可穿戴家居醫(yī)療系統(tǒng)研究

林國(guó)漢+楊林城+溫曉烽+林建庭+楊志恒

摘 要：家居醫(yī)療系統(tǒng)由體征檢測(cè)子系統(tǒng)、智能預(yù)警子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)、家電控制子系統(tǒng)等部分構(gòu)成。本系統(tǒng)工作時(shí)，由體征檢測(cè)子系統(tǒng)采集各類體征數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)軟計(jì)算，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)正常，則通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)將結(jié)果顯示給佩戴者、家人和醫(yī)生，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看，并將數(shù)據(jù)上傳到云端進(jìn)行存儲(chǔ)；若檢測(cè)到數(shù)據(jù)異常，啟動(dòng)智能預(yù)警子系統(tǒng)向家人和醫(yī)生發(fā)送預(yù)警信息，同時(shí)也上傳帶"危險(xiǎn)"標(biāo)志的體征數(shù)據(jù)到云端。同時(shí)家居控制子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)佩戴者體征數(shù)據(jù)的綜合分析，進(jìn)而控制家電，給佩戴者提供更適宜的環(huán)境。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療系統(tǒng)、智能家居、老年人養(yǎng)護(hù)、隨身醫(yī)療、可穿戴

一、引論

老年人因?yàn)樯眢w機(jī)能的衰弱，大多存在有疾病的隱患，需要定期到醫(yī)院進(jìn)行身體檢查或長(zhǎng)期住院診療，這期間加大了醫(yī)院的壓力，也造成了醫(yī)療資源的緊張。然而目前市場(chǎng)上還沒(méi)出現(xiàn)一款能很好解決以上現(xiàn)象的醫(yī)療設(shè)備，普遍的醫(yī)療設(shè)備存在著體積大、使用復(fù)雜、不能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互等缺點(diǎn)。如何妥善處理老年人的養(yǎng)老護(hù)理，提供及時(shí)的醫(yī)療保障，是我們?cè)谛聲r(shí)期亟待解決的問(wèn)題。

二、正論

目前市場(chǎng)上出現(xiàn)的可穿戴醫(yī)療設(shè)備主要包括具有醫(yī)療監(jiān)護(hù)價(jià)值和物理治療型的智能設(shè)備，如頭盔式交變電場(chǎng)腦瘤治療儀、BodyTel家庭診斷系統(tǒng)等。市場(chǎng)上現(xiàn)有的健康監(jiān)護(hù)設(shè)備大多是體積大、攜帶不方便，并且要求病人在特定地點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)老年人來(lái)說(shuō)，使用極不方便；市面的可穿戴醫(yī)療設(shè)備所測(cè)量的數(shù)據(jù)大多僅僅做簡(jiǎn)單的采集處理，沒(méi)有進(jìn)行綜合的分析和整合，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)分析的可靠性都比較低；所檢測(cè)數(shù)據(jù)僅僅停留在移動(dòng)端顯示，沒(méi)有用于醫(yī)療分析，收集的數(shù)據(jù)成了擺設(shè)，缺乏遠(yuǎn)程監(jiān)控能力；當(dāng)出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)，沒(méi)有相應(yīng)的突發(fā)響應(yīng)機(jī)制，出現(xiàn)危險(xiǎn)情況而不能及時(shí)得到處理，缺少必要的智能預(yù)警措施，這些都大大地制約著可穿戴智能醫(yī)療設(shè)備的推廣和使用。老人容易跌倒，且跌倒后如果不能及時(shí)給予處理，后果極其嚴(yán)重，在這種背景下，跌倒檢測(cè)極為必要，也是本手環(huán)的一個(gè)亮點(diǎn)。

因此，研制出一款專門針對(duì)老年人和慢性病患者使用的具有體積小、隨身攜帶、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能預(yù)警、智能控制家電功能的家居醫(yī)療系統(tǒng)是本項(xiàng)目的主要目標(biāo)。

1.研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線

本可穿戴家居醫(yī)療系統(tǒng)由體征檢測(cè)子系統(tǒng)（即手環(huán)）、智能預(yù)警子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)及家居控制子系統(tǒng)等部分構(gòu)成。其中，手環(huán)由CPU、溫度傳感器、心率傳感器、加速度/陀螺儀傳感器、OLED顯示模塊、電源管理模塊等組成；智能預(yù)警子系統(tǒng)由手機(jī)自動(dòng)撥打電話、家居設(shè)備預(yù)警等組成；遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)由手機(jī)APP、網(wǎng)頁(yè)等組成。

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)工作時(shí)，由手環(huán)采集各類體征數(shù)據(jù)（體表溫度、心率、加速度/陀螺儀等數(shù)據(jù)），并進(jìn)行軟計(jì)算，當(dāng)手環(huán)所檢測(cè)數(shù)據(jù)處于正常狀態(tài)，則通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)將結(jié)果顯示給佩戴者及其家人，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看，并將各類體征數(shù)據(jù)上傳到云端進(jìn)行存儲(chǔ)；若檢測(cè)數(shù)據(jù)處于異常狀態(tài)，則啟動(dòng)預(yù)警功能，向佩戴者及其家人發(fā)出預(yù)警信息，同時(shí)也上傳帶“危險(xiǎn)”標(biāo)志的體征數(shù)據(jù)到云端，最終與佩戴者平常的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)并進(jìn)行云計(jì)算，先判斷是否為誤操作，若為誤操作，則將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到云端。若判斷為異常數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)，及時(shí)通知家人及醫(yī)生。

1.1體征檢測(cè)子系統(tǒng)

測(cè)量心率數(shù)據(jù)時(shí)，心率傳感器通過(guò)手環(huán)中CPU自帶的輸入捕獲通道，先由硬件濾波對(duì)一次脈沖波形進(jìn)行濾波，再捕獲脈沖周期，然后通過(guò)數(shù)字濾波算法對(duì)采集的N次脈沖周期進(jìn)行濾波，最后將處理后的脈沖周期進(jìn)行計(jì)算得出每分鐘的心率。

手環(huán)擁有兩個(gè)溫度傳感器，其中一個(gè)用于采集環(huán)境溫度，另一個(gè)用于采集體表溫度。測(cè)量體表溫度時(shí)，通過(guò)手環(huán)底部的溫度傳感器采集人體體表溫度，此時(shí)的體表溫度是受環(huán)境因素影響而采集到的數(shù)據(jù)，同時(shí)也通過(guò)手環(huán)頂部的溫度傳感器采集環(huán)境溫度，然后由Matlab將采集到的體表溫度與環(huán)境溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲得相應(yīng)的修正補(bǔ)償算法，該修正補(bǔ)償算法通過(guò)手環(huán)的中央處理器，對(duì)受環(huán)境因素影響的體表溫度進(jìn)行修正補(bǔ)償，使之更接近體表溫度的真實(shí)溫度值.

加速度/陀螺儀傳感器檢測(cè)老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)加速度/陀螺儀傳感器測(cè)量xyz軸的加速度與角速度，通過(guò)相關(guān)算法進(jìn)行處理，從而判斷此時(shí)老人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即步數(shù)、睡眠時(shí)間，跌倒?fàn)顟B(tài)。

在步數(shù)算法中，傳統(tǒng)的處理算法是利用XYZ軸的加速度，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理而得到步數(shù)。但此算法存在不足，如在吃飯或者抖腿時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行計(jì)步的誤操作。而本項(xiàng)目克服傳統(tǒng)算法的不足，采用加速度+角速度并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，提高了計(jì)步的精準(zhǔn)，得到更為準(zhǔn)確的步數(shù)。

在跌倒檢測(cè)中，采用了以硬件為主，軟件為副的檢測(cè)方式，利用MPU6050硬件自帶的失重、撞擊、靜止相關(guān)中斷來(lái)判斷是否發(fā)生了跌倒現(xiàn)象。優(yōu)勢(shì)在于實(shí)時(shí)性強(qiáng)，減少CPU負(fù)荷。

1.2智能預(yù)警子系統(tǒng)

手環(huán)采集到各類體征數(shù)據(jù)（體表溫度、心率、加速度/陀螺儀等數(shù)據(jù)），并進(jìn)行處理。當(dāng)手環(huán)檢測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)，將異常數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)APP，再由手機(jī)APP發(fā)送給云端，并通過(guò)智能預(yù)警子系統(tǒng)的手機(jī)自動(dòng)撥打電話或以家居設(shè)備預(yù)警的形式，通知手環(huán)佩戴者的家人。

1.1.3遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)

由手環(huán)檢測(cè)到佩戴者的體征數(shù)據(jù)正常時(shí)，則通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)將各類體征數(shù)據(jù)（體表溫度、心率、加速度/陀螺儀等數(shù)據(jù)）顯示給佩戴者、家屬及醫(yī)生，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查看，并將各類體征數(shù)據(jù)上傳到云端進(jìn)行存儲(chǔ)。

1.1.4家居控制子系統(tǒng)

家居醫(yī)療手環(huán)的家居控制功能，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的家居智能化。當(dāng)佩戴者體溫出現(xiàn)異常時(shí)，手環(huán)判斷佩戴者此刻是否處于適宜的環(huán)境，若否，對(duì)空調(diào)等進(jìn)行控制，無(wú)需人工手動(dòng)控制，來(lái)使環(huán)境達(dá)到最佳效果，使佩戴者處于最適宜的休養(yǎng)環(huán)境中，減緩佩戴者身體上的不適，達(dá)到輔助醫(yī)療的效果。

三、結(jié)論

本項(xiàng)目是為老年人以及慢性病患者服務(wù)的方便實(shí)用的醫(yī)療手環(huán)設(shè)備。它具有體積小，不限制佩戴者自由，可隨身攜帶的特點(diǎn)，匹配有多傳感器檢測(cè)人體體征數(shù)據(jù)，能檢測(cè)老人是否跌倒。將多傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，再將數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)上傳到APP及網(wǎng)頁(yè)。當(dāng)手環(huán)所檢測(cè)數(shù)據(jù)處于正常狀態(tài)時(shí)，手環(huán)將結(jié)果傳送給用戶手機(jī)APP及醫(yī)生端的網(wǎng)頁(yè)，供用戶和醫(yī)生隨時(shí)查看。若檢測(cè)數(shù)據(jù)處于異常狀態(tài)，該設(shè)備將通過(guò)多種方式向佩戴者及家人發(fā)出預(yù)警信息（如老人跌倒后，及時(shí)通知家人），以便及時(shí)做出相應(yīng)處理，降低風(fēng)險(xiǎn)。

作者簡(jiǎn)介：

林國(guó)漢、楊林城、溫曉烽 廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院 電子信息工專業(yè)本科在讀；林建庭、楊志恒 廣州大學(xué)華軟軟件學(xué)院 軟件工程專業(yè)本科在讀。