医疗设备和传感器的无线ad hoc网络中的时间同步

医疗设备和传感器的无线ad hoc网络中的时间同步

本发明涉及医学领域。本发明发现了在无线自主传感器网络的时间同步中的特定应用，并通过特定参照来进行描述。更一般地，本发明发现了用于同步医院里的无线医疗传感器和设备以及其他医疗设施的应用。

包括多个无线传感器节点和/或其他无线医疗设备的无线短距离ad hoc网络被越来越多地应用于医院里的连续健康监视和护理。这种网络有利地可以自主工作而不需要连接到医疗基础设施网络，从而能够在患者被移动到新房间、测试中心等的同时连续进行生命征象监视或其他医疗工作。在ad hoc网络中，无线地连接构成网络的监视或治疗患者的无线设备。然后，当患者离开时，在ad hoc基础上，该无线设备能够被结合到用于其他患者的其他ad hoc网络中。

该无线短距离ad hoc网络的每个传感器节点或其他部件包括低功率、短距离无线通信链接，例如蓝牙或ZigBee链接，用于与该网络的其他设备通信。在一些方案中，该无线短距离ad hoc网络的一个节点可以用作调节该网络活动的控制节点。例如，该控制节点可以采集、预处理和存储来自该网络的传感器节点的传感器读数。在一些方案中，该控制节点还包括长距离无线网络能力(例如WLAN)，使其能够与相邻的医疗基础设施网络的无线接入点和/或其他无线医疗设备通信。在这种情况下，该控制节点可以提供在该无线短距离ad hoc网络和位于该医疗基础设施网络中的服务器、数据库、计算机或医疗设备和/或连接到该网络的其他无线医疗设备之间的无线接口。

无线短距离ad hoc网络中遇到的一个问题是组成该网络的无线医疗设备的时间同步。对于依赖于信息技术系统的任何组织来说，时间同步是一个关键要素。其原因是，这些系统都具有作为它们处理的文件或操作的时间源的时钟。没有时间同步，这些系统的时间就会相对于彼此或者官方时间而变化，这样会导致数据丢失、过程失败、安全性受损、法律风险(legal exposure)增加。

该无线短距离ad hoc网络的某些操作可能是与时间密切相关的。例如，在介入操作中，操作的时间顺序是很重要的。在监视中，在无线短距离ad hoc网络自主工作时记录的传感器数据应当用准确的日期和时间信息记录，从而能够可靠地比较来自不同传感器的传感器数据。另外，可以收集控制操作(例如药物剂量的改变)的活动日志以用于核查目的。另外，通信安全性还会依赖于时间同步。例如，可以对消息打上时间戳以用于重放保护。

由于电池或其他车载电源的使用，所以不能确保维持定时时钟同步。该电池或其他车载电源会损耗，导致将该节点的内部时钟重设为默认值，例如1980年1月1日上午12:00。

而且，由于该无线短距离ad hoc网络的每个无线医疗设备是独立工作的，所以该各个设备的内部时钟存在偏差的可能。由于相邻高功率设备或其他原因导致的电力故障也会导致该内部时钟被重设或破坏，从而对于该发生故障的无线医疗设备产生不正确的时间值。因为必须以ad-hoc方式无缝地、容易地最好是以自组织的方式构建、配置、扩展和分解该无线短距离ad hoc网络，所以不可能由医务人员对每个单个节点进行重复同步。

以下预期改进的装置和方法克服了前述限制和其他问题。

根据一个方面，提供一种使得无线短距离网络的无线医疗设备与医疗网络的时间服务器同步的方法。该无线短距离网络的设备通过短距离无线通信协议互相通信。使得时间控制设备的时钟与该时间服务器同步。该无线短距离网络的选定无线医疗设备使用短距离无线通信协议建立与该时间控制设备的短距离无线连接。通过该建立的短距离无线连接使得该选定无线医疗设备的时钟与该时间控制设备的时钟同步。重复进行该无线连接和同步以便同步该短距离网络的每个无线医疗设备的时钟。

根据另一方面，公开了一种使得无线医疗设备的无线短距离网络与医疗网络的时间服务器同步的装置，该无线医疗设备配置成通过短距离无线通信协议互相通信。时间控制软件配置成安装在时间控制设备上。时间更新软件配置成安装在该短距离网络的无线医疗设备上。通过时间控制设备的处理器执行该时间控制软件和通过选定无线医疗设备的处理器执行该时间更新软件共同实现了一种方法，该方法包括：(i)使得该时间控制设备的时钟与该时间服务器同步；(ii)使得该选定无线医疗设备使用短距离无线通信协议与该时间控制设备无线连接以建立短距离无线连接，和(iii)使得该选定无线医疗设备的时钟通过该建立的短距离无线连接与该时间控制设备的时钟同步。

一个优点在于，对于无线短距离ad hoc网络的无线医疗设备进行时间同步，其中大多数或全部无线医疗设备都没有长距离无线接口或者连接到该时间服务器所在的医疗基础设施网络的任何其他方式。

另一个优点在于，以规则间隔提供无线短距离ad hoc网络的无线医疗设备的时间同步。

另一个优点在于，提供无线短距离ad hoc网络的无线医疗设备的自动时间同步而不需要用户干预。

在阅读以下详细说明的基础上，本领域普通技术人员将会清楚许多其他优点和好处。

本发明可以实现为各种部件和部件布置，以及各种过程操作和过程操作组合。附图仅仅用于图示优选实施例而不应被解释为限制本发明。

图1示出了与一个治疗患者可操作连接的无线医疗设备的无线短距离ad hoc网络的例子。

图2示意性示出了图1的无线短距离ad hoc网络的一个无线节点。

图3示意性示出了图1的无线短距离ad hoc网络的最优时间控制节点节点。

图4示意性示出了可选地用于时间同步图1的无线短距离ad hoc网络的无线个人电子设备。

参照图1，通过无线医疗设备22、24、26、28的无线短距离ad hoc网络20监视患者10。在所示实施例中，无线医疗设备22、24、26是无线传感器节点，而无线医疗设备28是患者10戴在手腕上的可选的时间控制节点。该时间控制节点28提供了对于该短距离ad hoc网络20的中央控制。更一般地，该无线短距离ad hoc网络20实质上可以包括任意数量的任意类型的无线医疗设备，并且可选地不包括集中控制节点例如该时间控制节点28。在所示实施例中，该传感器节点22、24、26将传感器数据传输到时间控制节点28，该时间控制节点28预处理并收集该传感器数据，使其在本地是可获得的，并且可选地将该收集的传感器数据通过医疗网络32传输到患者记录储存库30，该医疗网络32例如是通过无线接入点34访问的局域网(LAN)。该收集的传感器数据例如可以包括，心电图(ECG)数据、血氧饱和度(SaO2)数据、心率、呼吸速率、呼吸周期、血压、脑电波、等等。该收集的传感器数据适当显示在无线生命征象监视器36上，其可选地作为该短距离ad hoc网络20的另一无线医疗设备，或者用于监视患者10，以诊断患者10的医疗问题等等。

继续参照图1并且进一步参照图2，其中示意性示出了示例性无线传感器节点22，每个传感器节点22、24、26包括一个或多个传感器，例如ECG传感器40和SaO2传感器42，并且还包括电源44和短距离无线通信接口46。电源44可以是可充电电池、存储电容器或其他可充电电源，或者可以是一次性电池。无线通信接口46应用低功率、短距离无线技术，其具有典型地基本上不超过患者10最邻近区域的距离。该传感器节点22还包括数字处理器50，和非易失性存储器52，该非易失性存储器52具有分配用于存储可以由数字处理器50执行的软件54的部分、分配用于存储传感器数据的部分56、和分配用于存储用于在无线通信期间寻址该传感器节点22的唯一节点标识符58的部分。另外，该传感器节点22还包括用于为所收集传感器数据打上时间戳或用于其他计时目的的内部定时时钟60。

参照图3，可选的时间控制节点28类似地包括一个或多个可选传感器，例如所示可选脉冲传感器40′、电源44′、短距离无线通信接口46′、数字处理器50′和存储器52′。该存储器52′具有分配用于存储可以由处理器50′执行的软件54′的部分、分配用于存储传感器数据(包括来自可选传感器40′的传感器数据和从传感器节点22、24、26无线收集的传感器数据)的部分56′、和节点标识符58′。时间控制节点28包括内部时钟60′，并且可选地还包括长距离无线通信接口64′，例如WLAN接口，用于与LAN 32的无线接入点34通信。在一些实施例中，该时间控制节点28使用该长距离无线通信接口64′以连接到其他无线医疗设备。

该时间控制节点28的WLAN接口64′使得该无线短距离网络20与包括时间服务器70的LAN 32连接。然而，在一些实施例中，该无线短距离ad hoc网络不包括具有WLAN接口的设备。例如，省去该时间控制节点28的无线短距离ad hoc网络20组成了这样一个实施例。在一些实施例中，例如由于成本原因，该医疗环境可以完全缺少长距离无线技术(例如无线接入点34的LAN 32)。在这种环境中，利用患者周围群集的ad-hoc网络和具有服务器和其他计算机的分离的有线基础设施网络构建无线通信。在其他情况下，该长距离网络是可用的，但是其覆盖范围不足以连接到每个短距离网络20。在另外的其他情况下，医院网络策略可能不允许该时间控制节点28通过长距离接口64′从短距离网络20与LAN连接，例如以便确保该医疗基础设施网络32的安全性，确保该无线接入点34的性能或者限制控制设备28中的功率消耗。

在这些实施例中，该无线短距离ad hoc网络不能直接与LAN 32通信以执行时间同步。代替地，使用无线个人电子设备66来无线接入短距离ad hoc网络。所示无线个人电子设备66是由医生或其他医务人员携带的个人数字助理(PDA)。然而，该无线个人电子设备可以是蜂窝电话、寻呼机等等。

参照图4，所示PDA 66包括典型地用于无线电子设备的部件，例如电源44″、数字处理器50″和存储器52″。该存储器52″具有分配用于存储配置成执行典型的PDA任务(例如维护计划日历、维护地址簿、发送和接收电子邮件等)的PDA软件54″的部分，并且具有分配用于存储与这些PDA任务相关的PDA数据的部分56″。该PDA 66还包括内部时钟60″，和该PDA设备特定的其他部件，例如显示器68″和键盘69″。另外，该PDA 66可选地包括应用与无线通信接口46、46′兼容的蓝牙、ZigBee或其他短距离无线技术的无线通信接口46″。可选地，该PDA 66还包括应用IEEE 802.11协议或其它与无线接入点34和/或时间控制设备28的WLAN接口64′兼容的WLAN协议的WLAN接口64″。

该无线接口46、46′、46″应用了低功率、短距离无线技术和例如由IEEE 802.15.1标准(有时也称为蓝牙)、IEEE 802.15.3标准、IEEE 802.15.4标准(有时也称为ZigBee)等规定的相关通信协议。该短距离无线技术具有典型地小于10米的最大工作距离，因此，该无线短距离ad hoc网络的无线医疗设备应当互相接近，例如在相同的病房或连接到相同的患者。该无线接口46由该无线短距离ad hoc网络20的无线医疗设备22、24、26使用以便相互通信。

可选的无线接口64′、64″应用了长距离无线技术和例如由IEEE802.11a、b或g标准(也称为WLAN)等规定的相关通信协议。这些长距离无线技术典型地具有几十或几百米的最大工作距离，因此确保了更高的覆盖范围并且可以跨越更高的距离，从而例如对于患者生命征象的无线监视可以在护士房间进行。这里使用WLAN作为用于访问LAN 32的示例无线技术，然而也可以使用其他无线技术。取决于所选择的实施例，这种WLAN接口可以用于连接到服务器、数据库、计算机、医学移动设备(例如临床医生的个人电子设备)：直接以ad hoc方式或者间接通过一个WLAN接入点或间接通过LAN。在所示实施例中，该时间控制节点28包括WLAN接口64′。假定该短距离无线通信接口46、46′、46″的蓝牙、ZigBee或其他短距离无线协议与该接口64′、64″和医疗LAN 32无线接入点34所使用的长距离无线协议不兼容，因此，该无线通信接口46、46′、46″不能与LAN 32通信。

虽然所示包括WLAN基础部件的实施例是典型的，但是在其他一些实施例中，仅有短距离蓝牙、ZigBee或其他短距离协议是可用的，并且该医疗网络可以是完全有线的网络。

临床医生的个人电子设备66以及无线时间控制节点28通常使得设备配置和医疗数据(例如患者记录)的批量传输(bulk transfer)能够构建和分解该无线短距离ad hoc网络。为了这些目的，设备28、66必须提供通信接口，无线接口46、64中的任一个或额外的接口，无线(例如NFC、IR)或有线(例如以太网、USB、FireWire)。该批量数据下载可以有利地与初始时钟同步操作相结合。

虽然该可选的时间控制设备28是该无线短距离ad hoc网络20的一部分，但是PDA 66一般不包括在网络20中。然而，该PDA 66的短距离无线通信接口46″可以用于与短距离ad hoc网络20的无线医疗设备22、24、26临时无线连接，并且医务人员可以使用该临时连接的PDA 66来读取存储的传感器数据，通过增加或去除无线医疗设备而重新配置该无线短距离ad hoc网络20，控制/改变无线医疗设备的设置等等。类似地，该PDA的无线接口64″可以用于与该短距离ad hoc网络20的时间控制节点28临时无线连接。参照图1，2和3，时间服务器70提供了“通用”官方日期和时间以同步该医疗通信基础设施。该无线短距离ad hoc网络20的无线医疗设备22、24、26的内部时钟60应当与时间服务器70同步。然而，该无线医疗设备22、24、26不包括需要通过LAN 32访问该时间服务器70的通信性能。

为了解决这个问题，设备22、24、26的内部时钟60通过无线短距离接口46、46′、46″与该时间控制设备28的内部时钟60′或者PDA 66的内部时钟60″同步。相应地，该时间控制设备28的内部时钟60′与该时间服务器70或者PDA 66的内部时钟60″同步，并且相应地，该PDA66的内部时钟60″与该时间服务器70同步。各种这些同步选项都是可用的，并且根据时间控制节点28在该无线ad hoc网络中的存在、该时间控制节点28、66的无线性能和从该无线ad hoc网络在线访问时间服务器的可能性而选择最佳的一个。

为了执行该同步，该时间源设备28、66包括时间控制软件74′、74″，其控制与该时间服务器70的同步并将时间信息发送到设备22、24、26的操作。类似地，该设备22、24、26(以及可选的无线监视器36，如果它包括在该网络中并且具有内部时钟的话)每个包括时间更新软件76，其接收更新的时间信息并更新时钟60，并且还可以在例如功率耗尽后触发时间更新。

在一些实施例中，该无线短距离ad hoc网络20是完全自主的，即在其建立和工作期间，该无线短距离ad hoc网络20不需要依赖于与医疗基础设施网络(即LAN 32)的连接。时间控制设备28不必须存在于该无线短距离ad hoc网络20中。PDA 66在网络建立期间暂时存在于该无线短距离ad hoc网络20中，然后被去除，除了偶然连接以读取传感器数据之外，来重新配置该网络20等，该PDA 66在最初和随后每次连接到该无线短距离ad hoc网络20时，将时间信息分配到该无线短距离ad hoc网络20的其他设备22、24、26。

在其他实施例中，除了在其建立期间之外，该无线短距离ad hoc网络20都是完全自主的，并且该无线短距离ad hoc网络20不与医疗基础设施网络(即LAN 32)连接。一旦该时间控制设备28的时钟64′配置用于在无线短距离ad hoc网络20中操作并且最初与时间服务器70同步，它就将该时间信息分配到该无线短距离ad hoc网络20的其他设备22、24、26用于该无线短距离ad hoc网络20的工作时间，而不需要重新连接到基础设施网络32和时间服务器70。

当与医疗网络32连接时，PDA 66的时钟60″适当地与时间服务器70同步。该连接可以是无线连接，例如通过WLAN接口64″与无线接入点34相连接。附加地或可选地，PDA 66或患者佩带的时间控制设备28与医疗网络32的有线连接可以直接地建立或通过与网络32连接的其他设备而建立。例如，参照图1，与该医疗网络32有线连接的计算机80包括PDA对接端口(docking port)82，其中可以插入PDA 66以建立数据传输连接，从而在PDA 66和计算机80之间传输数据。(在图1中也示出了该对接状态中的PDA 66，标为PDA 66D)。当对接时，时间控制软件74″可以使用该通过计算机80实现的与医疗网络32的有线连接来同步该PDA时钟60″与时间服务器70。代替使用通过对接端口82的有线数据传输连接，在一些实施例中，PDA 66通过短距离蓝牙或ZigBee连接等与计算机80无线“对接”，并且当PDA 66无线对接时可以进行时钟同步。

在另一些实施例中，可以在时间同步过程中使用多于一个的包括时间控制软件74′、74″的设备。例如，考虑该包括时间控制节点28的无线短距离网络20。如果该无线短距离ad hoc网络20超出了任何无线接入点34的范围(在一个延长的时间周期内或永久地)，或者不希望持续使用其时间控制节点28的WLAN接口64′(例如为了节能或者性能的原因)，通过中间时间控制设备例如PDA 66来执行同步是很有用的。医生的PDA 66通常连接到该医疗基础设施网络以便以无线或者有线方式(例如通过PDA对接端口82)传输医疗数据(例如患者记录)，同时其时钟可以与时间服务器70同步。而且，当医生在医院里行走时，所携带的PDA 66典型地经过多个接入点，从而能够很容易地与时间服务器70进行时间同步。然后，当医生看望患者10时，时间控制节点28通过无线通信接口46′、46″与PDA 66连接，并且使其内部时钟60′与PDA 66的时钟60″同步。然后，如前所述，节点22、24、26与时间控制节点28的时钟60′同步。可选地，时间控制节点66可以有效触发时间控制节点28的时间同步。

在一些实施例中，该无线短距离ad hoc网络20是完全自主的，即在其工作和建立期间，该无线短距离ad hoc网络20不需要依赖于与医疗基础设施网络(即LAN 32)的连接。在这些实施例中，临时时间控制设备(例如PDA 66)在网络建立阶段存在于该无线短距离ad hoc网络20中并且有时在其后持续短暂周期，例如当医务人员通过PDA 66读取传感器数据时。当连接到该短距离无线网络时，PDA 66为该无线短距离网络20的时间控制设备28提供时间信息。该时间控制设备28在最初(当该ad hoc短距离网络20建立时)以及规则地(当它的时钟60′重新同步时)将该时间信息分配到该无线短距离网络20的其他设备22、24、26用于该无线短距离ad hoc网络20的工作时间，而不需要连接到该基础网络32和时间服务器70。在其他不包括时间控制设备28作为网络节点的完全自主的网络中，PDA 66直接访问设备22、24、26并执行时钟同步。

该时钟同步可以是无条件的，即每个与具有时间服务器70的LAN32或与时间控制设备(例如PDA 66)的连接都触发时间控制设备28、66上的定时时钟同步。而且，时钟同步可以受到分级规则的限制，例如时间控制设备28可以从PDA 66同步而不能以其他方式。此外，时钟同步可以受到其他某些条件的限制，例如从时间控制设备28的时钟60′上次同步开始消逝的时间，或者从PDA 66的时钟60″与时间服务器70上次直接同步开始消逝的时间。

时间控制软件74′安装在时间控制设备28上，相似地，时间控制软件74″安装在PDA 66上。以该传感器节点22和时间控制设备28为例，处理器50′执行该时间控制软件74′以使得该时间控制设备28的短距离无线通信接口46′与传感器节点22的无线通信接口46连接(如果尚未连接的话)，并且使传感器节点22的时钟60与时间控制节点28的时钟60′同步。后一个过程对于每个无线医疗设备22、24、26重复执行以同步它们的内部时钟。该相同过程还用于通过短距离接口46、46″使得短距离ad hoc网络20中的无线节点22、24、26与PDA 66同步。该时间同步消息还通过广播发送，从而同时更新该无线短距离ad hoc网络中所有设备的时钟。

在上述实施例中，由时间控制节点28启动该时间同步过程，例如在加入到该无线短距离ad hoc网络中和/或每次28重新同步其时钟60′之后。该时间同步过程还可以由无线医疗设备22、24、26触发，例如每次它们失去同步时。然后该过程变为如下：时间更新软件76安装在每个无线医疗设备22、24、26上，这些设备不包括WLAN接口。以该传感器节点22为例，处理器50执行该时间更新软件76以使得该传感器节点22的无线通信接口46与时间控制节点28的无线通信接口46′连接，并且使传感器节点22的时钟60与时间控制节点28的时钟60′同步。

在一些实施例中，当时间控制节点28出于其他目的已经通过WLAN接口64′建立与PDA 66或LAN 32的无线连接时执行该时间控制节点28的时钟60′的同步，例如为了将记录的传感器数据分别传输到PDA 66用于诊断或者传输到患者记录储存库30。一旦为了数据传输的目的而建立了该WLAN连接，处理器50′就执行该时间控制软件74′以更新内部时钟60′。在其他实施例中，该时间控制节点28周期性无线连接该无线接入点34并且执行该时间同步。

参照图1、2和4，在该无线短距离ad hoc网络的任一无线医疗设备都不包括WLAN接口的实施例中(这种实施例例如是所示省去时间控制节点28的无线短距离ad hoc网络)，由为了其他目的而与该网络20临时连接的个人无线电子设备(例如所示的PDA 66)执行该时间控制功能。该PDA 66包括存储在存储器52″中的时间控制软件74″。处理器50″执行该时间控制软件74″以使得该PDA 66的WLAN接口64″与LAN 32无线连接，并且使该内部时钟60″与时间服务器70同步。然后，该时间控制软件74″使得该PDA 66的无线通信接口46″与传感器节点22的无线通信接口46连接，并且使该传感器节点22的时钟60与PDA 66的时钟60″同步。相应地，与不包括WLAN接口的每个无线医疗设备22、24、26建立连接以使得该无线短距离ad hoc网络20的内部时钟与时间服务器70同步。类似地，该无线传感器节点22、24、26的时间更新软件76可以例如周期性地或在选定的时间触发时钟60同步，例如当该节点首次被集成到该无线短距离ad hoc网络20中时或者在暂时损耗电功率时。该同步过程一般是足够快的，以便对于该个人无线电子设备66的用户是透明的。

在一些实施例中，为了与安全性有关的目的而使用时间同步，例如为了记录访问控制事件、提供基于时间的消息验证等等。因此，在这些实施例中，用于该时间同步过程的该WLAN连接和短距离无线连接应当是可靠的连接。在一些实施例中，通过在该源设备上构造同步消息而执行该同步，其至少包含：(i)来自最近与时间服务器70同步的内部时钟的时间日期戳；和(ii)为了保护该时间日期戳的完整性，一个不基于时间的消息验证码，例如基于当前号码或连续号码的验证码。可选地，如果源和接收器具有任何用于预先宽松和安全地同步其时钟的装置，那么它们就可以使用基于时间的验证。在其他实施例中，该同步消息包含加密形式的时间日期戳，并且在目的地解密该加密的同步消息。

上面已经参照优选实施例对本发明进行了说明。显而易见地，在阅读和理解前述详细说明的基础上，其他人将会作出修改和改变。本发明希望被解释为包含所有这些修改和改变以使它们落在所附权利要求或其等效物的范围内。