一種應(yīng)用于阿爾茨海默癥患者的智能項圈

李富，付璇，喻叢兵，何永濤，熊瑩，覃建寧，吳磊

（無錫學(xué)院，江蘇無錫，214105）

0 引言

阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是以進行性認知功能障礙為主要臨床癥狀的神經(jīng)退行性疾病。根據(jù)《中國阿爾茨海默病報告2021》顯示，我國60 歲及以上人群AD 患者高達983 萬例，已成為嚴重危害我國人群健康的重大疾病和社會問題[1]。

《2021 年世界阿爾茨海默病報告》顯示，目前全球約有5000 萬AD 患者，而隨著老齡化的加劇，到2030 年預(yù)計將達到7800 萬人，其患者還有年輕化的趨勢[2]。65 歲以后屬于阿爾茲海默病的發(fā)病高峰期，快速增長的老齡人口和沉重的照護負擔，是當下社會不得不面對的緊迫問題[3]。阿爾茨海默病在臨床上表現(xiàn)為記憶障礙、失語、失用、失認、視空間技能損害、執(zhí)行功能障礙以及人格和行為改變等全面性癡呆表現(xiàn)，病因迄今未明。主要表現(xiàn)為記憶減退，對所處地理位置定向困難，難以獨立進行室外活動。AD 病人家庭經(jīng)常面臨著病人走失、生活難以自理等各種各樣的問題。病人的身體基本健康指標采集不便，導(dǎo)致我們無法實時掌握病人的身體狀況。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等各種所需的信息，通過各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。

針對AD 病人及家屬面臨的上述問題，目前市場上尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)的產(chǎn)品來解決這些問題。所以我們基于現(xiàn)有的成熟物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了一種阿爾茲海默癥患者用智能項圈（以下簡稱“智能項圈”）。從專業(yè)方面來看，智能項圈在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上進行集成，理論上是可以實現(xiàn)的，它的問世將為AD 患者的生活帶來極大的便利，具有很高的社會價值。從實際發(fā)展來看，智能項圈體現(xiàn)了社會對于AD 患者的關(guān)懷，為醫(yī)療器械行業(yè)的發(fā)展注入新的生機，加快了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)的布局。

1 內(nèi)置裝置

1.1 中央處理模塊

中央處理模塊為集成芯片，內(nèi)置基于Cortex-M3 內(nèi)核的32 位微控制器的芯片，并嵌入用于模塊和移動控制端的通信及數(shù)據(jù)傳輸芯片。將各傳感器采集的信息上傳至云端和移動端,便于家人實時了解阿爾茲海默癥患者的具體情況。

1.2 人臉識別模塊

人臉識別模塊包括雙目攝像頭、視覺傳感器及紅外補光燈，位于項圈本體前方，拍攝人物畫面，識別所拍攝的人物信息。用于識別人物信息，幫助阿爾茲海默癥患者喚醒記憶，幫助患者緩解失認的問題。

1.3 室內(nèi)外定位模塊

室內(nèi)外定位技術(shù)實現(xiàn)借助GPS 的室外定位和RFID 室內(nèi)定位技術(shù)，可以得到用戶或物體在某時刻的位置所在，同時將室內(nèi)外定位技術(shù)相結(jié)合，可以降低障礙物對用戶或物體定位的影響，減少在傳輸數(shù)據(jù)過程中的傳輸損耗，更快更精準地得到用戶或物體的位置[4]。室內(nèi)外定位模塊由GPS 定位模塊和RFID 模塊組成；其中，GPS 定位模塊提供位置信息由中央處理模塊發(fā)送至移動控制端；RFID 模塊對應(yīng)貼于藥物上的標簽，利用RFID 技術(shù)識別并提醒患者藥物位置。

1.4 TTS 語音交互模塊

TTS 語音交互模塊是將收集到的信息轉(zhuǎn)化為語音信息的實用技術(shù)。TTS 語音交互模塊內(nèi)置芯片，通過語音編解碼模塊將音頻數(shù)據(jù)編碼上傳或者解碼播放。將人臉識別的人物信息、藥物存放地址和使用方式進行播報，幫助患者回想起家人和按時吃藥。

1.5 健康指標數(shù)據(jù)檢測模塊

該模塊采用高靈敏度光感IC 以及低噪聲采用Zig Bee技術(shù)來實現(xiàn)對AD 患者健康指標的實時監(jiān)控。健康指標數(shù)據(jù)檢測模塊包括現(xiàn)有的光電心率傳感器、體溫監(jiān)測傳感器及電容式加速度傳感器，信息均由中央處理模塊發(fā)送至移動控制端，便于家人了解患者的基本身體狀況。

1.6 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是指接收 AP 信號，獲得 AP 信號度量指標的移動終端（如智能手機、平板電腦、筆記本電腦等）的天線和無線網(wǎng)卡等[5]。智能項圈上的數(shù)據(jù)采集模塊內(nèi)置SIM卡，從中央處理模塊上傳及下載信息，實現(xiàn)與其他模塊的信息交互。

1.7 供電模塊

供電模塊由交流電經(jīng)AC/DC 轉(zhuǎn)換，獲得12V 或6V 電壓給系統(tǒng)進行供電。本體采用卡扣連接，卡扣閉合處設(shè)置電源開關(guān)，通過卡扣閉合實現(xiàn)供電模塊開啟。

2 外置配置

2.1 物聯(lián)網(wǎng)平臺

物聯(lián)網(wǎng)平臺采用阿里云Iot 物聯(lián)網(wǎng)平臺，因為阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺能為設(shè)備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設(shè)備，支撐設(shè)備數(shù)據(jù)采集上云；向上提供云端 API，服務(wù)端通過調(diào)用云端 API 將指令下發(fā)至設(shè)備端，實現(xiàn)遠程控制[6]。可接入各種主流協(xié)議的設(shè)備，管理運維億級并發(fā)規(guī)模的設(shè)備，處理分析EB 量級的設(shè)備數(shù)據(jù)，提供7×24 小時的安全風(fēng)險檢測和預(yù)警。

2.2 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫采用SQLite 數(shù)據(jù)庫，它是一個進程內(nèi)的輕量級嵌入式數(shù)據(jù)庫。SQLite 數(shù)據(jù)庫就是一個文件，實現(xiàn)了自給自足、無服務(wù)器、零配置的、事務(wù)性的SQL 數(shù)據(jù)庫引擎。所以，SQLite 不需要在系統(tǒng)中進行配置，直接可以使用。且SQLite 不是一個獨立的進程，可以按應(yīng)用程序需求進行靜態(tài)或動態(tài)連接。 SQLite 可以直接訪問存儲文件。資源占用率非常低，在嵌入式設(shè)備中，一般只需要幾百K 的內(nèi)存就夠了。能夠支持Windows/Linux/Unix 等等主流的操作系統(tǒng)，同時能夠跟很多程序語言相結(jié)合，比如 C#、PHP、Java 等，此外，它的處理速度很快。

2.3 移動控制端

移動控制端采用移動設(shè)備APP，APP 目前廣泛應(yīng)用于各種移動終端。它之所以受大眾青睞，原因在于它可以實現(xiàn)完整功能，靈活性強。界面內(nèi)容豐富，運轉(zhuǎn)速度快，系統(tǒng)流暢。各種功能更加細化、個性化和功能化。在對于網(wǎng)絡(luò)安全愈發(fā)重視的現(xiàn)在，其安全性能得到很大的保障。

3 整體設(shè)計

3.1 工作原理

本智能項圈系統(tǒng)由移動端、阿里云Iot 物聯(lián)網(wǎng)平臺、中央處理模塊、人臉識別模塊、室內(nèi)外定位模塊、健康指標監(jiān)測模塊、TTS 語音交互模塊和電池模塊構(gòu)成。移動端主要功能是顯示中央處理模塊上傳的數(shù)據(jù)，并進行人臉信息的錄入，系統(tǒng)使用的日志記錄，從而幫助患者親屬更好地了解患者情況。阿里云Iot 物聯(lián)網(wǎng)平臺主要功能是對移動端的數(shù)據(jù)進行云備份，同時對數(shù)據(jù)進行分析，即時反饋給APP。中央處理模塊主要功能是實現(xiàn)對各功能模塊的控制與判斷，并通過數(shù)據(jù)采集模塊獲取人臉識別模塊、室內(nèi)外定位模塊、健康指標監(jiān)測模塊和電池模塊的數(shù)據(jù)，對其進行梳理并上傳至APP，同時與TTS 語音交互模塊和APP 進行信息交互。人臉識別模塊主要功能是實現(xiàn)人臉信息的搜集，幫助中央處理模塊甄別是否為患者親屬，并通過TTS 語音交互模塊反饋給患者。通過雙目攝像頭、紅外補光燈和視覺傳感器來實現(xiàn)不同環(huán)境下的人臉識別。健康監(jiān)測模塊主要是監(jiān)測患者的心率、體溫和行進速度，分別通過光電心率傳感器、體溫傳感器和電容式加速度傳感器來實現(xiàn)相關(guān)指標的測量。室內(nèi)外定位模塊主要功能是在對室外的患者進行定位，對室內(nèi)的藥物進行定位。前者通過GPS 技術(shù)得以實現(xiàn)，后者則通過RFID技術(shù)進行實現(xiàn)。TTS 語音模塊主要功能是及時將某些信息反饋給患者，通過語音指令控制中央處理模塊。供電模塊主要功能是保證各模塊處于正常工作狀態(tài)，并將電量信息反饋給數(shù)據(jù)采集模塊。各功能模塊相互配合，各司其職就實現(xiàn)了完整的系統(tǒng)功能。

3.2 實驗結(jié)果驗證

系統(tǒng)基本功能開發(fā)完成后，針對系統(tǒng)的主要功能，進行了功能測試，經(jīng)過測試主要的功能能夠達到設(shè)計之初的預(yù)期。各項功能測試用例如表1 所示。

表1 系統(tǒng)測試用例表

4 具體技術(shù)方案

如圖1 和圖2 所示的智能項圈，包括內(nèi)置裝置和外置配置。參閱圖1，阿爾茲海默癥患者用智能項圈，包括設(shè)于項圈前方中部的中央處理模塊2，中央處理模塊2 一端連接的人臉識別模塊1，人臉識別模塊1 精準識別出家人信息，幫助喚醒AD 患者記憶，解決失認問題；在人臉識別模塊1的另一端還有共電路連接TTS 語音交互模塊4，播放相關(guān)信息等；與TTS 語音交互模塊4 連接的健康指標數(shù)據(jù)檢測模塊5 能夠?qū)颊呱w征進行檢測，便于監(jiān)護人實時了解患者身體情況；與中央處理模塊2 另一端相連的是室內(nèi)外定位模塊，包括GPS 定位模塊3 和RFID 模塊7；GPS 定位模塊3 提供位置信息由中央處理模塊發(fā)送至移動控制端；RFID 模塊7 對應(yīng)貼在藥物上的標簽，利用RFID 技術(shù)識別并提醒患者藥物位置，能夠進行實時精準室外定位，防止患者走失；與GPS 定位模塊3 還有共電路連接數(shù)據(jù)采集模塊6，內(nèi)置SIM 卡，實現(xiàn)與終端的數(shù)據(jù)傳輸；在項圈遠端尾部位置采用卡扣9 連接，正常使用時，可以通過調(diào)整卡扣來調(diào)整項圈大小，不會對患者頸部造成壓迫感，卡扣閉合處設(shè)置電源開關(guān)，通過卡扣閉合實現(xiàn)供電模塊8 開啟。項圈所有模塊均通過電路板實現(xiàn)電路連接，均采用現(xiàn)有技術(shù)。項圈表層采用柔軟、防水性好、無害的TPE 材料包裹。

圖1 智能項圈實體結(jié)構(gòu)圖

圖2 整體設(shè)計框架圖

圖3 系統(tǒng)流程圖

圖4 智能項圈模塊連接圖

使用本發(fā)明裝置前，為了確保項圈佩戴后使用的功能健全，其中的人臉識別需要錄入可響應(yīng)的信息，人臉識別的前提條件就是人臉信息要先注冊到服務(wù)器后臺的人臉庫中，即通過APP將項圈的佩戴者的可信任人員進行人臉信息錄入，同時也同步了項圈內(nèi)置的人臉信息存儲，從而使得項圈可以自動識別和匹配可信任人臉，并通過與后臺數(shù)據(jù)庫的特征臉比對后由語音播報出備注。

人臉識別模塊1 包括雙目攝像頭、視覺傳感器及紅外補光燈，位于項圈本體前方，拍攝人物畫面，識別所拍攝的人物信息，利用實現(xiàn)人臉識別技術(shù)精準識別出家人信息，與TTS 語音交互模塊4 協(xié)同工作，芯片內(nèi)部的語音編解碼模塊把采集到的音頻數(shù)據(jù)進行編碼并通過UART 接口實時傳送給上位機，或者對上位機傳送來的音頻數(shù)據(jù)進行解碼并實時播放出來，播放出所識別人物的相關(guān)信息，幫助喚醒AD 患者記憶。

對于患者而言，在室外活動時，會出現(xiàn)迷路，走失的問題，在項圈中的室內(nèi)外定位模塊包括GPS 定位模塊3 和RFID 模塊7。所述GPS 定位模塊3 利用GPS+LSB 基站衛(wèi)星定位技術(shù)進行實時精準室外定位，將位置信息由中央處理模塊2 發(fā)送至移動控制端，實時監(jiān)測患者行蹤，利用電子圍欄技術(shù)，將根據(jù)用戶自定義選擇電子圍欄范圍，患者超出范圍立即報警，防止患者走失，家屬第一時間能夠找到患者。

RFID 模塊7 對應(yīng)貼于藥物上的標簽，利用RFID技術(shù)識別并提醒患者藥物位置，并與TTS 語音交互模塊4 協(xié)同工作，語音播報藥物所在位置和使用情況，幫助患者按時服用藥物。

健康指標數(shù)據(jù)檢測模塊5 包括光電心率傳感器、體溫監(jiān)測傳感器及電容式加速度傳感器，光電心率傳感器和體溫監(jiān)測傳感器分別實時監(jiān)測患者心率和體溫，電容式加速度傳感器檢測患者的正常行走，判斷是否發(fā)生摔倒等情況，信息均由中央處理模塊2發(fā)送至移動控制端。

針對使用者外出時經(jīng)常忘記攜帶手機、鑰匙等隨身物品的情況進行語音提醒而推出了忘物提醒功能。本功能基于上述的語音尋物的基礎(chǔ)上新增了范圍內(nèi)定位檢測，首先在常需移動的重要物品貼上RFID 電子標簽，并通過對電子標簽的移動位置設(shè)置固定范圍，采用室內(nèi)定位技術(shù)可以精確達到10 ～20cm 范圍內(nèi)，可有效防止佩戴者移動超過設(shè)置范圍。在一定可允許誤差范圍內(nèi)，項圈會判斷貼有標簽的物品的位置是否和佩戴者相近一致，若沒有則視為佩戴者忘記帶這些物品出門，從而智能項圈執(zhí)行語音播報提醒程序，及時的提醒患者，在一定程度上可以有效解決阿爾茲海默癥患者外出忘帶物品的問題。

5 結(jié)束語

隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，在越來越多的行業(yè)中充當著重要的角色，為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提供強大的技術(shù)支持。本文提出的智能項圈是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在醫(yī)療器械行業(yè)發(fā)展的一個縮影，應(yīng)用先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決人們生活中的各種現(xiàn)實問題，使人們的生活向著更加智能化，多樣化，舒適化的方向發(fā)展。本文提到的智能項圈，我們在實現(xiàn)其系統(tǒng)功能后，對各功能模塊進行了測試用例，測試結(jié)果符合預(yù)期。在之后的工作中，我們會逐步完善系統(tǒng)，使其發(fā)揮應(yīng)有的價值。