JP5297130B2 - ワイヤレスセンサネットワークでの混信軽減のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、システム監視のためのワイヤレスセンサネットワークに関し、より詳細には、ワイヤレスセンサネットワークの要素間の通信方式に関する。

ワイヤレス通信システムを使用するセンサ監視ネットワークにおいて、２つの重要な設計問題は、データ待ち時間とデータ停止である。すなわち、データがセンサのネットワークから読出し装置まで移動するのにかかる時間（データ待ち時間）、およびデータの最大許容期間を超える損失（データ停止）が、ワイヤレスセンサネットワークの性能に対する２つの重要な要件である。ワイヤレスセンサ監視ネットワークが適切に機能するためには、データ待ち時間とデータ停止がどちらも許容できる限度内になければならない。

信頼性および伝送遅延の問題に対処するために、ビーコン制御センサネットワークの概念、すなわちいわゆる時分割多元接続（ＴＤＭＡ）手法が以前に使用されていた。ＴＤＭＡでは、伝送フレーム内の異なるタイムスロットに信号を分割することにより、様々な装置が同じ伝送周波数チャネルを使用する。それぞれがそれ自体のタイムスロットを使用して、信号が急速な遷移で次々に伝送され、それにより、複数の装置が、伝送媒体の帯域幅の一部だけを使用しながら、同一の伝送媒体（例えば無線周波数チャネル）を共有することが可能となる。

しかし、ＴＤＭＡネットワーク手法の使用は、いくつかの難題を提示する。すなわち、上述のように、データ待ち時間は、ワイヤレスセンサ監視ネットワークで非常に重要であり、したがって、特定のタイムスロット内に適合させるための、センサからリモート受信機へのデータのパケットの伝送の遅延は、周波数チャネル内に存在するスロットの数に応じて、常には実現可能ではない可能性がある。したがって、データ伝送が後続のフレームまで遅延する可能性がある。

さらに、ワイヤレスセンサ監視ネットワークに関するデータ停止仕様は、性能要件を満たすために、例えば、センサノードからゲートウェイに伝送される信号について９５％の伝送成功率を必要とする。単一周波数を介して伝送される信号では、センサおよび受信機が、同一の、または隣接する無線周波数スペクトルを占有するインターフェアラ（ｉｎｔｅｆｅｒｅｒ）に近接している可能性があるので、そのような成功率は見込みのない可能性がある。隣接する周波数上で伝送される信号は、センサネットワークの動作周波数内で依然としてかなりの出力を与える可能性があり、首尾よくメッセージを転送することが妨げられる。例えば、ワイヤレスセンサ監視ネットワークが送信しているのと同時に、設備内の８０２．１１ｂ送信機、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ送信機、Ｚｉｇｂｅｅ送信機、８０２．１５．４送信機、およびレガシー８０２．１１送信機が送信する場合、こうしたインターフェアラが問題を引き起こすことになる。以前の監視ネットワークは、伝送成功率を向上させるためにデータメッセージを複数回再送信する方式を実装したが、そのような再送信により、データが遅延要件を超過する可能性があり、データの価値が著しく低下する。

患者の健康監視の状況では、ワイヤレスセンサネットワークは、ケーブル散乱および装置管理に関連する問題を回避することができるので、非常に有用であることがある。患者センサからゲートウェイ装置またはワイヤレスネットワークへのデータのワイヤレス転送は、そのような装置の管理を軽減し、ケーブル管理に関連する負担を低減することを可能にする。しかし、上述のように、患者監視のためのワイヤレスセンサネットワークの使用は、ワイヤレス通信システムにしばしば関連する通信問題に十分に対処することを必要とする。患者健康監視では、データ待ち時間およびデータ停止の問題は極めて問題となる可能性がある。すなわち、生命徴候監視（例えば、血圧、ヘモグロビン飽和率、および心電図（ＥＣＧ）の監視）は患者看護の重要な部分である。患者の一般的健康または特定の健康は、部分的には主要な生理学的標識の測定および解釈によって判定されるからである。しかし、そのような生理学的データは、適時かつ正確な形で伝送される場合にのみ役立つ。したがって、ワイヤレス患者センサネットワークを実現可能とするために、生命徴候データの伝送は適時でなければならず、高い成功率で伝送されなければならない。

したがって、データ待ち時間およびデータ停止を最小限に抑える機器および方法を設計することが望ましい。同一の、または隣接する無線周波数スペクトルを占有するインターフェアラに近接して配置されたときに適時かつ高信頼性のデータ伝送を可能にするシステムおよび方法を設計することも望ましい。これを実施すると共に、データを含まないが電力および周波数資源を消費する制御メッセージの交換を最小限にするシステムを設計することも望ましい。
米国特許第５１５３５８４号 米国特許第５３３５６６４号 米国特許第５７４８１０３号 米国特許第６７４９５６６号 米国特許第６９８４２０７号 米国特許第６９８８９８９号 米国特許第７０２０５０８号 米国特許第７１２９８３６号 米国特許出願第２００３０１６２５５６号 米国特許出願第２００４０２０３３８１号 米国特許出願第２００５０２０６５１８号 米国特許出願第２００６０００９６９７号 米国特許出願第２００６００３０７５９号 米国特許出願第２００６００９４９３６号 米国特許出願第２００６０１５５１８３号 米国特許出願第２００６０２２０８３９号 米国特許出願第２００６０２２４０４８号 米国特許出願第２００７０１０９１１７号 米国特許出願第２００７０１２９６２２号 米国特許出願第２００７０１７６７９０号 ＥＰ第１０３８４９７号 ＥＰ第１６３９９３９号 ＷＯ第２００６００６１５８号 ＷＯ第２００６００８７４０号 ＷＯ第２００６００９８３０号 ＷＯ第２００６０４８８４０号 ＷＯ第２００６０５０２０６号 ＷＯ第２００６０５１４６６号 ＷＯ第２００６１０２５３８号 ＷＯ第２００７０１４５２７号 ＷＯ第２００７０９６８１０号

本発明は、上述の問題を克服する、ワイヤレス患者センサネットワークの要素間の通信のためのシステムおよび方法を提供する。ワイヤレス患者センサネットワーク内のゲートウェイ装置とワイヤレスセンサとの間のデータ信号が、双方向通信リンクを介して複数の周波数で順次伝送される。

本発明の一態様によれば、ワイヤレス患者監視システムは、患者から患者データを取得するように構成された複数のセンサノードと、複数の定義済み通信フレームのために複数のセンサノードと双方向ワイヤレス通信するゲートウェイ装置とを含む。ゲートウェイ装置は、複数の周波数のそれぞれで複数のセンサノードにビーコンメッセージを送信するように構成される。複数のセンサノードはさらに、ゲートウェイ装置からビーコンメッセージを受信し、複数の周波数のそれぞれで、取得した患者データをゲートウェイ装置に送信する。

本発明の別の態様によれば、患者監視のための方法は、患者から健康データを取得するために患者上に複数のワイヤレスセンサを配置するステップと、複数のワイヤレスセンサのそれぞれを動作フレーム内のタイムスロットに割り当てることによって複数のワイヤレスセンサをゲートウェイコントローラと関連付けるステップとを含む。この方法はまた、動作フレーム中にワイヤレスセンサを活動化するためにゲートウェイコントローラから複数のワイヤレスセンサにビーコン信号を送信するステップと、ビーコン信号に応答して、動作フレーム中に複数のデータパケットを介して複数のワイヤレスセンサからゲートウェイコントローラに健康データを送信するステップとを含む。ビーコン信号およびデータパケットのうちの少なくとも１つは、動作フレーム中に第１周波数チャネルおよび第２周波数チャネルを介して送信される。

本発明のさらに別の態様によれば、ワイヤレスセンサ通信システムは、監視されるシステムからシステムデータを取得するように構成されたセンサネットワークと、センサネットワークに近接して配置され、センサネットワークとワイヤレス通信するコントローラとを含む。センサネットワークとコントローラのそれぞれは、第１周波数チャネル（Ｆ１）および第２周波数チャネル（Ｆ２）を介してワイヤレス信号を順次送信および受信し、複数の通信フレームのそれぞれの間に少なくとも１度、第１周波数チャネルと第２周波数チャネルとの間で切り替わるように構成され、ワイヤレス信号は活動化信号およびシステムデータを含む。

本発明の様々な他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および図面から明らかとなるであろう。

図面は、本発明を実施するように現在企図される１つの好ましい実施形態を示す。

本発明は、ワイヤレスセンサネットワークの要素間の通信のためのシステムおよび方法を提供する。以下では、記載の通信方式を介して通信する複数の身体装着センサおよびゲートウェイ装置を備えるワイヤレス患者センサネットワークとして説明するが、ワイヤレスセンサネットワークが様々な追加の設定で使用可能であることも想定される。すなわち、本発明のワイヤレスセンサネットワークは、産業設定および輸送設定でも使用可能であり、機械的システム、電気的システム、および電気機械的システムに関連する複数の異なる性能パラメータを感知および通信するためにも使用可能である。したがって、患者監視および患者データの取得／伝送のために使用されるワイヤレスセンサネットワークの以下の説明は例示的なものに過ぎず、想定される本発明の一実施形態に過ぎない。

図１を参照すると、複数のワイヤレス患者監視ネットワークが、Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｒｏｕｎｄ ａ Ｐａｔｉｅｎｔ（ＮＡＰ）１０の形で示されている。いくつかのＮＡＰ１０が、何人かの患者１４のそれぞれを監視するために医療施設１２内に存在するものとして示されている。各ＮＡＰは、患者１４上に配置され、センサネットワークを形成する、複数のワイヤレスの身体装着センサ１６（すなわちセンサノード）を含む。ワイヤレスセンサ１６は、複数の患者パラメータのいずれか、およびそれらの組合せのいずれかを測定するパラメータ特有のセンサノードとして構成される。こうしたパラメータは、限定はしないが、心拍数、ＥＣＧ、および血液酸素飽和率などの生理学的パラメータを含むことができる。ワイヤレスセンサ１６が患者の移動を測定する加速度計や、周囲光または周囲音を測定する光検出器またはマイクロフォンなどの追加の患者パラメータを測定するセンサ装置の形態であることも想定される。

一実施形態では、ワイヤレスセンサ１６は、電池運用の低電力ワイヤレス独立式センサである。しかし、センサのタイプおよび電力特性は変更することができる。各ワイヤレスセンサ１６は、双方向ワイヤレス通信リンクを介してゲートウェイコントローラ装置２０（すなわちコントローラ）と通信し、それと関連付けられる。ワイヤレス通信リンクはいくつかの周知の通信媒体の形態でよく、一実施形態では、無線周波数信号を含む。例えば、２．４ＧＨｚＩＳＭ帯内のＲＦ信号を、双方向ワイヤレス通信のための媒体として使用することができる。

双方向通信に対処するために、各ワイヤレスセンサ１６およびゲートウェイ装置２０は集積回路トランシーバ２２を含む。さらに、ワイヤレスセンサ１６およびゲートウェイ装置２０は、以下で詳細に説明するように、装置が信号を送信および受信するときに周波数間でホップする／切り替わることを可能にするマイクロコントローラ２４も含む。ワイヤレスセンサ１６は、指定の患者パラメータを測定する感知装置２６をさらに含む。

図１に示されるように、ゲートウェイ装置２０は、ワイヤレスセンサ１６に近接する身体装着装置であるが、患者から離れたベッドサイド装置または他の装置としてゲートウェイ装置２０を実装できることも想定される。ゲートウェイ装置２０は、１つまたは複数の測定された患者パラメータに関するデータを受信し、有線リンクまたはワイヤレスリンクを使用して、この受信した患者データ（すなわち生理学的データ、健康データ）を病院ネットワークシステムまたはインフラストラクチャ２８に搬送するワイヤレスブリッジとして働く。一実施形態では、患者データが、特に医学遠隔測定（ｍｅｄｉｃａｌ ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ）用に割り振られた無線周波数を介してゲートウェイ装置２０から病院インフラストラクチャ２８に転送される（すなわち、米国でのＷＭＴＳサービス）。しかし、他のワイヤレス遠隔測定、ワイヤレスＬＡＮ、または他の無線周波数リンクも使用することができる。

ＮＡＰ１０内の身体上通信は双方向（すなわち、ワイヤレスセンサとゲートウェイ装置の間の通信）であるが、ゲートウェイ装置２０から病院インフラストラクチャ２８に対して一方向通信が行われる。ゲートウェイ２０からインフラストラクチャ２８への一方向リンクを仮定すると、ゲートウェイ装置は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信装置などの他の共通ワイヤレスシステムからの混信を監視し、それに応じて周波数を変更しなければならない。これを実施するために、ＮＡＰの一実施形態は、病院エリア内に配置され、エリア内のすべてのゲートウェイ２０に周期的ビーコンメッセージを送信するスーパーバイザゲートウェイ装置２９を含む。このスーパーバイザゲートウェイ２９は、近傍で利用可能である周波数、または近傍で使用される周波数を搬送する。スーパーバイザゲートウェイメッセージは、ゲートウェイが受信のためにそれに対して周期的に同調する、事前定義されたデフォルトチャネル上で行われる。この階層式アーキテクチャは、患者が医療施設１２を動き回るときにＮＡＰ１０の堅牢な移動性をもたらす。

次に図２を参照すると、ゲートウェイ装置２０と複数のワイヤレスセンサ１６の間のワイヤレス通信方式が示されている。複数のワイヤレスセンサ１６はゲートウェイ装置２０と関連付けられ、それによってゲートウェイ装置は、ワイヤレス通信リンク上のデータ交換のために特定の時間スロット３０を各センサに割り当てる。ゲートウェイ装置２０とワイヤレスセンサ１６の間の通信は、ＴＤＭＡ型システムと類似の複数のスロット３０を含む通信フレーム３２（すなわち動作フレーム）に分割される。そのような一通信フレーム３２が図２に示されている。ゲートウェイ装置２０は、ＮＡＰ１０（図１に図示）に追加されたワイヤレスセンサのタイプに基づいてフレーム３２のタイミングを調節することができる。センサデータ帯域幅に基づいて、ゲートウェイ装置２０は、フレームタイミング、スロット幅、および／またはスロット数を拡大または縮小することができる。周波数に基づくチャネルの代替として、拡散コード、ホッピングパターンに基づくチャネル、またはＲＦ時間−帯域幅積（ＲＦ ｔｉｍｅ−ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｐｒｏｄｕｃｔ）の任意の他の分離手段を使用することもできる。

各通信フレーム３２の間に、ネットワーク管理およびセンサデータ交換を含むいくつかのタスクが完了する。各フレームの開始時に、ゲートウェイ装置２０は、ワイヤレスセンサ１６に送信され、ワイヤレスセンサ１６によって受信されるブロードキャストビーコンメッセージ３４（すなわち活動化信号）を使用して、ネットワーク情報を各ワイヤレスセンサ１６に転送する。ビーコンメッセージ３４は、使用する将来の周波数チャネル、次のビーコンまでの時間などに関する情報を含むことができる。時分割多元接続（ＴＤＭＡ）型方式が使用され、それによってゲートウェイ装置２０は、固定間隔でビーコンメッセージ３４を送信し、したがって複数の通信フレーム３２を定義する。ゲートウェイ装置２０に関連付けられるワイヤレスセンサ１６は、ビーコンメッセージ３４の受信時に低電力状態から覚醒する。次いで、各センサ１６は、それが関連付けられる通信フレーム３２内のその割り当てられた時間スロット３０が生じるまで、低電力消費状態で待機する。通信フレーム３２内のその割り当てられた時間スロットの間、各ワイヤレスセンサ１６は、測定された患者パラメータに関するデータを含むデータパケット３６をゲートウェイ装置２０に送信する。データパケット３６は少なくとも、現在の通信フレーム３２中に取得された患者データを含む。データ待ち時間問題が対処される限りは、データパケット３６が直前または以前の通信フレームからの患者データ、またはいくつかの先行する通信フレームからの患者データを含むことができることも想定される。次いで、関連付けられるワイヤレスセンサのそれぞれからゲートウェイ装置２０へのデータパケット３６の通信の後、かつセンサネットワーク１８（図１に図示）に追加されるべき追加のワイヤレスセンサ１６にそれぞれのスロット３０が割り当てられる通信フレーム３２の終了の前に、関連間隔（ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｖａｌ）３８が続く。一実施形態では、ワイヤレスセンサ１６は、この関連期間３８の間、次のビーコン間隔（すなわち次の通信フレーム）までスリープする。通信フレーム３２の終了時、ゲートウェイ装置２０とワイヤレスセンサ１６はどちらも、後続の通信フレームに備えて共通周波数に再同調する。

ゲートウェイ装置２０とワイヤレスセンサ１６の間のワイヤレス通信に堅牢性を与えるために、ビーコンメッセージ３４が複数回ワイヤレスセンサに転送され、それぞれの送信されたビーコンメッセージ３４は、その中に同じデータ／命令を含む。以下では、初期ビーコンメッセージ４０および追従ビーコンメッセージ４２（すなわち２つのメッセージ）として説明するが、追加の反復ビーコンメッセージを送信できることも想定される。初期ビーコンメッセージ４０が、第１周波数Ｆ１で（すなわち第１周波数チャネルを介して）ゲートウェイ装置２０によって送信される。ワイヤレスセンサ１６によってこの初期ビーコンメッセージ４０の受信の肯定応答は生成されない。したがって、初期送信の後で、ゲートウェイ装置２０は、第１周波数とは異なる第２周波数で（すなわち第２周波数チャネルを介して）追従ビーコンメッセージ４２を自動的に送信する。一実施形態では、第１周波数と第２周波数は、所定の固定量だけ異なる。しかし、周波数間の差は、ゲートウェイ装置２０（すなわち図１に示されるマイクロコントローラ２４）によって生成される擬似乱数差でよいということも想定される。擬似乱数差は、ワイヤレスＲＦ通信に対して一般に使用される周波数に適合する一定の周波数範囲内に限定される。

上述のように、初期ビーコンメッセージ４０が、第１周波数Ｆ１でワイヤレスセンサ１６に送信される。初期状態では、ワイヤレスセンサ１６が、ゲートウェイ装置２０からの初期ビーコンメッセージ４０の受信を待つように第１周波数に同調される。ワイヤレスセンサ１６は、所定の時間枠４４について初期ビーコンメッセージ４０の送信を待つようにプログラムされる。ビーコンメッセージがこの所定の時間枠４４内で受信されない場合、ワイヤレスセンサ１６は、第２周波数に同調し（または切り替わり）、第２周波数Ｆ２で送信される追従ビーコンメッセージ４２を監視する。第１周波数および第２周波数のそれぞれでのビーコンメッセージ３４の送信は、ワイヤレスセンサ１６によるビーコンメッセージの受信を保証する助けとなる。

第１または第２送信周波数でのビーコンメッセージ３４の受信時に、各ワイヤレスセンサ１６が、データパケット３６（取得された患者データを含む）をゲートウェイ装置２０に送信するように活動化される。ビーコンメッセージ３４の送信と同様に、患者データも、順次、異なる周波数を介して複数回送信される。この場合も、第１周波数および第２周波数で転送される１対の反復データパケット３６として以下で説明するが、通信ウィンドウの時間長およびその長さの間に送信可能なメッセージ量のみによって制限される追加の反復データパケット３６を送信できることが想定される。ゲートウェイ装置２０によって患者データの受信の肯定応答は生成されない。したがって、データパケットの第１伝送の後で、ワイヤレスセンサ１６は、第１伝送で送信されたデータパケット３６が首尾よく受信されたかどうかに関するフィードバックを待つ必要なしに、以下で詳細に説明するパターンのうちの１つに従って異なる周波数でデータパケット３６を再送信することができる。肯定応答受信の省略により、後続の反復伝送間の時間が短縮され、したがって遅延要件待ち時間に関する問題に対処される。

以下で説明する複数の方式／パターンから選択される、データパケット３６伝送の時間および周波数を変更する一定の通信方式／パターンの実装が、周囲無線環境の特性と、ＮＡＰ１０（図１に図示）の近傍に存在する妨害器とによって決定される。すなわち、ゲートウェイ装置２０は、近傍の既知の妨害システムの存在下での性能を試して改善するために、そうした妨害システムに基づいてデータパケット３６に関する異なる時間／周波数パターンを起動することができる。一実施形態では、ゲートウェイ装置２０が、パケットエラー（すなわち伝送障害、測定されたパラメータからかけ離れたパケット内のデータなど）の増加の観測を介して、かつ関連期間３８の間に外部無線センサ（すなわち、関連付けられるワイヤレスセンサ１６の外部のセンサ）を感知することによって、他の妨害システムの存在を感知するように構成される。したがって、データパケット３６の伝送を最適化するための適切な通信方式／パターンの選択は、ゲートウェイ装置２０で決定することができる。

以下で説明するように、例示の目的で、ゲートウェイ装置２０と通信するセンサネットワークは、図２に示されるように、３つのワイヤレスセンサ１６からなる。図２に示される実施形態では、第１センサノード４６、第２センサノード４８、および第３センサノード５０が、ゲートウェイ装置２０とワイヤレス通信し、データパケットを介してゲートウェイ装置２０に患者データをシーケンス順に送信する。すなわち、第１センサノード４６、第２センサノード４８、および第３センサノード５０は、各ノードが関連付けられる通信フレーム３２内のスロット３０に従って患者データを送信する。図２に示されるように、第１センサノード４６は、その関連付けられるスロットで、第１周波数、次いで第２周波数でデータ３６を送信する。別個の第１周波数と第２周波数での第１センサノード４６によるデータパケット３６の反復送信の後、第２センサノード４８は、その割り当てられたスロット３０で、第１周波数、次いで第２周波数でデータパケット３６を送信する。第２センサノード４８による送信に続いて、第３センサノード５０は、その割り当てられたスロット３０で、第１周波数、次いで第２周波数で患者データを送信する。

患者データの受信に対処するために、ゲートウェイ装置２０が、第１センサノード４６、第２センサノード４８、および第３センサノード５０の第１周波数と第２周波数の間の切替えと同期される。すなわち、ゲートウェイ装置２０は、第１周波数および第２周波数を介する第１センサノード４６、第２センサノード４８、第３センサノード５０からのデータパケットの３６の送信に合致するパターンで、第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２の間で交互に同調する。ビーコンメッセージ３４の送信に関して上記で説明したのと同様に、ゲートウェイ装置２０は、所定の時間枠５２について、指定の周波数でのセンサノードからのデータパケット３６の送信を待つようにプログラムされる。監視する周波数を介してこの所定の時間枠５２内でデータパケット３６が受信されない場合、ゲートウェイ装置２０は、第２の異なる周波数に同調し（すなわち切り替わり）、第２周波数で送信されるデータパケット３６を監視する。図２に示される実施形態に関して、このことは、ゲートウェイ装置２０が、個々のセンサノード４６、４８、５０のそれぞれからデータパケット３６を待つときに、当初は第１周波数に同調されることを意味する。次いで、当初は第１周波数で送られる各センサノードからのデータパケット３６が所定の時間枠５２内に受信されない場合、ゲートウェイ装置２０は第２周波数に同調する。しかし、以下で説明するように、患者データの送信を修正して、ゲートウェイ装置２０によって実施される周波数切替えの量を低減し、センサノードによる患者データの各送信と同期したままにすることができることも想定される。

次に図３を参照すると、本発明の別の実施形態では、第１センサノード４６、第２センサノード４８、および第３センサノード５０が、ゲートウェイ装置２０とワイヤレス通信し、ゲートウェイ装置２０に患者データパケット３６をシーケンス順に送信する。すなわち、第１センサノード４６、第２センサノード４８、および第３センサノード５０は、各ノードが関連付けられる通信フレーム３２内のスロット３０に従ってデータパケット３６を送信する。図３に示されるように、第１センサノード４６は、その関連付けられるスロットで、第１周波数、次いで第２周波数でデータパケット３６を送信する。別個の第１周波数と第２周波数での第１センサノード４６によるデータパケット３６の反復送信の後、第２センサノード４８は、その割り当てられたスロット３０で、第２周波数、次いで第１周波数でデータパケット３６を送信する。第２センサノード４８による第２周波数でのデータパケット３６のこの初期送信が、第１センサノード４６によるその第２周波数での送信の後に続くので、ゲートウェイ装置２０は、スロット３０間で第１センサノード４６から第２センサノード４８に遷移するとき、引き続き第２周波数に同調される。同様に、第２センサノード４８による送信に続いて、第３センサノード５０は、当初は第１周波数、次いで第２周波数で患者データ当初を送信する。したがってこの場合も、ゲートウェイ装置２０は、第２センサノード４８から第３センサノード５０に遷移するときに、引き続き第１周波数に同調することができる。したがって、センサノード４６、４８、５０によるデータパケット３６の各送信と同期したままとなるためにゲートウェイ装置２０で必要とされる周波数同調および周波数切替えは、図３に示される実施形態では削減される。

次に図４を参照すると、別の実施形態では、各通信フレーム３２が複数の定義済みサブフレーム５４、５６に分割される。図４に示されるように、通信フレーム３２はさらに、第１サブフレーム５４および第２サブフレーム５６からなり、各サブフレームは同一の数のスロット５８を含む。各センサノードは、各サブフレーム内の同一のスロット５８に対応する（すなわち、第１センサノード４６は、第１サブフレームおよび第２サブフレームのそれぞれの第１スロットで送信する）。センサネットワーク１８（図１に図示）内の複数のワイヤレスセンサ１６からのデータパケット３６を介する患者データの送信が、２つのサブフレームに分割される。すなわち、図４に示されるように、第１センサノード４６、第２センサノード４８、および第３センサノード５０のそれぞれは、第１サブフレーム５４中に第１周波数でデータパケット３６を送信するようにプログラムされる。各センサによるデータパケット３６の送信は、第１サブフレーム５４内の各センサの関連付けられる時間スロット５８に従って順序付けられる。第１サブフレーム５４の完了時に、第２サブフレーム５６に入り、その間に、第１センサノード４６、第２センサノード４８、および第３センサノード５０のそれぞれが、第２の別個の周波数でそれぞれのデータパケット３６を再送信するようにプログラムされる。第１サブフレーム５４中の送信と同様に、第２サブフレーム５６内の各センサによるデータパケット３６の送信もやはり、第２サブフレーム５６内の各センサの関連付けられる時間スロット５８に従って順序付けられる。

上述の第１サブフレーム５４および第２サブフレーム５６への通信フレームの分割は、指定の周波数での患者データ伝送期間を延長することを可能にする。すなわち、センサノード４６、４８、５０によって第１サブフレーム５４で送信されるすべてのデータパケット３６が、第１周波数で送信される。その後で、センサノードによって第２サブフレーム５６で再送信されるすべてのデータパケット３６が、第２周波数で送信される。そのような送信プロトコルは、ゲートウェイ装置２０が、異なる周波数に再同調する必要なしに、サブフレームの全体で単一周波数に同調したままにすることを可能にする。センサノード伝送と同期したままにするためにゲートウェイ装置２０によって必要とされる再同調の数の削減により、エネルギー消費が削減され、再同調に関連する時間遅延が解消される。

ビーコンメッセージ３４および患者データパケット３６についての複数の伝送パターンのそれぞれを上記で別々に説明したが、互いに一緒に伝送パターンを使用できることが想定される。すなわち、ゲートウェイ装置２０と複数のワイヤレスセンサ１６の間のデータ転送のために使用される伝送パターンを、連続する通信フレーム３２間で変更することができる。そのような伝送パターンの変更により、混信無線伝送のデューティサイクルに従って伝送パターンを変更して、混信無線伝送との混信を回避することができるので、ワイヤレス通信をさらに改善し、堅牢にすることができる。

別の実施形態では、周波数可変能力／ホッピングがゲートウェイ装置２０によって通信フレーム３２間で使用され、他のゲートウェイまたは他の無線システムで使用されていない利用可能な無線通信路（例えば２．４ＧＨｚ ＩＳＭ帯域の中）が選択される。すなわち、ゲートウェイ装置２０は（図１に示されるスーパーバイザゲートウェイ２９により）、後続の通信フレーム３２によってそのビーコンメッセージ３４中に使用される伝送周波数に、ゲートウェイ装置２０およびワイヤレスセンサ１６によって送信される周波数のうちの少なくとも１つを以前に未使用であった周波数に変更するように指令する。通信フレーム３２間で使用される追加の周波数ホッピングはさらに、伝送の変動性をさらに高めることによってＮＡＰ１０（図１に図示）でのビーコンメッセージ３４およびデータパケット３６の伝送が成功することを保証する。ゲートウェイ装置２０はまた、将来の通信のために１組の周波数パターンをブロードキャストすることができる。

したがって、本発明の一実施形態によれば、ワイヤレス患者監視システムは、患者から患者データを取得するように構成された複数のセンサノードと、複数の定義済み通信フレームのために複数のセンサノードと双方向ワイヤレス通信するゲートウェイ装置とを含む。ゲートウェイ装置は、複数の周波数のそれぞれで複数のセンサノードにビーコンメッセージを送信するように構成される。複数のセンサノードはさらに、ゲートウェイ装置からビーコンメッセージを受信し、複数の周波数のそれぞれで、取得した患者データをゲートウェイ装置に送信する。

本発明の別の態様によれば、患者監視のための方法は、患者から健康データを取得するために患者上に複数のワイヤレスセンサを配置するステップと、複数のワイヤレスセンサのそれぞれを動作フレーム内のタイムスロットに割り当てることによって複数のワイヤレスセンサをゲートウェイコントローラと関連付けるステップとを含む。この方法はまた、動作フレーム中にワイヤレスセンサを活動化するためにゲートウェイコントローラから複数のワイヤレスセンサにビーコン信号を送信するステップと、ビーコン信号に応答して、動作フレーム中に複数のデータパケットを介して複数のワイヤレスセンサからゲートウェイコントローラに健康データを送信するステップとを含む。ビーコン信号およびデータパケットのうちの少なくとも１つは、動作フレーム中に第１周波数チャネルおよび第２周波数チャネルを介して送信される。

本発明のさらに別の態様によれば、ワイヤレスセンサ通信システムは、監視されるシステムからシステムデータを取得するように構成されたセンサネットワークと、センサネットワークに近接して配置され、センサネットワークとワイヤレス通信するコントローラとを含む。センサネットワークとコントローラのそれぞれは、第１周波数チャネル（Ｆ１）および第２周波数チャネル（Ｆ２）を介してワイヤレス信号を順次送信および受信し、複数の通信フレームのそれぞれの間に少なくとも１度、第１周波数チャネルと第２周波数チャネルとの間で切り替わるように構成され、ワイヤレス信号は活動化信号およびシステムデータを含む。

本発明を好ましい実施形態によって説明したが、はっきりと述べたもの以外の均等物、代替実施形態、および修正形態が可能であり、それらは添付の特許請求の範囲内にあることを理解されたい。また、図面の符号に対応する特許請求の範囲中の符号は、単に本願発明の理解をより容易にするために用いられているものであり、本願発明の範囲を狭める意図で用いられたものではない。そして、本願の特許請求の範囲に記載した事項は、明細書に組み込まれ、明細書の記載事項の一部となる。

本発明によるＮｅｔｗｏｒｋ Ａｒｏｕｎｄ ａ Ｐａｔｉｅｎｔ（ＮＡＰ）ワイヤレスセンサネットワークのブロック図である。 図１に示されるシステムで使用可能な通信方式の図形表現である。 図１に示されるシステムで使用可能な別の通信方式の図形表現である。 図１に示されるシステムで使用可能な別の通信方式の図形表現である。

符号の説明

１０ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ａｒｏｕｎｄ ａ Ｐａｔｉｅｎｔ（ＮＡＰ）
１２ 医療施設
１４ 患者
１６ 身体装着センサ
２０ ゲートウェイコントローラ装置
２２ 集積回路トランシーバ
２４ マイクロコントローラ
２６ 感知装置
２８ インフラストラクチャ
２９ スーパーバイザゲートウェイ装置
３０ 時間スロット
３２ 通信フレーム
３４ ブロードキャストビーコンメッセージ
３６ データパケット
３８ 関連間隔
４０ 初期ビーコンメッセージ
４２ 追従ビーコンメッセージ
４４ 時間枠
４６ 第１センサノード
４８ 第２センサノード
５０ 第３センサノード
５２ 時間枠
５４ 第１サブフレーム
５６ 第２サブフレーム
５８ スロット

Claims (10)

1. 患者（１４）から患者データを取得するように構成された複数のセンサノード（１６）と、
   複数の定義済み通信フレーム（３２）のための前記複数のセンサノード（１６）と双方向ワイヤレス通信するゲートウェイ装置（２０）であって、複数の周波数のそれぞれで前記複数のセンサノードにビーコンメッセージ（３４）を送信するように構成されるゲートウェイ装置（２０）と
   を備えるワイヤレス患者監視システム（１０）であって、
   前記複数のセンサノード（１６）がさらに、
   前記ゲートウェイ装置（２０）から前記ビーコンメッセージ（３４）を受信し、
   前記複数の周波数のそれぞれで、取得した患者データを前記ゲートウェイ装置（２０）に送信し、
   前記複数の周波数が、第１周波数および第２周波数を含み、
   前記複数のセンサノード（１６）がさらに、前記ビーコン信号（３４）を受信するために前記第１周波数に同調し、前記第１周波数で送信される前記ビーコン信号（３４）が所定の時間限度（４４）内に受信されない場合に前記第２周波数に同調するように構成され、
   前記ゲートウェイ装置（２０）がさらに、前記患者データを受信するために前記第１周波数に同調し、前記患者データが所定の時間限度（４４）内に受信されない場合に前記第２周波数に同調するように構成されるワイヤレス患者監視システム（１０）。
2. 前記ゲートウェイ装置（２０）と前記複数のセンサノード（１６）の各々が、前記複数の定義済み通信フレーム（３２）の終了時に前記第１周波数に再同調するように構成される、
   請求項１記載のワイヤレス患者監視システム（１０）。
3. 前記ゲートウェイ装置（２０）を制御するためのスーパーバイザゲートウェイ（２９）をさらに備え、前記スーパーバイザゲートウェイ装置（２９）が、前記第１周波数と前記第２周波数の少なくとも一方を、第１通信フレームと後続の通信フレームとの間で所定の量だけ前記ゲートウェイ装置（２０）にシフトさせるように構成される請求項１又は２記載のワイヤレス患者監視システム（１０）。
4. 前記第１センサノード（４６）が、前記第１周波数、次いで前記第２周波数で患者データを送信し、その後で、前記第２センサノード（４８）が、前記第１周波数、次いで前記第２周波数で患者データを送信し、その後で、前記複数のセンサノード（１６）内に追加のセンサノードがある場合、追加のセンサノードが、前記第１周波数、次いで前記第２周波数で患者データを送信し、前記ゲートウェイ装置（２０）が、前記センサノード（１６）のそれぞれの前記第１周波数と前記第２周波数の間の切替えと同期される請求項１乃至３のいずれかに記載のワイヤレス患者監視システム（１０）。
5. 前記第１センサノード（４６）が、前記第１周波数、次いで前記第２周波数で患者データを送信し、その後で、前記第２センサノード（４８）が、前記第１周波数、次いで前記第２周波数で患者データを送信し、その後で、前記複数のセンサノード（１６）内に追加のセンサノードがある場合、追加のセンサノードが、前記複数のセンサ（１６）内の前のセンサと逆の順序で、前記第１周波数および前記第２周波数で患者データを送信し、前記ゲートウェイ装置（２０）が、前記第１周波数と前記第２周波数の間の切替えと同期される請求項１乃至３のいずれかに記載のワイヤレス患者監視システム（１０）。
6. 前記第１時間スロットが、第１サブフレーム（５４）および第２サブフレーム（５６）をさらに含み、前記第１及び第２センサノード（１６）のそれぞれが、前記第１サブフレーム（５４）中に前記第１周波数で患者データを送信し、前記第２サブフレーム中に前記第１周波数（５６）で患者データを送信する請求項１乃至３のいずれかに記載のワイヤレス患者監視システム（１０）。
7. 前記複数のセンサノード（１６）が、心拍数、ＥＣＧ、および血液酸素飽和率のいずれかを含む生理学的パラメータ又は、患者の移動、周囲光、および周囲音のいずれかを含む患者パラメータを測定するセンサを備える請求項１乃至６のいずれかに記載のワイヤレス患者監視システム（１０）。
8. 前記複数のセンサノード（１６）が電池を備える請求項１乃至７のいずれかに記載のワイヤレス患者監視システム（１０）。
9. 前記複数のセンサノード（１６）がワイヤレス身体装着センサを備える請求項１乃至８のいずれかに記載のワイヤレス患者監視システム（１０）。
10. 前記ゲートウェイ装置（２０）がワイヤレス身体装着装置を備える請求項１乃至９のいずれかに記載のワイヤレス患者監視システム（１０）。
    

Images