可穿戴家居醫(yī)療系統(tǒng)研究

林國漢+楊林城+溫曉烽+林建庭+楊志恒

摘 要：家居醫(yī)療系統(tǒng)由體征檢測子系統(tǒng)、智能預警子系統(tǒng)、遠程監(jiān)控子系統(tǒng)、家電控制子系統(tǒng)等部分構(gòu)成。本系統(tǒng)工作時，由體征檢測子系統(tǒng)采集各類體征數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)軟計算，當檢測到數(shù)據(jù)正常，則通過遠程監(jiān)控子系統(tǒng)將結(jié)果顯示給佩戴者、家人和醫(yī)生，實現(xiàn)實時查看，并將數(shù)據(jù)上傳到云端進行存儲；若檢測到數(shù)據(jù)異常，啟動智能預警子系統(tǒng)向家人和醫(yī)生發(fā)送預警信息，同時也上傳帶"危險"標志的體征數(shù)據(jù)到云端。同時家居控制子系統(tǒng)實現(xiàn)對佩戴者體征數(shù)據(jù)的綜合分析，進而控制家電，給佩戴者提供更適宜的環(huán)境。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療系統(tǒng)、智能家居、老年人養(yǎng)護、隨身醫(yī)療、可穿戴

一、引論

老年人因為身體機能的衰弱，大多存在有疾病的隱患，需要定期到醫(yī)院進行身體檢查或長期住院診療，這期間加大了醫(yī)院的壓力，也造成了醫(yī)療資源的緊張。然而目前市場上還沒出現(xiàn)一款能很好解決以上現(xiàn)象的醫(yī)療設(shè)備，普遍的醫(yī)療設(shè)備存在著體積大、使用復雜、不能實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互等缺點。如何妥善處理老年人的養(yǎng)老護理，提供及時的醫(yī)療保障，是我們在新時期亟待解決的問題。

二、正論

目前市場上出現(xiàn)的可穿戴醫(yī)療設(shè)備主要包括具有醫(yī)療監(jiān)護價值和物理治療型的智能設(shè)備，如頭盔式交變電場腦瘤治療儀、BodyTel家庭診斷系統(tǒng)等。市場上現(xiàn)有的健康監(jiān)護設(shè)備大多是體積大、攜帶不方便，并且要求病人在特定地點進行檢測，對老年人來說，使用極不方便；市面的可穿戴醫(yī)療設(shè)備所測量的數(shù)據(jù)大多僅僅做簡單的采集處理，沒有進行綜合的分析和整合，數(shù)據(jù)的準確性和數(shù)據(jù)分析的可靠性都比較低；所檢測數(shù)據(jù)僅僅停留在移動端顯示，沒有用于醫(yī)療分析，收集的數(shù)據(jù)成了擺設(shè)，缺乏遠程監(jiān)控能力；當出現(xiàn)突發(fā)情況時，沒有相應的突發(fā)響應機制，出現(xiàn)危險情況而不能及時得到處理，缺少必要的智能預警措施，這些都大大地制約著可穿戴智能醫(yī)療設(shè)備的推廣和使用。老人容易跌倒，且跌倒后如果不能及時給予處理，后果極其嚴重，在這種背景下，跌倒檢測極為必要，也是本手環(huán)的一個亮點。

因此，研制出一款專門針對老年人和慢性病患者使用的具有體積小、隨身攜帶、遠程監(jiān)控、智能預警、智能控制家電功能的家居醫(yī)療系統(tǒng)是本項目的主要目標。

1.研究內(nèi)容及技術(shù)路線

本可穿戴家居醫(yī)療系統(tǒng)由體征檢測子系統(tǒng)（即手環(huán)）、智能預警子系統(tǒng)、遠程監(jiān)控子系統(tǒng)及家居控制子系統(tǒng)等部分構(gòu)成。其中，手環(huán)由CPU、溫度傳感器、心率傳感器、加速度/陀螺儀傳感器、OLED顯示模塊、電源管理模塊等組成；智能預警子系統(tǒng)由手機自動撥打電話、家居設(shè)備預警等組成；遠程監(jiān)控子系統(tǒng)由手機APP、網(wǎng)頁等組成。

其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)工作時，由手環(huán)采集各類體征數(shù)據(jù)（體表溫度、心率、加速度/陀螺儀等數(shù)據(jù)），并進行軟計算，當手環(huán)所檢測數(shù)據(jù)處于正常狀態(tài)，則通過遠程監(jiān)控子系統(tǒng)將結(jié)果顯示給佩戴者及其家人，實現(xiàn)實時查看，并將各類體征數(shù)據(jù)上傳到云端進行存儲；若檢測數(shù)據(jù)處于異常狀態(tài)，則啟動預警功能，向佩戴者及其家人發(fā)出預警信息，同時也上傳帶“危險”標志的體征數(shù)據(jù)到云端，最終與佩戴者平常的數(shù)據(jù)進行比對并進行云計算，先判斷是否為誤操作，若為誤操作，則將數(shù)據(jù)存儲到云端。若判斷為異常數(shù)據(jù)，則啟動預警系統(tǒng)，及時通知家人及醫(yī)生。

1.1體征檢測子系統(tǒng)

測量心率數(shù)據(jù)時，心率傳感器通過手環(huán)中CPU自帶的輸入捕獲通道，先由硬件濾波對一次脈沖波形進行濾波，再捕獲脈沖周期，然后通過數(shù)字濾波算法對采集的N次脈沖周期進行濾波，最后將處理后的脈沖周期進行計算得出每分鐘的心率。

手環(huán)擁有兩個溫度傳感器，其中一個用于采集環(huán)境溫度，另一個用于采集體表溫度。測量體表溫度時，通過手環(huán)底部的溫度傳感器采集人體體表溫度，此時的體表溫度是受環(huán)境因素影響而采集到的數(shù)據(jù)，同時也通過手環(huán)頂部的溫度傳感器采集環(huán)境溫度，然后由Matlab將采集到的體表溫度與環(huán)境溫度進行數(shù)據(jù)擬合，獲得相應的修正補償算法，該修正補償算法通過手環(huán)的中央處理器，對受環(huán)境因素影響的體表溫度進行修正補償，使之更接近體表溫度的真實溫度值.

加速度/陀螺儀傳感器檢測老人的運動狀態(tài)。通過加速度/陀螺儀傳感器測量xyz軸的加速度與角速度，通過相關(guān)算法進行處理，從而判斷此時老人的運動狀態(tài)，即步數(shù)、睡眠時間，跌倒狀態(tài)。

在步數(shù)算法中，傳統(tǒng)的處理算法是利用XYZ軸的加速度，進行數(shù)據(jù)融合處理而得到步數(shù)。但此算法存在不足，如在吃飯或者抖腿時，系統(tǒng)會進行計步的誤操作。而本項目克服傳統(tǒng)算法的不足，采用加速度+角速度并進行數(shù)據(jù)融合處理，提高了計步的精準，得到更為準確的步數(shù)。

在跌倒檢測中，采用了以硬件為主，軟件為副的檢測方式，利用MPU6050硬件自帶的失重、撞擊、靜止相關(guān)中斷來判斷是否發(fā)生了跌倒現(xiàn)象。優(yōu)勢在于實時性強，減少CPU負荷。

1.2智能預警子系統(tǒng)

手環(huán)采集到各類體征數(shù)據(jù)（體表溫度、心率、加速度/陀螺儀等數(shù)據(jù)），并進行處理。當手環(huán)檢測到異常數(shù)據(jù)時，將異常數(shù)據(jù)發(fā)送給手機APP，再由手機APP發(fā)送給云端，并通過智能預警子系統(tǒng)的手機自動撥打電話或以家居設(shè)備預警的形式，通知手環(huán)佩戴者的家人。

1.1.3遠程監(jiān)控子系統(tǒng)

由手環(huán)檢測到佩戴者的體征數(shù)據(jù)正常時，則通過遠程監(jiān)控子系統(tǒng)將各類體征數(shù)據(jù)（體表溫度、心率、加速度/陀螺儀等數(shù)據(jù)）顯示給佩戴者、家屬及醫(yī)生，實現(xiàn)實時查看，并將各類體征數(shù)據(jù)上傳到云端進行存儲。

1.1.4家居控制子系統(tǒng)

家居醫(yī)療手環(huán)的家居控制功能，實現(xiàn)了真正意義上的家居智能化。當佩戴者體溫出現(xiàn)異常時，手環(huán)判斷佩戴者此刻是否處于適宜的環(huán)境，若否，對空調(diào)等進行控制，無需人工手動控制，來使環(huán)境達到最佳效果，使佩戴者處于最適宜的休養(yǎng)環(huán)境中，減緩佩戴者身體上的不適，達到輔助醫(yī)療的效果。

三、結(jié)論

本項目是為老年人以及慢性病患者服務(wù)的方便實用的醫(yī)療手環(huán)設(shè)備。它具有體積小，不限制佩戴者自由，可隨身攜帶的特點，匹配有多傳感器檢測人體體征數(shù)據(jù)，能檢測老人是否跌倒。將多傳感器采集的實時數(shù)據(jù)進行處理后，再將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)上傳到APP及網(wǎng)頁。當手環(huán)所檢測數(shù)據(jù)處于正常狀態(tài)時，手環(huán)將結(jié)果傳送給用戶手機APP及醫(yī)生端的網(wǎng)頁，供用戶和醫(yī)生隨時查看。若檢測數(shù)據(jù)處于異常狀態(tài)，該設(shè)備將通過多種方式向佩戴者及家人發(fā)出預警信息（如老人跌倒后，及時通知家人），以便及時做出相應處理，降低風險。

作者簡介：

林國漢、楊林城、溫曉烽 廣州大學華軟軟件學院 電子信息工專業(yè)本科在讀；林建庭、楊志恒 廣州大學華軟軟件學院 軟件工程專業(yè)本科在讀。