一種居家隔離健康監測系統的研究

袁 標，陳天星，楊玉潔，魯瑋平

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都610000）

傳染性疾病自古以來都是人們談之色變的一個話題。人類在與傳染病斗爭的過程中，漸漸摸索到了扼制傳染病傳播的方法[1]。當傳染性病毒爆發時，只有實施科學的防控隔離措施才能起到事半功倍的作用。對不同風險地區的人員應實施不同的隔離措施，對中低風險地區的非密切接觸者人群而言，實行統一的集中隔離會造成一定的醫療資源浪費。此時，居家隔離也就成為了解決這種矛盾的有效措施。

因此，本文設計出一套智能化、高效化的居家隔離健康監測系統。同時，設計了與之匹配的下位機-手環，可以實現體溫、血氧濃度、心率、跌倒檢測和室內實時定位功能，推進了居家隔離監管方式的智能化。

1 居家隔離的現狀

居家隔離是國家疫情防控體系中不可缺失的一環，國務院最新《新型冠狀病毒肺炎防控方案（第八版）》將居家隔離對象劃分為了四類：（1）密切接觸者和密切接觸者中的特殊人群[2]；（2）實施“7+7”的入境人員；（3）出院后的患者和解除隔離后的無癥狀感染者；（4）其他經專業人員評估無法進行集中隔離醫學觀察的人員。其中實施“7+7”的入境人員，結束集中隔離醫學觀察后繼續7天居家醫學觀察，其他人員均采取14天居家醫學觀察[2]。居家隔離者被要求每天早晚主動測量體溫并將結果匯報給監測管理人員，若出現發熱、干咳、乏力、腹瀉等癥狀時，應及時報備疾控中心，并送往相應定點醫院診治觀察。

目前，居家隔離監管方式大多為社區工作人員與小區安保人員通過監控實行聯防聯控，存在中風險地區人員返回低風險地區，因疾控中心與地方社區溝通不及時，導致極個別本應實施居家隔離的人員未能被納入管理的情況。境外歸國人員因已實施過集中隔離，到家后放松警惕，不進行居家隔離，私自出門等現象[3]。居家隔離需涉及疾控中心、醫務人員、社區管理人員、小區物管與居家隔離者等多方人員協同工作，但是各方人員之間卻又存在信息交互滯后的問題。其監測也未采取智能化的方式，只有極少數小區在隔離點安裝攝像頭進行人臉識別監測，沒有對居家隔離人員健康狀況進行監測。醫護人員采取定時上門或者通過撥打電話對隔離人員進行監管與健康狀態調查。當隔離者未測量體溫或故意瞞報時，會導致醫務人員不能及時獲得其健康狀況，造成嚴重的后果。

2 居家隔離健康監測系統的設計

2.1 居家隔離健康監測系統的組成

通過對以往各類流行性傳染病的研究，如非典、甲型H1N1、H7N9流感、新型冠狀病毒等，發現大部分流行性傳染病在發病初期都有相似的臨床表現癥狀[4]。其前期征兆主要表現為發熱，咳嗽，血氧濃度降低，嚴重者甚至出現昏厥的現象[5]。為此，本文設計的居家隔離系統針對傳染病前期表現癥狀，配置了體溫模塊、心率/血氧濃度模塊、跌倒檢測模塊。同時，為了檢測隔離人員的位置，設置了WIFI室內定位模塊[6]。居家隔離健康監測系統的系統架構如圖1所示。

圖1 居家隔離健康監測系統架構圖

居家隔離健康監測系統由用戶端、管理端、家庭端和服務器組成，并通過Internet網絡緊密相連[7]。

用戶端的手環硬件組成如圖2所示，其手環硬件PCB原理圖如圖3所示。手環選用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103C8T6微控制器，包含了體溫模塊、心率/血氧濃度模塊、跌倒檢測模塊、WIFI室內定位模塊和電源模塊[8]。通過家庭WIFI網絡，可以實現居家隔離人員健康信息的采集以及上傳。

圖2 手環硬件圖

圖3 手環硬件PCB原理圖

管理端人員由疾控中心、醫護人員、社區管理人員以及小區物管構成。并且管理人員有著不同的任務分工，各司其職，其角色具體任務如下所示：

（1）疾控中心為最高權限管理者，在Web端負責監測所有居家隔離人員健康數據并統籌調配其他管理人員。當監測到異常數據時，首先進入平臺的人員管理模塊，調取隔離者信息后撥打電話核實異常情況，同時下發命令給社區及物業管理人員，使其到居家隔離點核實。然后疾控中心根據物管上報的信息決定是否通知醫務人員上門檢測。若醫務人員檢測后確認隔離者健康異常，疾控中心再調配相關醫療資源，送居家隔離者至定點醫院接受治療。

（2）醫務人員在Web端接收平臺傳輸的健康數據，給予醫療建議，上報給疾控中心。并等待執行疾控中心后續指令。

（3）社區管理人員與小區物管是連接疾控中心與隔離者重要的一環，他肩負起了核實手環示警的可靠度這一重要任務。工作人員在手機端APP上既能查看所屬管轄地區隔離者的住址和健康信息，又可接收疾控中心的任務安排。

家庭端由居家隔離者和隔離者家庭成員構成，隔離者通過居家隔離系統的APP端只能查詢自己的健康參數以及醫療建議。其家庭成員也可通過相應賬號查詢到隔離人員狀況。

服務器包括了Web云端數據處理平臺、應用服務器以及數據庫。手環上采集到的信息通過WIFI網絡上傳到Internet，數據經過云端處理中心處理并儲存到數據庫[9]。既為醫務人員對隔離者的健康狀況分析提供了數據支撐，又可將其作為隔離期滿后解除隔離的依據。

2.2 居家隔離健康監測系統的功能與原理

居家隔離健康監測系統通過手環實時采集生理參數的方式對隔離人員進行24小時全天候管理，解決了傳統人工監管模式成本高，不能實時監管的問題，降低了感染風險。加強了各方管理人員之間的信息流動，形成了一個隔離人員管理流程的閉環。其主要功能由隔離人員信息管理、各模塊聯合報警功能、人員調度、健康數據與個人信息的查看、健康數據分析五部分組成，系統整體工作流程如圖4所示。

圖4 居家隔離健康監測系統工作流程圖

2.2.1 隔離人員信息管理

疾控中心在人員管理模塊對居家隔離人員進行個人信息以及隔離點的詳細登記，確保每個居家隔離者都被納入管理。后續手環采集的生理參數和異常次數都將展示到個人信息頁面。管理人員可通過此模塊查看各隔離者的信息以及健康狀態。

2.2.2 各模塊聯合報警功能

手環可以實現定位、體溫檢測、跌倒檢測、心率/血氧檢測功能，各模塊聯合報警工作流程如圖5所示。

圖5 各模塊聯合報警工作流程圖

（1）定位功能

系統使用ESP8266WIFI模塊接入網絡，手環采集的數據通過串口發送至ESP8266模塊，再經過Internet網絡轉發至云平臺服務器。系統根據能否接收到手環傳送的數據來判斷隔離者是否居家隔離，實現定位功能。為防止隔離者使用手機熱點代替WIFI連接，導致定位功能失效，隔離者使用的系統APP界面無聯網功能。手環首次使用時，聯網只能通過管理人員APP端進行。

（2）體溫檢測功能

體溫是反映人體健康狀況的重要指標，本系統使用DS18B20接觸式溫度傳感器，參考人體正常溫度范圍，系統將溫度報警閾值下限設置為36度，上限為37.2度。當體溫在正常范圍內時，手環每隔5分鐘向平臺發送1次數據。若超出范圍，立刻聯合心率/血氧模塊判斷是否需要警示疾控中心管理者，同時將發送數據頻率改為每分鐘發送1次。

（3）跌倒檢測功能

若居家隔離者在隔離期間突然暈倒、休克，為爭取更多搶救時間，手環使用三軸加速度傳感器ADXL345實現跌倒狀態檢測功能。當檢測到居家隔離者跌倒后，立刻聯合心率/血氧模塊判斷隔離者是否暈厥。

（4）心率/血氧檢測功能

光電傳感器MAX30102通過紅外LED燈的照射，得到心率的ADC值，可經過算法轉換得出心率。又因為攜帶氧氣的紅血球能夠吸收較多的紅外光，利用不同紅血球吸收光譜不同的原理可分析得出人體的血氧濃度[10]。為增大報警的準確性，當其心率、血氧未在設置的閾值內時，需要聯合體溫模塊共同判斷。

2.2.3 人員調度

疾控中心作為居家隔離系統的最高權限者，負責隔離人員的整體監測以及其他工作人員任務的分配。疾控中心通知隔離者所屬社區以及小區物管協助落實居家隔離。當隔離人員出現異常時，疾控中心首先查看異常人員的信息，撥打電話詢問異常原因，然后再通過工作人員調度模塊，安排物管或醫務人員至隔離點檢測。根據檢測人員傳回平臺的信息，進行后續工作的分配。

2.2.4 健康數據與個人信息的查看

因居家隔離者的信息與健康數據屬于個人隱私，需要嚴格控制查看權限。不同的角色對應了不同的查看權限。疾控中心可查看所有隔離人員的健康數據與個人信息。醫務人員可獲取個人健康相關的數據。社區管理人員以及小區物管只能獲取所管轄地區的隔離人員健康數據以及其他非敏感的個人信息（如姓名、隔離點位置、聯系電話等）。居家隔離者及其親屬，通過居家隔離健康監測系統APP端可查詢到屬于自己的各項數據以及醫療建議。

2.2.5 健康數據分析

手環采集到的各種健康數據，傳輸到Web云端數據處理平臺并保存至數據庫中，同時，醫務人員可根據隔離者的歷史數據，進行大數據分析，既可判斷隔離者的健康狀態，給予相應的醫療建議，又可將其作為隔離期滿后解除隔離的依據。

3 系統的實現及驗證

基于本文設計的居家隔離健康監測系統在實驗室條件下進行簡單的測試，上位機Web端能夠接收到下位機通過WIFI發送過來的數據，并且顯示在Web端的界面上，實現了對居家隔離人員的智能化管理[11]，測試結果如圖6所示。在兩天內對單個下位機手環進行不間斷的測試，結果表明該手環能夠連續的采集居家隔離人員的身體健康參數并且各模塊采集的數據誤差均在可接受范圍內。各模塊與各專業工具采集的數據對比結果如表1所示。

圖6 居家隔離健康監測系統Web界面圖

表1 部分模塊測試結果

4 結束語

新冠肺炎疫情自2019年末爆發以來，中國政府采取強有力的應對措施。經過全國人民的不懈努力，國內疫情得到了良好的控制[12]。由此，居家隔離的重點也應由國內轉向境外歸國人員。加強完善居家隔離措施是疫情防控體系中尤為重要的一環。本文提出的居家隔離健康監測系統為疫情防控提供了良好的技術手段，便于疾控中心對隔離人員實行高效的管理。