可穿戴電子設(shè)備的智能應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)

沈洪銳　何世添

摘 要：隨著社會發(fā)展和科技進步，人們生活質(zhì)量不斷改善，健康觀念也發(fā)生了很大的變化，對醫(yī)療服務(wù)的速度和質(zhì)量提出了更高的要求；同時，人口老齡化問題加重了醫(yī)療資源的負擔(dān)。而基于IT技術(shù)、移動通信、可穿戴技術(shù)于一體的遠程健康醫(yī)療系統(tǒng)，能有效解決這些問題。因此本項目提出一種可穿戴設(shè)備+移動終端+健康云平臺的解決方案。

關(guān)鍵詞：可穿戴電子設(shè)備；智能；應(yīng)用技術(shù)；研究；開發(fā)

引言

近年來人口老齡化的加劇，第六次全國人口普查顯示，60歲及以上人口占全國總?cè)丝诘?3.26%，比2000年上升2.93個百分點，其中“空巢家庭”老年人占老年人總數(shù)的比例達44.8%，平常對老人身體健康的照顧問題變得更加突出，同時老年人群體特有的生理特點導(dǎo)致了老年意外失足跌倒或者某種疾病突然發(fā)作及惡化的概率也非常大，如得不到及時救治將可能危及生命。這些都給醫(yī)療機構(gòu)帶來了很大的服務(wù)壓力。因此，一種低成本，便攜式，并且適用于普通大眾人群的自我健康監(jiān)護產(chǎn)品急需面市，使得健康管理和監(jiān)護可以走出醫(yī)院，走向普通家庭。

1 可穿戴健康醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)

針對老人、病人的可穿戴健康醫(yī)療系統(tǒng)，架構(gòu)如圖1可穿戴健康醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)所示：

整個架構(gòu)按功能層次分為三個層次，傳感器層（可穿戴設(shè)備）、移動手持終端層以及遠程健康云平臺層。可穿戴設(shè)備主要負責(zé)對人體相關(guān)生理參數(shù)的采集，行為跌倒檢測，gps定位，并將生理參數(shù)，gps信息通過3G網(wǎng)絡(luò)傳送遠程健康云平臺；健康云平臺負責(zé)對生理數(shù)據(jù)進行存儲、數(shù)據(jù)挖掘，并及時反饋健康狀態(tài)及建議；當(dāng)發(fā)生跌倒或心臟病發(fā)作，哮喘發(fā)作等需要及時處理的問題時，可穿戴設(shè)備通過3G網(wǎng)絡(luò)將這些信息直接發(fā)送給監(jiān)護人，以便突發(fā)事件能以最快的速度得以處理。

2 硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要的硬件設(shè)計為可穿戴設(shè)備，其架構(gòu)圖如圖2所示。主要由體溫充電供電模塊、生理參數(shù)采集模塊、加速傳感器模塊、報警模塊、GPS模塊、通信模塊以及ARM中央處理芯片等模塊組成。ARM主控制器作為數(shù)據(jù)的處理中心，讀取人體生理數(shù)據(jù)以及加速傳感器數(shù)據(jù)，進行處理分析，判斷出佩戴者是否有跌倒，發(fā)生跌倒便啟動可穿戴設(shè)備報警功能，并將相關(guān)信息通過3G網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)護人手機。同時將生理數(shù)據(jù)及位置信息進行處理打包后，通過3G網(wǎng)絡(luò)傳送到遠程健康云平臺做進一步的處理。

3 技術(shù)路線

該系統(tǒng)主要由可穿戴設(shè)備、手機移動終端、遠程健康管理中心三部分組成，接下來分析其主要技術(shù)實現(xiàn)。

3.1 可穿戴設(shè)備

體溫充電供電模塊：提供自動供電的功能，保持系統(tǒng)的正常運行，解決了電池需要經(jīng)常充電的瓶頸。主要是由誤差發(fā)電元件、充電控制模塊以及聚合物電池三部分組成，該功能通過設(shè)置溫差發(fā)電元件來利用人體體溫給聚合物電池發(fā)電充電。

生理參數(shù)采集模塊：采集的參數(shù)主要包括血壓、心率以及體溫等各種相關(guān)生理參數(shù)，通過對這些參數(shù)的分析監(jiān)管佩戴者的身體情況。由于這些信號本身就比較微弱，并且在采集傳輸過程會受到各種各樣的干擾信息，因此針對不同性質(zhì)的信號以及干擾因素要選擇不同的解決方法。示波法測量血壓作為比較準確的一種方法，主要有兩種突變拐點模型以及歸一化比例模型。但是由于各有劣勢，突變法實現(xiàn)困難，歸一法針對個體特征的差異有其局限性，因此該項目將研發(fā)一種結(jié)合兩種方法優(yōu)勢的改進方法來更準確的測量血壓。另外將小波變換引入到傳統(tǒng)QRS波檢測，以此來改進對心電信號的提取。

ARM主控制器：作為數(shù)據(jù)的處理中心，主要負責(zé)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理，把數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺，并做出相關(guān)的決策。該部分技術(shù)難點在于解決跌倒檢測問題。國內(nèi)外現(xiàn)有先進檢測算法[1]都是基于三軸加速度SMV閾值的跌倒檢測算法上的一個改進，SMV值如（1）式所示，Ax、Ay、Az分別為x、y、

z三軸向的加速度，通過設(shè)定SMV的閾值來判斷是否跌倒。SMV閾值判斷比較粗糙，存在很大的誤判漏判情況，因此也出現(xiàn)了基于SMV閾值檢測的改良方法One-Class SVM，利用核函數(shù)將所有樣本映射到高位特征空間實現(xiàn)分類。在特征空間里，One-Class SVM 確定了一個包含所有目標數(shù)據(jù)的最小超球面體表面，這個表面就是通常定義的分類器[2]。用一組松弛變量來控制超球體的半徑和超出超球體的樣本數(shù)量。通過此算法我們可以做到的是能夠提取出絕大部分的跌倒性樣本數(shù)據(jù)。研究表示，One-Class SVM閾值算法也存在一定的誤判錯判問題，因此該項目重點實驗研究通過不同的輔助手段對疑似跌倒的數(shù)據(jù)進一步的判定，最終提出一個高效準確的跌倒檢測算法。輔助手段包括對能量損耗、傾角、位移和速度等等的分析。該項目跌倒檢測流程如圖3所示，包括加速度數(shù)據(jù)獲取，數(shù)據(jù)預(yù)處理，跌倒檢測算法三部分。根據(jù)奈奎斯特采樣定理確定3軸加速度的采樣頻率定為45Hz，然后將采樣信號通過中值濾波和0.5Hz的高通濾波器濾除噪聲和直流分量，最后把預(yù)處理過后的加速度通過One-Class SVM閾值算法以及輔助算法判斷出是否跌倒。

3.2 遠程健康管理中心

遠程健康管理中心作為本系統(tǒng)的遠程醫(yī)療健康服務(wù)的云平臺，接受可穿戴設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，進行處理，并經(jīng)3G移動通信網(wǎng)絡(luò)或其他寬帶無線網(wǎng)絡(luò)為用戶提供適時或非適時的人體健康信息監(jiān)控、緊急醫(yī)療處置等醫(yī)療健康服務(wù)。健康管理中心包括web集群、會話集群、消息隊列集群、數(shù)據(jù)挖掘算法集群和云存儲等5個功能模塊。

4 結(jié)束語

本項目通過研究可穿戴電子設(shè)備的智能應(yīng)用技術(shù)，提出了一個針對醫(yī)療監(jiān)護的可穿戴遠程計算平臺模型，通過對各種軟硬件資源的比較，選擇了符合需求的軟硬件資源，開發(fā)了針對老人、病患者的可穿戴健康醫(yī)療系統(tǒng)，在一定程度上緩解了醫(yī)療資源緊張的問題，具有推廣意義。

參考文獻

[1]Neil Zhao. Full-Featured Pedometer Design Realized with 3-Axis Digital Accelerometer[J]. Analog Dialogue，2010，44（2）：17-21.

[2]李娜.基于人體運動狀態(tài)識別的可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

作者簡介：沈洪銳，學(xué)位：碩士，職稱：講師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

何世添，學(xué)位：碩士，單位：廣東東軟學(xué)院計算機系，職稱：助教，研究方向：嵌入式驅(qū)動開發(fā)。