传、动 态链路自适应或者其他方法。


通过参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面得显而易见并且得到阐 明。在附图中图1示出了根据本发明的实施例用于监测患者的生命参数的身体传感器网络的 示意性描绘；图2更详细地示意性示出了这种身体传感器网络的在体传感器；以及图3示意性示出了针对胸部朝下平躺在床上的患者，根据本发明的实施例的3等 级链路分类系统。
具体实施例方式从图1可以看到根据本发明的实施例的用于监测患者10的多个生命参数的身体 传感器网络。该网络包括由患者10佩戴的一组在体传感器1，以及离体监测设备2，其中，每个在体传感器1都适于感测生命参数，例如ECG信号或者血压信号，并且适于将与相应生 命参数有关的数据经由无线连接4传输到离体监测设备2。此外，如从图2所看到的，每个在体传感器1都包括感测单元5，其用于实际感测 生命参数；以及倾向传感器3，其优选地为加速度计、陀螺测试仪或/和磁强计。此外，每个 在体传感器1都包括存储设备6，其中存储有其各自的在体位置，即对于ECG传感器而言是 “胸部”。每个在体传感器1还包括用于将数据传输到离体监测设备2或者另一在体传感器 1以及用于从另一在体传感器1接收数据的发射器/接收器单元7。根据本发明的该实施例，基于每个在体传感器1的倾向和在体位置，计算每个在 体传感器1和离体监测设备2之间的直接数据传递路线的质量。以这种方式，在没有实际 通过相应路线发送数据的情况下，确定每条直接数据传递路线的质量，并且将其分类为“可 靠”、“中等”或者“不可靠”。根据本发明的实施例，如果在体传感器1和离体监测设备2之 间的直接数据传递路线的质量被确定为小于预定义的值，例如未被确定为至少“中等”，将 决定将具有不足的直接数据传递路线的在体传感器1的数据经由具有更好质量的直接数 据传递路线路由到离体监测设备2。因此，根据本发明的优选实施例的BSN的在体传感器1能够得知其在体位置和倾 向。如之前所提及的，在体传感器1优选地从其本地可用的功能性信息，例如针对ECG的“胸 部”、针对Sp02的“手指”来导出其位置，所述功能性信息存储在在体传感器1的相应存储设 备6中。此外，在体传感器1解释其本地倾向敏感硬件——诸如加速度计、陀螺测试仪或者 磁强计的信号，以便获得其倾向，该倾向揭示了身体将阻挡其不同无线链路的LOS的程度。根据这里描述的本发明的实施例，在体传感器1的特征为作为倾向传感器3的小 型低功耗3D加速度计芯片，假定离体监测设备2相对于地面的倾向是已知的，则该倾向传 感器3允许在体传感器1获得其相对于地面并且因此相对于离体监测设备2的倾向。分析 包含加速度计相对于地面的倾向的信息的3加速度信号的DC成分。由于重力产生朝向地 面的常量加速度，因此其在加速度计的3个轴上的投影揭开了那些轴的倾向并因此揭开了 相应的在体传感器1的倾向。以这种方式，当患者10背朝下平躺时，胸部佩戴的在体传感 器1将检测到其面部朝上。另一方面，如果患者10在床上翻转并且胸部朝下平躺时，相同 的在体传感器1将检测到其面部朝下。对于正确的倾向计算，优选地在BSN设置期间校准 在体传感器1，该校准可能需要患者的动作来完成，例如在患者保持预定义的姿态——例如 站立的同时按压按钮。在体传感器1彼此分享其位置和倾向信息。这使得在体传感器1能够更好地估计 患者姿态并且为在体传感器ι提供与BSN内的备选数据传递路线的数量和其对通信故障的 易感性有关的信息。图3示出了以上提及的3等级分类系统，其中针对胸部向下平躺在床 8上的患者10根据下列将链路分类为“可靠”(实线)、“中等”(虚线)或者“不可靠”(点 线)链路a 在体传感器Ia检测到其是胸部佩戴的设备并且其是面朝下的。因此，检测 到患者10正胸部朝下地平躺，这使得起始于在体传感器Ia的所有离体链路一即链路a不 可靠。由于爬波效应，分别地起始于在体传感器Ia到在体传感器Ib和Ic的在体链路—— 即链路d和e比链路a更少地受到当前身体姿态的影响。链中b和链路c 在体传感器Ib和在体传感器Ic均检测到其是佩戴在臂上的。在该位置，不认为臂的身体覆盖是足够不利的，其独立于在体传感器lb、lc的倾向。因此，两 个在体传感器将其离体链路一一即链路b和链路c评定为可靠的。链路d 在体传感器Ia检测到在体传感器Ib为位于上臂的设备。由于胸部和上 臂之间在任何姿态都邻近，因此在体传感器Ia认为爬波足够维持可靠的链路，并且因此将 链路d评定为可靠的，其独立于在体传感器Ib的倾向。链路e 在体传感器Ia检测到在体传感器Ic是位于手腕的设备。由于在不同姿 态中手腕的移动性，因此在体传感器Ia认为爬波可能足够维持可靠的链路，并且因此将链 路e评定为中等，其独立于在体传感器Ic的倾向。链路f 在体传感器Ib和在体传感器Ic检测到它们均是臂佩戴的设备。由于其 靠近性以及被臂有限覆盖——即由于用户平躺时臂在其躯干之下的可能性小，因此将链路 f评定为可靠的。给定上述链路分类，在体传感器Ib和在体传感器Ic决定将其数据直接发送到离 体监测设备2。由于链路d和链路b被认为是可靠的，因此在体传感器Ia决定将其数据经 由在体传感器Ib发送。因此，在体传感器la、lb、Ic主要基于对作为备选路线的一部分的 所有链路的评定而决定改变向其发送它们的数据的设备。在找到了两条或者更多条具有相同链路评定的备选路线的情况下，设备可以随机 地选择它们中的一个，或者使用任选的额外度量，例如-预期的剩余操作时间，或者等价地为数据路线中涉及的设备的剩余电池电荷。将 优选地选择具有较长剩余操作时间的设备来转发其他设备的数据。为此，相应的设备优选 地监测其电池负载和/或功耗谱。-最小数量的中继段，这意味着具有更少数量的链路——即中继段的路线是优选 的。小数量的中继段改善了路线的可靠性、使总体功耗最小化并且降低了数据传递延迟。-性能历史，这意味着基于与患者姿态有关的所有BSN链路的性能历史在相似的 备选路线之间做出决定。这在当BSN设备例如基于误包率监测并且存储其不同链路的性能 时是优选的。本发明在使身体衰减问题最小化方面的有效性可以通过准确的测距或/和定位 信息而增强。当BSN使用UWB (超宽带)技术进行无线数据传输时可以获得厘米级的测距 或/和定位。根据该实施例，检测到诸如床边患者监测器的离体监测设备非常靠近的设备 可以决定将其数据直接发送到该离体监测设备，而忽略以上描述的基于姿态的路由。尽管 患者监测器通常距患者身体至少50cm到100cm，但是当患者监测器在患者运输期间附到患 者或者其床时，该距离可以变为几厘米。精确的测距或/和定位信息也可以细化对在体链 路的错误易感性分类，并且因此允许选择最优的路线。优选地将这里描述的姿态相关路由实现为软件部件，其可以被称作“路由管理 者”。根据路由管理者被实现于其中的通信栈层，优选以下实现方式选项对此，一个实施例是“应用水平的实现方式”:路由管理者被作为应用程序在通信 栈顶部实现。其与其他本地应用程序相接口，以发现设备的类型，即，其在身体上的放置，以 及其相对于地面的倾向。也从其他BSN设备的远程应用程序中检索与其他BSN设备有关的 相同信息。最后，路由管理者也直接地或者经由管理工具与网络(NWK)层相接口，以管理其 路由表。
另一实施例是“跨层实现方式”在这种情况下，在网络(NWK)层内实现路由管理 者，其主要任务是处理数据路由。与前一实现方式类似，这种实现方式也利用在本地设备和 远程设备的应用层处可用的信息。由于路由管理者需要来自其他栈层的信息以行使功能， 因此这种实现方式被称为跨层。尽管在附图和上述描述中图示并且描述了本发明，但是要将这种图示和描述视为 说明性或者示例性的，而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的 本发明时，能够理解并且实现所公开实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除 其他元件或者步骤，并且不定冠词“一”或者“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利 要求中记载某些措施的事实不表示不能使用这些措施的组合取得优势。不应将权利要求中 的任何参考标记解释为限制其范围。
权利要求
1.一种利用身体传感器网络监测患者(10)的多个生命参数的方法，所述身体传感器 网络具有一组在体传感器(1)和至少一个离体监测设备O)，所述方法包括以下步骤利用每个在体传感器(1)感测生命参数，并且将与所感测到的生命参数有关的数据传 输到所述离体监测设备( ，以及针对所述在体传感器(1)中的至少一个，确定该在体传感器(1)相对于所述离体监测 设备(2)的倾向。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括确定至少一个在体传感器(1)的在体位置的步马聚ο
3.根据权利要求2所述的方法，还包括确定已为其确定了倾向和在体位置的至少一个 在体传感器(1)和所述离体监测设备( 之间的直接数据传递路线的质量的步骤，其中，基 于所述在体传感器(1)的倾向和在体位置计算所述质量。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括当第一在体传感器(1)和所述离体监测设备 (2)之间的直接数据传递路线的质量小于预定义的值时，决定将所述第一在体传感器(1) 的数据经由另一在体传感器(1)路由到所述离体监测设备O)的步骤。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括将所述第一在体传感器(1)的数据经由第二在 体传感器(1)路由到所述离体监测设备O)的步骤，所述第二在体传感器(1)的质量好于 所述第一在体传感器(1)的质量。
6.根据权利要求4或5所述的方法，还包括分别基于一组其他在体传感器(1)的预期 剩余操作时间而从所述其他在体传感器(1)中选择所述第二在体传感器(1)的步骤。
7.根据权利要求4到6中的任一项所述的方法，还包括基于经由相应的其他在体传感 器(1)的相应的数据传递路线的中继段的数量而从一组其他在体传感器(1)中选择所述第 二在体传感器(1)的步骤。
8.根据权利要求4到7中的任一项所述的方法，还包括监测并且存储至少两条不同的 数据传递路线相对于按照在体传感器(1)的倾向检测到的所述患者的姿态的性能的步骤。
9.根据权利要求4到8中的任一项所述的方法，还包括基于包括相应的其他在体传感 器(1)的相应的数据传递路线的所存储的性能而从一组其他在体传感器(1)中选择所述第 二在体传感器(1)的步骤。
10.一种用于监测患者的多个生命参数的身体传感器网络，其具有一组在体传感器 (1)和至少一个离体监测设备O)，其中每个所述在体传感器(1)都适于感测生命参数并且适于将与所感测到的生命参数有 关的数据传输到所述离体监测设备O)，并且其中所述在体传感器(1)中的至少一个包括倾向传感器(3)。
11.根据权利要求10所述的身体传感器网络，其中，所述倾向传感器C3)包括加速度 计、陀螺测试仪或/和磁强计。
12.根据权利要求10或11所述的身体传感器网络，其中，所述在体传感器(1)中的至 少一个包括存储有其在体位置的存储设备(6)。
13.根据权利要求10到12中的任一项所述的身体传感器网络，其中，提供用于所述在 体传感器(1)和所述离体通信设备(2)之间的无线连接(4)的彡2GHz的通信频率。
全文摘要
本发明涉及利用身体传感器网络监测患者10的多个生命参数的方法，所述身体传感器网络具有一组在体传感器1和至少一个离体监测设备2，所述方法包括以下步骤利用每个在体传感器1感测生命参数并且将与感测到的生命参数有关的数据传输到离体监测设备2，并且，针对在体传感器1中的至少一个，确定该在体传感器1相对于离体监测设备2的倾向。以这种方式，提供了一种用于利用身体传感器网络监测患者10的生命参数的可靠且易用的可能性，其使由患者10的身体引起的RF衰减所产生的性能问题最小化。
文档编号H04W40/00GK102123656SQ200980132022
公开日2011年7月13日 申请日期2009年8月18日 优先权日2008年8月20日
发明者J·埃斯皮纳佩雷斯 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司