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(huì)發(fā)展和科技進(jìn)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(duì)醫(yī)療服務(wù)的速度和質(zhì)量提出了更高的要求；同時(shí)，人口老齡化問(wèn)題加重了醫(yī)療資源的負(fù)擔(dān)。而基于IT技術(shù)、移動(dòng)通信、可穿戴技術(shù)于一體的遠(yuǎn)程健康醫(yī)療系統(tǒng)，能有效解決這些問(wèn)題。因此本項(xiàng)目提出一種可穿戴設(shè)備+移動(dòng)終端+健康云平臺(tái)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(lái)人口老齡化的加劇，第六次全國(guó)人口普查顯示，60歲及以上人口占全國(guó)總?cè)丝诘?3.26%，比2000年上升2.93個(gè)百分點(diǎn)，其中“空巢家庭”老年人占老年人總數(shù)的比例達(dá)44.8%，平常對(duì)老人身體健康的照顧問(wèn)題變得更加突出，同時(shí)老年人群體特有的生理特點(diǎn)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(shí)救治將可能危及生命。這些都給醫(yī)療機(jī)構(gòu)帶來(lái)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(hù)產(chǎn)品急需面市，使得健康管理和監(jiān)護(hù)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(duì)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(gè)架構(gòu)按功能層次分為三個(gè)層次，傳感器層（可穿戴設(shè)備）、移動(dòng)手持終端層以及遠(yuǎn)程健康云平臺(tái)層。可穿戴設(shè)備主要負(fù)責(zé)對(duì)人體相關(guān)生理參數(shù)的采集，行為跌倒檢測(cè)，gps定位，并將生理參數(shù)，gps信息通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳送遠(yuǎn)程健康云平臺(tái)；健康云平臺(tái)負(fù)責(zé)對(duì)生理數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘，并及時(shí)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(shí)處理的問(wèn)題時(shí)，可穿戴設(shè)備通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)將這些信息直接發(fā)送給監(jiān)護(hù)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(jì)

該系統(tǒng)主要的硬件設(shè)計(jì)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(bào)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(jìn)行處理分析，判斷出佩戴者是否有跌倒，發(fā)生跌倒便啟動(dòng)可穿戴設(shè)備報(bào)警功能，并將相關(guān)信息通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)護(hù)人手機(jī)。同時(shí)將生理數(shù)據(jù)及位置信息進(jìn)行處理打包后，通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)程健康云平臺(tái)做進(jìn)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(jī)移動(dòng)終端、遠(yuǎn)程健康管理中心三部分組成，接下來(lái)分析其主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

3.1 可穿戴設(shè)備

體溫充電供電模塊：提供自動(dòng)供電的功能，保持系統(tǒng)的正常運(yùn)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(guò)設(shè)置溫差發(fā)電元件來(lái)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(guò)對(duì)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(hào)本身就比較微弱，并且在采集傳輸過(guò)程會(huì)受到各種各樣的干擾信息，因此針對(duì)不同性質(zhì)的信號(hào)以及干擾因素要選擇不同的解決方法。示波法測(cè)量血壓作為比較準(zhǔn)確的一種方法，主要有兩種突變拐點(diǎn)模型以及歸一化比例模型。但是由于各有劣勢(shì)，突變法實(shí)現(xiàn)困難，歸一法針對(duì)個(gè)體特征的差異有其局限性，因此該項(xiàng)目將研發(fā)一種結(jié)合兩種方法優(yōu)勢(shì)的改進(jìn)方法來(lái)更準(zhǔn)確的測(cè)量血壓。另外將小波變換引入到傳統(tǒng)QRS波檢測(cè)，以此來(lái)改進(jìn)對(duì)心電信號(hào)的提取。

ARM主控制器：作為數(shù)據(jù)的處理中心，主要負(fù)責(zé)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，把數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，并做出相關(guān)的決策。該部分技術(shù)難點(diǎn)在于解決跌倒檢測(cè)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有先進(jìn)檢測(cè)算法[1]都是基于三軸加速度SMV閾值的跌倒檢測(cè)算法上的一個(gè)改進(jìn)，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(guò)設(shè)定SMV的閾值來(lái)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(cè)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(shí)現(xiàn)分類。在特征空間里，One-Class SVM 確定了一個(gè)包含所有目標(biāo)數(shù)據(jù)的最小超球面體表面，這個(gè)表面就是通常定義的分類器[2]。用一組松弛變量來(lái)控制超球體的半徑和超出超球體的樣本數(shù)量。通過(guò)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(cuò)判問(wèn)題，因此該項(xiàng)目重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)研究通過(guò)不同的輔助手段對(duì)疑似跌倒的數(shù)據(jù)進(jìn)一步的判定，最終提出一個(gè)高效準(zhǔn)確的跌倒檢測(cè)算法。輔助手段包括對(duì)能量損耗、傾角、位移和速度等等的分析。該項(xiàng)目跌倒檢測(cè)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(cè)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(hào)通過(guò)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(guò)后的加速度通過(guò)One-Class SVM閾值算法以及輔助算法判斷出是否跌倒。

3.2 遠(yuǎn)程健康管理中心

遠(yuǎn)程健康管理中心作為本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療健康服務(wù)的云平臺(tái)，接受可穿戴設(shè)備發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并經(jīng)3G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或其他寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò)為用戶提供適時(shí)或非適時(shí)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(huì)話集群、消息隊(duì)列集群、數(shù)據(jù)挖掘算法集群和云存儲(chǔ)等5個(gè)功能模塊。

4 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目通過(guò)研究可穿戴電子設(shè)備的智能應(yīng)用技術(shù)，提出了一個(gè)針對(duì)醫(yī)療監(jiān)護(hù)的可穿戴遠(yuǎn)程計(jì)算平臺(tái)模型，通過(guò)對(duì)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(duì)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(wèn)題，具有推廣意義。

參考文獻(xiàn)

[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(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別的可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

作者簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)系，職稱：助教，研究方向：嵌入式驅(qū)動(dòng)開發(fā)。