在无线网络中使用辅助信道实现快速且高功效的关联的系统和方法与流程

本申请涉及用于监测患者的生理状态的医疗监测和临床数据设备。本申请具体应用于使用辅助信道实现与无线网络的快速且高功效的关联。

背景技术：
生理传感器、低功率集成电路和无线通信的快速发展已经使新一代医疗体域网（MBAN）能够用于监测患者。MBAN提供低成本的无线患者监测（PM），而不存在由有线连接（其能够阻绊医务人员或者能够脱落以致丢失医疗数据）引起的不便以及安全危害。在MBAN方案中，在患者身上或患者周围的不同位置上附接多个低成本传感器，并且这些传感器获取诸如患者体温、脉搏、血糖水平、心电图（ECG）数据等的患者生理信息的读数。通过至少一个近端集线器或网关设备协调传感器，以形成MBAN。集线器或网关设备使用例如符合IEEE802.15.4（Zigbee）短程无线通信协议的嵌入式短程无线通信无线电与传感器通信。由传感器收集的信息通过MBAN的短程无线通信被发送到集线器或网关设备，因此消除了对线缆的需要。集线器或网关设备将收集的患者数据经由有线或无线更远程链路传送到中心患者监测（PM）站，以进行集中处理、显示和存储。更远程网络可以例如包括有线以太网和/或诸如Wi-Fi或某些专有无线网络协议的无线协议。PM站可以例如包括电子患者记录数据库、位于护士站或医疗设施中其他地方的显示设备等。MBAN监测采集患者生理参数。依赖于参数的类型和患者的状态，采集的数据范围可以从重要的（例如，在监测进行健康养生的健康患者的情况下）到性命攸关的（例如，在重症加护病房的危重症患者的情况下）。正因如此，由于数据的医疗内容，对MBAN无线链路有严格的可靠性要求。然而，由于有限带宽或不受控制的干扰，用于医疗无线连接的当前频谱分配和管制不能满足MBAN的严格要求，包括医用级链路鲁棒性、超低功率消耗和低成本。诸如MBAN系统的短程无线通信网络往往易受干扰。短程网络的空间分布本性和通常自组织（adhoc）形成能够导致不同短程网络的大量空间交叠。为短程通信系统分配的短程通信信道的数量通常也受到政府管制、网络类型或其他因素限制。交叠的短程网络和有限的频谱空间（或信道的数量）的组合能够造成不同短程网络的发送之间的碰撞。这些网络也能够易受来自其他源（包括与短程网络系统不相类似的源）的射频干扰。已知采用频谱管制政策来增加频谱使用效率。一个趋势是将特别针对MBAN应用和服务的MBAN频谱分配为在初级基础上已经预先分配给其他服务的频谱的次级用户。例如，在美国，已经提议向作为次级用户的MBAN服务开放当前分配给其他服务的2360-2400MHz频带（MBAN频谱）。在其他国家，已经做出或期望做出类似的提议。MBAN频谱的宽带宽、抗干扰及良好的传播特性将满足针对医疗级连接的严格要求。为了实现在初级用户和次级用户之间的共存，将对次级用户的频谱使用提出一些限制（或频谱管制法规）。一个可能的限制能够是禁止次级用户发射，除非次级用户由分配的频谱协调器通过一些电子方式授权。例如，已经将电子密匙（E-Key）机制提议为针对正在施行中的FCC医疗体域网（MBAN）频谱管制的技术性法规的一部分。为了实现这点，分配的MBAN频谱将在次级基础上使用，这意味着MBAN系统将必须在该频谱中保护所有初级用户并且接受来自那些用户的可能干扰。为了保护初级用户，需要在MBAN频谱的使用上设置限制。例如，MBAN频谱仅能够由医疗保健设施内的MBAN设备在预定保护区域外使用。如果MBAN设备在保护区域外或不具有来自E-key的授权，MBAN设备只能在MBAN频谱外发送。这意味着只有当MBAN设备成功地从分配的MBAN协调器得到授权时，MBAN设备才能够在MBAN频谱内发送。在这个提议的解决方案中，计划使用针对MBAN服务的MBAN频谱的医院需要向分配的MBAN协调器登记。MBAN协调器将通过与初级用户的协调决定使用MBAN频谱是否可行，如果是，生成E-key以授权登记的医院使用MBAN频谱中的一些或全部。所有MBAN设备默认都不允许在MBAN频谱中发送，但是能够在MBAN频谱外或以其他频带（例如，2.4GHzISM频带）发送。登记的医疗保健设施将向其（室内）设施内所有活动的MBAN系统广播其从MBAN协调器获得的E-Key。一旦MBAN集线器设备从其登记的医疗保健设施接收了E-Key，将实现在由E-Key授权的MBAN频谱的部分或整体内的发送。MBAN集线器设备负责选择在其上运行的信道，并且可以经由信标发送通知其MBAN设备（或从设备）。在从设备成功地与MBAN系统相关联并且维持与MBAN集线器设备的连接之前，可以不允许从设备在MBAN频谱中发送。MBAN频谱的重要优势之一是，诸如IEEE802.15.4和蓝牙的当前商用2.4GISM频带低功率无线电解决方案能够在MBAN频谱中重复使用。为了与MBAN系统相关联，MBAN从设备必须采集关于附近活动的MBAN系统的信息，并且选择期望的MBAN系统以与其相关联。MBAN设备之后将切换到当前由选择的MBAN系统使用的信道，并且向期望的MBAN系统的集线器设备发送关联请求。集线器设备将确定是否允许这样的关联并且将其决定经由关联响应发送到MBAN设备。MBAN设备可以向集线器设备发送应答帧，以完成关联程序。当关联的MBAN设备失去其与集线器设备的连接时，可能必须通过类似的程序以重新加入其MBAN系统。例如，在IEEE802.15.4标准中，孤立设备（即，推断其与MBAN系统失去连接的MBAN设备）可以重置其介质访问控制（MAC）地址并且重复关联程序，或执行孤立设备重组（realignment）程序。在孤立设备重组程序中，孤立设备将执行允许其尝试重新定位并且与其集线器设备重新连接的孤立扫描。存在与在关联或重新加入（即，孤立设备重组）程序中使用的信道扫描技术共存的若干问题。为了使MBAN设备关联或重新加入MBAN系统，在MBAN设备成功地关联到集线器设备之前，要求MBAN设备在候选信道上主动发送。基于MBAN频谱的限制，这可能是不能接受的。如上文提到的，在MBAN设备通过E-Key从其MBAN集线器设备得到授权之前，很有可能所述限制将禁止MBAN设备在MBAN频谱中发送。而且，在关联程序和孤立重组程序期间，在MBAN设备成功地与其集线器设备建立连接，并且由集线器设备验证MBAN设备的识别（没有有效E-key可能不允许这样做）之前，MBAN设备必须发送关联请求/孤立通知帧。本申请提供了一种用于与无线网络快速且高功效地相关联的新型且改进的系统和方法，所述系统和方法克服了上文提到的问题和其他问题。

技术实现要素：
根据一个方面，提供一种医疗系统。一个或多个MBAN设备采集并传送患者数据。一个或多个医疗体域网（MBAN）系统，每个MBAN系统包括经由短程无线通信与集线器设备通信所述患者数据的所述一个或多个MBAN设备，所述患者数据经由所述短程无线通信的通信在预定频谱内。所述集线器设备接收从所述一个或多个MBAN设备传送的患者数据并且经由更远程通信与中心监测站通信。所述一个或多个MBAN设备在一个或多个辅助信道上向所述集线器设备发送关联请求，以使每个MBAN设备与所述MBAN系统相关联，所述辅助信道在所述预定频谱外。根据另一方面，提供了一种方法。所述方法包括由一个或多个医疗体域网（MBAN）设备收集患者数据；在辅助信道上向集线器设备发送关联请求，以使所述一个或多个MBAN设备与MBAN系统相关联；将所收集的患者数据经由短程无线通信从所述一个或多个MBAN设备通过所述MBAN系统传送到所述集线器设备，其中，所述的经由短程无线通信的通信在预定频谱内，所述预定频谱在所述辅助信道外；并且，将所收集的患者数据经由更远程无线通信从所述集线器设备传送到中心监测站。一个优势在于MBAN设备与MBAN系统的安全、快速且高功效的关联。另一优势在于减少或消除由MBAN系统采集的关键医疗数据的丢失的可能性。另一优势在于改进的医疗保健工作流程效率、安全性和临床结果。本领域技术人员在阅读并理解以下详细描述后，将能领会到本发明的其他优势。附图说明本发明可以采取各种部件和部件的布置，以及以各种步骤和步骤的安排的形式。附图仅出于图示优选实施例的目的，并且不得解释为对本发明的限制。图1概要图示了根据本申请的医疗体域网（MBAN）系统。图2概要图示了根据本申请的主动信道扫描序列。图3概要图示了根据本申请的被动信道扫描序列。图4概要图示了根据本申请的孤立扫描序列。图5概要图示了根据本申请的基于信标的超帧结构。图6概要图示了根据本申请在辅助信道上的主动信标发送模式。图7概要图示了根据本申请在辅助信道上的被动信标发送模式。图8是根据本发明的MBAN系统的运行的流程图。具体实施方式参考图1，多个MBAN中的每个医疗体域网（MBAN）10包括多个MBAN设备12、14以及对应的集线器设备16。MBAN设备12、14经由短程无线通信协议与对应的集线器设备16通信。在相关文献中，MBAN10有时还被称为其他的等效术语，例如体域网（BAN）、身体传感器网络（BSN）、个人区域网络（PAN）、移动自组织网络（MANET）等。术语医疗体域网（MBAN）10应理解为包含这些各种替代术语。图示的MBAN10包括两个图示的MBAN设备12、14和对应的集线器设备16；然而，MBAN设备和集线器设备的数量能够是一个、二个、三个、四个、五个、六个或更多，而且，在一些实施例中，随着MBAN设备加入网络或从网络移除以增加或移除医疗监测能力，MBAN设备的数量可以以自组织形式增加或减少。MBAN设备12、14包括一个或多个传感器20，一个或多个传感器20采集包括诸如心率、呼吸率、心电图（ECG）数据等的生理参数的患者数据；然而，也预见到MBAN设备中的一个或多个执行其他功能，例如治疗药物经由皮肤贴布或静脉连接的受控递送、执行心脏起搏功能等。其他MBAN设备能够与患者相关联，并且不是所有上文提到的MBAN设备都必须在任意给定时间与患者相关联。单一MBAN设备可以执行一个或多个功能。图示的MBAN设备12、14设置在关联患者体外；然而，更一般地，MBAN设备可以设置在患者身上或患者体内（例如，MBAN设备可以采取植入设备的形式）或在短程通信协议的通信范围内接近患者（例如，MBAN设备可以采用安装在静脉输注泵（未示出）上的设备的形式，所述静脉输注泵安装在保持于患者附近的杆上，并且在该情况中，监测的患者数据可以包括诸如静脉液体流量的信息）。有时，期望将MBAN设备做得尽可能小，以提升患者舒适度，并且使MBAN设备低复杂性的，以增强可靠性。因此，这样的MBAN设备12、14通常是低功率设备（以保持电池或其他电源很小），并且可以具有有限的板载数据存储或数据缓冲。因而，MBAN设备12、14应当处于连续或接近连续的与对应的集线器设备16的短程无线通信中，以便将采集的患者数据迅速地传递到对应的集线器设备16，而不会溢出其数据缓冲。在图1中，短程无线通信范围由用于描绘MBAN系统10的虚线概要指示。短程无线通信通常是双向的，从而使MBAN设备12、14能够向对应的集线器设备16传送信息（例如，患者数据、MBAN设备状态等）；并且，对应的集线器设备16能够向MBAN设备12、14传送信息（例如，命令、在治疗性MBAN设备的情况中的控制数据等）。图示的集线器设备是安装在腰部的设备，其便于携带较长、较重的电池以及用于更远程发送的其他硬件；然而，所述集线器设备能够以其他方式安装于患者，例如作为手腕设备、胶粘设备等。也预见到所述集线器设备安装在接近患者的其他位置，例如与安装在患者附近的杆上的静脉输注泵（未示出）集成。从传感器20采集的患者数据同时发送到在对应的MBAN设备中的控制器22。MBAN设备12、14用作针对由传感器20采集的患者数据的聚集点，并且在存储器24中提供患者数据的暂时存储。MBAN设备12、14还包括用于经由短程无线通信协议向对应的集线器设备16发送患者数据的通信单元26。通信单元26包括收发器（未示出），以发送由控制器22接收的患者数据和信息，并且从集线器设备16接收信息。短程无线通信协议优选地具有几十米、几米或更短的相对短的作用范围，并且在一些实施例中，适当地采用IEEE802.15.4（Zigbee）短程无线通信协议或其变形，或者BluetoothTM短程无线通信协议或其变形。尽管针对短程无线通信，BluetoothTM和Zigbee是适当的实施例，但也预见到包括专有通信协议的其他短程通信协议。短程通信协议应当具有足够的范围以供集线器16与MBAN系统10的所有MBAN设备12、14可靠地通信。MBAN设备12、14和对应的集线器设备16之间的短程无线通信协议以及在一些实施例中各MBAN设备之间的短程无线通信协议在大约2.3-2.5GHz的频谱中运行。由于对MBAN系统10通信的严格可靠性要求（因为发送的是患者数据的医疗内容），针对患者数据的传送专门分配MBAN频谱传送，例如，上文讨论的2360-2400MHz频带。可靠性要求禁止在MBAN频谱外发送患者数据。例如，只有当在MBAN频谱中运行时，允许MBAN设备12、14将采集的患者数据发送到对应的集线器设备16。由于能够在MBAN频谱以内和以外运行，允许MBAN设备12、14在MBAN频谱外发送并接收诸如MBAN设备状态数据、关联数据、信标数据、E-key授权数据等的其他数据。例如，当MBAN设备12、14在分配的MBAN频谱外运行时，允许MBAN设备12、14将关联请求发送到对应的集线器设备16，但禁止发送任何患者数据，除非MBAN设备12、14在分配的MBAN频谱中运行。在MBAN频谱中，MBAN设备12、14是频谱的次级用户。为了保护初级用户，禁止MBAN设备12、14在MBAN频谱中的运行，除非MBAN设备12、14由分配的MBAN协调器36授权或者已经在授权的MBAN网络中。换言之，只有当MBAN设备成功地经由对应的MBAN集线器16从MBAN协调器36得到授权时，MBAN设备12、14才能够在MBAN频谱内发送。MBAN协调器36能够是政府管制实体、FCC、区域管制实体、MBAN系统所在医院等。为了在MBAN频谱中运行，MBAN设备12、14、集线器设备16、医院等需要向MBAN协调器36登记。MBAN协调器36包括用于接收E-key请求并且向授权的MBAN设备分配E-key的控制器38。所述MBAN协调器还包括授权单元40，以确定具体MBAN网络通过与初级用户的协调使用MBAN频谱是否可行。如果授权单元40确定请求的MBAN设备服务能够与MBAN频谱中的初级用户共存，则所述MBAN协调器为具体医院生成E-key，在图示的实施例中，授权使用MBAN频谱中的部分或全部。例如，登记的医疗保健设施将向在其（室内）设施内设置的每个MBAN网络广播其从MBAN协调器36获得的E-Key。一旦MBAN集线器设备从登记的医疗保健设施接收了E-Key，所述MBAN集线器设备将能够在由E-Key授权的MBAN频谱的部分或整体内设置并且运行MBAN网络。只要MBAN设备12、14在MBAN网络中与MBAN集线器16相关联，MBAN设备12、14就能够在MBAN频谱上与MBAN集线器16通信。如果MBAN设备12、14在诸如特殊护理病房、医疗保健设施、医院等的预定保护区域外，也禁止MBAN设备12、14和MBAN集线器16在MBAN频谱中的运行。例如，只有当MBAN设备12、14和MBAN集线器16位于预定保护区域内时，MBAN设备12、14和MBAN集线器16才能够在MBAN频谱内发送。集线器设备16协调其MBAN系统10在MBAN频谱上的运行，以接收由MBAN设备12、14的传感器20采集的患者数据并且经由更远程通信协议将收集的患者数据从MBAN10发送到中心监测站34。从传感器20采集的患者数据同时从MBAN设备12、14发送到对应的集线器设备16中的短程通信设备28。集线器设备16用作针对由MBAN网络中所有MBAN设备12、14（例如与一位患者相关联的所有MBAN设备）的传感器20采集的患者数据的聚集点，并且在存储器30中提供患者数据的暂时存储。集线器设备16还包括用于将患者数据经由更远程无...