基于可穿戴計算的智慧養老移動服務平臺的設計與挑戰

朱月蘭等

摘 要：基于傳統生理監測設備的智慧養老系統存在設備價格昂貴、操作麻煩、便攜性差等問題。本文基于目前先進的可穿戴計算技術，設計出一套無線的、低心理負荷的可實現多參數生理監測的智慧養老移動服務平臺。該系統可以實時、連續、長時間監測被監護人員的心電、呼吸、體溫等體征數據，并將數據及時傳輸到云端。云端的監控系統依據接收到的數據，分析被監護人的身體狀況，實現養老的個性化服務。

關鍵詞：可穿戴計算；智慧養老；生理監測

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A

1 引言（Introduction）

統計數據[1]表明，中國已于1999年進入老齡社會，到2020年，老齡化人口將占總人口的17.17%，達到2.48億，2050年將逾4億，老齡化比例將上升到30%以上，養老問題[2]迫在眉睫。慢性病，如糖尿病、充血性心臟衰竭、高血壓等構成了老齡化社會最為重要的威脅。世界衛生組織在報告《防治慢性病是一項極其重要的投資》中指出，目前心臟病、心血管病、癌癥和糖尿病每年造成全球約1700萬人早逝，尤其是在發展中國家，慢性病死亡人數占全部死亡人數的80%。針對老年人、慢性病患者等群體的治療都以醫院和康復中心的方式為主，這種方式不僅資源受限，而且成本費用高昂，普通家庭很難享受到這樣的服務，即使在美國這樣的發達國家，慢性病的醫療費用占到了醫療衛生系統醫療成本的80%。

遠程監護系統[3]對老年人身體狀況的監控是非常有效的。傳統的遠程病人監護系統包括家用心臟監測設備、血糖儀，甚至還包括芯片藥片，芯片藥片被患者攝入后，實時傳送數據到電子病歷數據庫。遠程監控可以提醒醫生對被監護人采取及時治療措施，防止緊急狀況發生。更多的好處是，通過對遠程監控系統產生的數據的分析，可以減少病人住院時間，減少急診量，實現提高家庭護理比例和門診醫生預約量的目標。

然而傳統的遠程監護系統在應用于養老時，存在生理監測系統價格昂貴、操作麻煩、便攜性差等問題，非常不適合老年人的監護。當務之急是設計出一套無線的、可穿戴的、低心理負荷的多參數生理監測系統，實現被監護人員運動狀態下實時、連續、長時間監測心電、呼吸、體溫和體動參數。可穿戴技術[4]的發展為該系統的設計與實現提供了可能。

可穿戴技術是一種具有信號檢測和處理、信號特征提取及數據傳輸等功能的用于人體狀態非介入式監測的新技術。它將生命信息檢測技術與人們日常穿戴的衣物相融合，可以在自然狀態下實現基本生命信息的獲取。近年來可穿戴設備得到了長足的發展，出現了大量小型化、使用方便的設備，如三星的智能手表Gear、耐克的數字運動手環、Fitbit的智能腕帶、Jawbone UP的智能手環等。這些設備可監測人體健康信息。

將可穿戴技術應用于智慧養老系統，可實現健康醫療的移動化，節約醫療成本、縮短診療流程。本文圍繞可穿戴技術，設計了一套智慧養老移動服務平臺，著重闡述了平臺研制面臨的挑戰。

2 智慧養老移動服務平臺體系結構（Architecture of

service platform for smart pension）

如圖1所示，智慧養老移動服務平臺體系結構由感知層、中間層和云端三層組成。感知層為佩戴在人體上的各種可穿戴設備，這些設備主要用于測量老年人的血壓、體溫、腦電圖、心電圖等數據。可穿戴健康監測設備的使用實現了實時、連續、長時間的健康信息收集。表1總結了目前已經研制出的各種可穿戴健康監測設備。

中間層是一個體域網，負責將感知層采集的數據傳輸到云端。云端主要負責感知數據的存儲、分析與發送服務。表2總結了體域網的硬件和網絡需求。

傳統的養老服務平臺主要使用各種專業的醫療儀器進行各種人體指標的采集，具有操作不方便、價格昂貴等缺點。我們的系統采用各種可穿戴設備采集數據。這些可穿戴設備具有小型化、操作接單和價格便宜等優點，因此我們的體系結構更適合于遠程健康信息的采集。

3 面向健康信息采集的挑戰（Challenge for collecting

health information）

目前世界上有大量的可穿戴設備公司，這些公司生產的可穿戴設備涵蓋了智能手環、手表、眼鏡乃至醫療設備等多個領域。但是能做出來的可穿戴設備，和理想中的產品仍有不小差距。在智能手機和平板的競爭焦點早已經轉移到系統和應用層面的今天，研發可穿戴設備的本土公司們仍然在硬件關口徘徊。

理想的可穿戴設備至少具備兩個特征[5]，其一是，甚至可以考慮做成一層產品有足夠的便攜性，既小又輕，最好能和身體的弧度盡量貼合薄膜貼到手腕上，其二是“無感”，現有的血壓儀在采集過程中是加壓的，雖然對血管和身體沒有直接的破壞性創傷，但人體的感覺并不好。

我們認為可穿戴設備面臨如下挑戰：（1）工業設計上，可穿戴設備需要對外表觀感、人體工學和舒適度的考量更加側重，才能讓可穿戴設備更容易融入用戶日常生活中，而非成為累贅。（2）技術上，設備的續航時間與設備間兼容性，是用戶熟悉和習慣使用的基礎，也是可穿戴設備仍然面臨的主要技術短板。Google Glass產品化障礙重重，主要存在技術成熟度與用戶需求偏差的原因。智能眼鏡的元件高度集成、輕便與續航的平衡以及操作響應方式，都對產品設計提出了很高的要求。（3）顯示屏幕的創新、突破和成本，比如柔性屏幕。

4 面向健康信息的大數據分析挑戰（Challenges of

big data analytics for health information）

我們的平臺通過各種可穿戴設備，能把數據統一發布到數據中心，從而帶來醫療數據的大量的增長。大數據會帶來一些典型的應用[6]，比如治療方案的有效性，根據每個人基因、地域、人種不一樣，會選擇不一樣的治療方案。甚至對于同樣的藥在不同的時間對不同的人應該有不同劑量，如果能實現這一點就依賴于大量的治療方案的采集和分析，通過醫藥機構和醫療機構大量分享數據，才能做到治療方案的個性化。

概括來講，通過利用大數據分析技術[6]，我們將實現預防（如何保證不得病）、預測（根據每個人體征可以預測這個人有哪些疾病風險）、個性化（每個人的生理特征不一樣，因此治療方案不一樣，甚至說得了同樣的病，吃的藥的劑量不一樣），還有就是參與性（患者要積極參與到醫療過程當中）。然而要想真正做到預防、預測、個性化以及個人參與，目前的醫療健康數據的分析面臨很大的挑戰[7]。

挑戰1：數據量巨大

我們的平臺最終必須與醫療機構現有的信息系統對接，共享數據才能充分挖掘數據的功能。然而在對接以后，醫療數據是持續、大量增長的大數據。根據估算，中國一個中等城市（一千萬人口）50年所積累的醫療數據量就會達到10PB級。并且，隨著時間的推移和業務系統的不斷升級換代，醫療數據模式的一致性也無法保證。因此，每天都會有大量的數據持續不斷的導入區域醫療數據中心，并且每當有數據模式的更改，相關的歷史數據也需要做相應的調整。所以，區域醫療數據中心并不是簡單的傳統數據倉庫概念。相比之下，它的模式更靈活、寫入和更新的操作更多，而對數據存儲的水平可擴展性的要求也更高。

挑戰2：醫療數據是關系復雜的多維數據

由于醫療數據是多種數據源數據的匯總，數據之間的關系非常復雜。比如：一個簡單的實驗室檢驗檢測值，必須同時記錄這個值對應的編碼系統和編碼、單位、檢測時間、檢驗項目、標本編碼，以及相關聯的患者主索引號、就診機構、申請科室、申請醫師標識號、報告醫師標識號、審核醫師標識號、正常值參考等等。一條檢測記錄就可以把患者、醫生、醫療機構多個實體在不同層次上關聯起來。而不同的醫療信息服務更需要從不同的視角來觀察這些數據。總之，醫療數據的多維度多粒度為各種信息服務的多角度多層次分析提供了可能，但同時也為大數據分析帶來了挑戰。因為我們不可能為每一種信息服務存儲一份特定的優化模式的數據，況且我們也無法枚舉出所有可能的信息服務需求。這就需要醫療數據的存儲模型能夠適應靈活多變的多維統計分析需求。

通過上述的分析可見，簡單地將現有的大數據分析技術套用在我們平臺的云端數據上是行不通的。

5 安全與隱私（Security and privacy）

智慧養老移動服務平臺需要通過各類傳感器收集與人類社會活動緊密相關的情境數據。這些情境數據屬于敏感信息，可以分析人類的移動和交互特性，幫助人們解決很多社會問題，但是在享受情境數據帶來利益的同時，要最大限度地保護用戶的隱私。因此，服務平臺的設計需要考慮保護用戶的隱私，確保情境數據的正確使用。

目前在可穿戴計算領域存在以下幾個典型的信息安全問題[8]。

（1）工具式信息泄露

帶有定位功能的可穿戴設備，如相機，允許用戶創建并分享每一個生活瞬間。這種微型、永遠開機的照相機能夠在每日自動拍攝并存儲成千上萬的照片。用戶只需將相機別在衣領、領帶或身體其他部位、便可以隨意拍攝進入鏡頭中的人或物。這些照片將會被上傳到設備制造商的網站，并以種種方式進行回放。顯而易見的危險便是假如可穿戴設備用戶創建詳細的生活日志，將會侵犯那些在不知情情況下被拍攝到的朋友或其他人的隱私。

（2）設備泄露

像google glass這類智能眼鏡最大的隱私問題是佩戴者能夠私下拍攝并上傳視線中出現的人或物。并且，光學鏡片、隱形眼鏡也將很快具備這一功能，這將導致智能眼鏡更加隱蔽，難以辨認。再加上面部識別軟件、智能眼鏡可能會成為一項令人頭疼的隱私大問題。

（3）安全攻擊

當今許多可穿戴式醫療設備，比如胰島素泵、葡萄糖監測和心臟起搏器，帶有無線支持，導致這些設備容易受到黑客攻擊。兩年多前，一位研究人員曾在黑帽安全會議上演示攻擊者如何在半英里外通過控制胰島素泵，給使用者輸送潛在致死劑量的胰島素。另一位研究人員也展示了如何利用無線協議在用戶佩戴的現代起搏器上做手腳。正是因為這方面的擔憂導致前副總統迪克-切尼的醫生禁止在切尼的心臟泵上使用無線功能。美國食品及藥物管理局對此也表示擔憂，并敦促設備制造商解決無線漏洞。

概括起來講，上述安全問題主要涉及到數據機密性、數據完整性、數據認證與新鮮性，安全定位，可用性等方面。可穿戴設備與一般設備相比，具有通信信道開放，資源有限的特點，因此其他領域的相關安全技術不能直接應用于我們的智慧養老移動服務平臺，必須對現有方案進行改進與優化。

6 結論（Conclusion）

本文所設計的智慧養老移動服務平臺，在信息采集端采用了體型小、價格低、舒適感強的可穿戴設備，實現了實時、連續對被監護人的監測。利用大數據分析技術對所采集的信息進行分析，從而為被監護人提供個性化養老服務。本文進一步闡述了開發該服務平臺所面臨的挑戰。下一步的主要工作是研制挑戰的解決之道。

參考文獻（References）

[1] 楊燕綏.清華大學民生保障與社會發展研究系列：中國老齡社

會與養老保障發展報告（2013）[M].北京：清華大學出版社，

2013.

[2] 尤元文.老齡問題與養老工作資料選編（第1輯）[M].北京：中國

經濟出版社，2013.

[3] 石濤，吳水才，李艷崢.基于嵌入式Web服務器的心電遠程監

護系統[J].北京生物醫學工程，2014，33（001）：66-71.

[4] 吳小玲，蔡桂艷.可穿戴式血氧傳感器的設計和定標方法研究

[J].生物醫學工程學雜志，2009，26（4）：731-734.

[5] 羅東.可穿戴設備“硬”傷[EB/OL].21世紀商業評論，2013，（25）.

[6] 馮朝暉.大數據與健康服務[EB/OL].CIO時代網，2013-07-24.

[7] EMC中國研究院大數據實驗室.健康云上如何進行大數據的

挖掘與分析[EB/OL].EMC中國研究院官方博客，2012-04-05.

[8] 文良.可穿戴設備七大隱患[EB/OL].賽迪網，2014-02-27.

作者簡介：

朱月蘭（1968-），女，碩士，高級.研究領域：醫療信息系統.

林 楓（1963-），男，碩士，教授.研究領域：衛生管理.

閆國華（1984-），男，碩士，中級.研究領域：醫療信息系統.

王 勇（1991-），男，碩士生.研究領域：軟件開發.