關于醫院和養老院的智能醫療手表的設計與研究

高晶晶 王子涵 張天然 張蓓蓓 姜雪 陳瓊子

摘要：根據市場調研機構IDC最新發布的《全球健康醫療行業2021年預測—中國啟示》這一報告顯示：預計2021年全球第一季度的可穿戴醫療設備發貨量將不斷增長。此外，伴隨著社會人口的老齡化，老年住院患者的數量也將大幅增加。因此，老年人的身體健康問題顯得愈發重要，急需更完善的保障。而與現狀形成矛盾的是，目前市場已存在的智能醫療手表均存在無法實時監測、功能單一、數據精確度較低和數據無法實時共享等功能短板。本文從老年人和住院患者的角度出發，旨在設計一款用于醫院和養老院的智能醫療監測手表，不斷改善老人、各大醫院就診患者、住院患者的就醫住院體驗，且融合UWB技術實現室內精準定位，以方便醫院、養老院對患者或老人的身體狀況實時監測。

關鍵詞：住院患者;老年人;實時監測

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）06-0085-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

目前，市場上已存在類似的智能監測設備，但功能都有所欠缺，例如監測數據無法達到醫療級標準，與醫療系統脫離;或配備眾多輔助設備，未考慮到病患群體、老年人群體不善于操作復雜設備的缺點等。

為使功能更加完備、數據監測更加精準，本文將生命體征的眾多監測指標（心率、心電、血氧、體溫、血壓）集成于一塊智能醫療手表中，內部設置多種傳感器和主控芯片STM32精準獲取各項指標的醫療級動態數據，通過這些數據可以進行綜合分析，從而真正實現實時監測數據。

佩戴者的生命體征等數據會被傳送至醫療監測平臺，方便醫生實時或定期了解數據并進行診斷治療。此外，為防止老人摔倒等突發狀況發生，本團隊在手表內部增加了三軸加速度傳感器與UWB定位技術，若老人摔倒將立刻獲得具體摔倒位置，將信息傳送給監控人員并及時報警。

1 設計方案

設計目標從以下三個方面考慮：

1） 設備的特色功能。設備的特色功能是在手表硬件基礎上的軟件延伸，手表主要是為醫院和養老院提供管理便捷，和市場一眾的智能手表最根本區別是可以接入醫院和養老院系統內部，而不是只針對佩戴者推出的終端設備。此外，本手表兼具心率、心電、血氧、體溫和血壓這五種生命體征的實時監測功能，另外通過加速度傳感器實現摔倒監測功能，利用UWB技術實現室內精準定位和數據的快速傳輸。

2） 設備易用性。復雜的操作會降低使用效率，對于醫院和養老院來說，使用本設備其中一個主要原因就是提高管理效率;對于老人來說，簡單的操作更是必要的需求。為此，提供可觸摸屏幕和一個實體按鍵，佩戴者通過屏幕即可以完成所有信息查看，實體按鍵專為緊急報警設計，以保證在緊急情況下佩戴者方便操作。為降低充電頻率，內部主板層疊設計為電池留出更大空間，同時使用OLED屏幕保證節電。

3） 工業設計。對于一個產品來說外觀設計是取得市場地位的主要力量之一，產品的造型除了能給人美的感受以外還能夠體現產品的功能特點。此外，考慮到本產品的佩戴群體的特殊性，患者和老年人更加需要保持良好的心情，外觀設計則更要充分考慮美學藝術。

首先是表盤，為方便佩戴者觀看，選擇直徑顯示面積更大的方形表盤，可以一定程度減少通過復雜操作才能獲取信息的步驟。產品其他形態設計以簡潔為主，手表邊框與表盤和底部做弧形過渡設計以保證設計一體性。腕帶設計為可拆卸式，借鑒市面上運動手環腕帶設計再結合此產品整體設計理念，腕帶邊緣為圓弧過渡，減少了佩戴時的鋒利感。為方便佩戴和減輕手表重量，腕帶固定方式為按扣式。

材料的選擇不僅會影響產品外觀的細節和質感更直接決定佩戴舒適度，對長時間使用本產品的老人和病人來說材料選擇尤其重要。7系鋁合金是一種高強度可塑性高的材料，設備表殼使用7系鋁合金既減輕了重量又保證了表體的硬度，同時相對其替代品不銹鋼加工難度和物料成本都更低，在外觀處理上做電鍍氧化使產品外觀更美觀。表帶材料使用氟橡膠，由氟橡膠材質制成的表帶，觸感順滑細膩、質地柔軟，更適合人體皮膚。面板采用的材質是藍寶石玻璃，藍寶石玻璃由人工合成，其主要成分是三氧化二鋁，具有較高的抗磨損性能，因為此設備會長時間循環使用，佩戴情況復雜，更耐磨的材質可以延長手表使用壽命。

2 技術方案

利用多種傳感器作為實時監測佩戴者各種生命體征的硬件支撐，利用UWB技術實現精確的室內定位功能，同時在醫院場景下推出特色的輸液檢測功能。以上各種信息最終借助第三方云平臺實時反饋到管理方終端，方便工作人員進行統一集中管理。

2.1 UWB室內定位

當患者突發疾病時，患者一鍵報警，管理者通過UWB定位系統找到患者，及時開展救援;當患者處于危險狀態（如昏迷）而無法主動報警，靜止不動的時間超過了設定的時長，系統會發出預警信息，提醒管理者及時救援，防止未及時發現而錯失救援最佳時機的情況發生。

2.2 生命體征監測

生命體征采集模塊的主控制芯片使用的是STM32芯片，其負責采集患者生命體征信號（心率、心電、血壓、體溫、血壓），并且將初步處理后的生命體征信息通過無線傳輸模塊發送至監控終端進行數據匯總與具體分析。以便及時發現常規心電圖中難以發現的心律失常和心肌缺血再經由無線傳輸模塊將生命體征信號傳輸至監控中心處理服務器，如果數據偏離預設正常值，中央端如若監測到數據異常立馬啟動報警，從而實現對患者生命體征狀況的實時監測。

（1） 心率監測

因為單導聯監護模塊具有功耗較低，效率較高，較為簡單方便且準確度高等性能優點，所以采用單導聯心率測量的方式對心率數據進行采集。單導聯監護模塊會對佩戴者的生物電信號進行集成及提取，并且過濾一些較為微弱的生物電信號，以此確定佩戴者的動態心率數據。

（2） 心電監護

手表內置測量心電數據的電極，可以利用電極來實時捕獲心臟在興奮的過程中產生的生物電信號，信號會先通過緩沖電路，再由前置放大電路將生物電信號進行放大，經由高通濾波電路，主放大和低通濾波電路后，最終得到心電波形，內置的STM32芯片則將進一步對心電數據初步分析和處理。

（3） 血氧監測

手表內置血氧飽和度探頭，血氧探頭能夠監測到血液對紅外光吸收的變化量，并且血氧飽和度探頭能夠計算出血紅蛋白的濃度以及血氧飽和度，從而實現對佩戴著的血氧數據進行監測。

（4） 體溫采集

本手表內置溫度傳感器收集電平信號，不再進行AD轉換，而是直接將溫度信號轉化為數字信號，利用 STM32的IO口進行數據的傳輸與讀取。

（5） 血壓監測

使用PWTT算法（結合心電圖和脈搏波測量血壓），通過脈搏波信號PPG與心電信號ECG獲得脈搏信息傳輸的時間，并且與一些常規的身體參數（如身高、體重）相結合得出脈搏波傳遞速度演算出血壓值。

2.3 摔倒監測

將三軸加速度傳感器與UWB技術相結合，當佩戴者摔倒時，三軸加速度傳感器會對加速度信息進行初步判定，再結合 UWB定位模塊判定佩戴者的位置信息，并且將位置信息上傳至遠程監護平臺，發出摔倒警報，以便把握救援時間進行救援。如果判定佩戴者在摔倒后的預定時間內沒有任何反應，將會自動撥打急救電話，并向你的緊急聯系人發送信息。

3 結論

綜上所述，本文設計了一款針對老年人和住院患者的生命體征數據實時監測的智能醫療手表，并將這些數據與手機以及醫院監測端同步，通過數據實時監測被監測對象的身體健康狀態，從而方便患者接受醫治、預防重大疾病的發生、減輕醫院管理人員的工作負擔。較現有的商業智能醫療手表而言，該智能醫療手表的設計使用更便捷、對數據采集更及時和醫療指導功能更強大。未來還可以進一步改善電池的壽命問題，力求能夠在高可靠性和高傳輸效率完成數據實時通信的同時保障手表擁有較高的續航能力，從而為佩戴者提供質量和準確度更高，指導性更強的治療意見。

4 結束語

綜上，本文所設計的智能醫療手表可以實時監測老人所在的位置、體態狀況、生命體征情況，不僅能夠防止老年人出現安全意外，還能對老人的健康實時追蹤，與醫療系統掛鉤，對于老人長期的健康護理有著莫大的作用。

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