一種應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退行性疾病。根據《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為記憶障礙、失語、失用、失認、視空間技能損害、執行功能障礙以及人格和行為改變等全面性癡呆表現，病因迄今未明。主要表現為記憶減退，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，導致我們無法實時掌握病人的身體狀況。

物聯網技術是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種所需的信息，通過各類可能的網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現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，目前市場上尚未發現相關的產品來解決這些問題。所以我們基于現有的成熟物聯網技術，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”）。從專業方面來看，智能項圈在現有技術基礎上進行集成，理論上是可以實現的，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。從實際發展來看，智能項圈體現了社會對于AD 患者的關懷，為醫療器械行業的發展注入新的生機，加快了物聯網技術在醫療行業的布局。

1 內置裝置

1.1 中央處理模塊

中央處理模塊為集成芯片，內置基于Cortex-M3 內核的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據傳輸芯片。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 室內外定位模塊

室內外定位技術實現借助GPS 的室外定位和RFID 室內定位技術，可以得到用戶或物體在某時刻的位置所在，同時將室內外定位技術相結合，可以降低障礙物對用戶或物體定位的影響，減少在傳輸數據過程中的傳輸損耗，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送至移動控制端；RFID 模塊對應貼于藥物上的標簽，利用RFID 技術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化為語音信息的實用技術。TTS 語音交互模塊內置芯片，通過語音編解碼模塊將音頻數據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 健康指標數據檢測模塊

該模塊采用高靈敏度光感IC 以及低噪聲采用Zig Bee技術來實現對AD 患者健康指標的實時監控。健康指標數據檢測模塊包括現有的光電心率傳感器、體溫監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 數據采集模塊

數據采集模塊是指接收 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）的天線和無線網卡等[5]。智能項圈上的數據采集模塊內置SIM卡，從中央處理模塊上傳及下載信息，實現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AC/DC 轉換，獲得12V 或6V 電壓給系統進行供電。本體采用卡扣連接，卡扣閉合處設置電源開關，通過卡扣閉合實現供電模塊開啟。

2 外置配置

2.1 物聯網平臺

物聯網平臺采用阿里云Iot 物聯網平臺，因為阿里云物聯網平臺能為設備提供安全可靠的連接通信能力，向下連接海量設備，支撐設備數據采集上云；向上提供云端 API，服務端通過調用云端 API 將指令下發至設備端，實現遠程控制[6]。可接入各種主流協議的設備，管理運維億級并發規模的設備，處理分析EB 量級的設備數據，提供7×24 小時的安全風險檢測和預警。

2.2 數據庫

數據庫采用SQLite 數據庫，它是一個進程內的輕量級嵌入式數據庫。SQLite 數據庫就是一個文件，實現了自給自足、無服務器、零配置的、事務性的SQL 數據庫引擎。所以，SQLite 不需要在系統中進行配置，直接可以使用。且SQLite 不是一個獨立的進程，可以按應用程序需求進行靜態或動態連接。 SQLite 可以直接訪問存儲文件。資源占用率非常低，在嵌入式設備中，一般只需要幾百K 的內存就夠了。能夠支持Windows/Linux/Unix 等等主流的操作系統，同時能夠跟很多程序語言相結合，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備APP，APP 目前廣泛應用于各種移動終端。它之所以受大眾青睞，原因在于它可以實現完整功能，靈活性強。界面內容豐富，運轉速度快，系統流暢。各種功能更加細化、個性化和功能化。在對于網絡安全愈發重視的現在，其安全性能得到很大的保障。

3 整體設計

3.1 工作原理

本智能項圈系統由移動端、阿里云Iot 物聯網平臺、中央處理模塊、人臉識別模塊、室內外定位模塊、健康指標監測模塊、TTS 語音交互模塊和電池模塊構成。移動端主要功能是顯示中央處理模塊上傳的數據，并進行人臉信息的錄入，系統使用的日志記錄，從而幫助患者親屬更好地了解患者情況。阿里云Iot 物聯網平臺主要功能是對移動端的數據進行云備份，同時對數據進行分析，即時反饋給APP。中央處理模塊主要功能是實現對各功能模塊的控制與判斷，并通過數據采集模塊獲取人臉識別模塊、室內外定位模塊、健康指標監測模塊和電池模塊的數據，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不同環境下的人臉識別。健康監測模塊主要是監測患者的心率、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相關指標的測量。室內外定位模塊主要功能是在對室外的患者進行定位，對室內的藥物進行定位。前者通過GPS 技術得以實現，后者則通過RFID技術進行實現。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，并將電量信息反饋給數據采集模塊。各功能模塊相互配合，各司其職就實現了完整的系統功能。

3.2 實驗結果驗證

系統基本功能開發完成后，針對系統的主要功能，進行了功能測試，經過測試主要的功能能夠達到設計之初的預期。各項功能測試用例如表1 所示。

表1 系統測試用例表

4 具體技術方案

如圖1 和圖2 所示的智能項圈，包括內置裝置和外置配置。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，播放相關信息等；與TTS 語音交互模塊4 連接的健康指標數據檢測模塊5 能夠對患者生命體征進行檢測，便于監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送至移動控制端；RFID 模塊7 對應貼在藥物上的標簽，利用RFID 技術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 還有共電路連接數據采集模塊6，內置SIM 卡，實現與終端的數據傳輸；在項圈遠端尾部位置采用卡扣9 連接，正常使用時，可以通過調整卡扣來調整項圈大小，不會對患者頸部造成壓迫感，卡扣閉合處設置電源開關，通過卡扣閉合實現供電模塊8 開啟。項圈所有模塊均通過電路板實現電路連接，均采用現有技術。項圈表層采用柔軟、防水性好、無害的TPE 材料包裹。

圖1 智能項圈實體結構圖

圖2 整體設計框架圖

圖3 系統流程圖

圖4 智能項圈模塊連接圖

使用本發明裝置前，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，并通過與后臺數據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，利用實現人臉識別技術精準識別出家人信息，與TTS 語音交互模塊4 協同工作，芯片內部的語音編解碼模塊把采集到的音頻數據進行編碼并通過UART 接口實時傳送給上位機，或者對上位機傳送來的音頻數據進行解碼并實時播放出來，播放出所識別人物的相關信息，幫助喚醒AD 患者記憶。

對于患者而言，在室外活動時，會出現迷路，走失的問題，在項圈中的室內外定位模塊包括GPS 定位模塊3 和RFID 模塊7。所述GPS 定位模塊3 利用GPS+LSB 基站衛星定位技術進行實時精準室外定位，將位置信息由中央處理模塊2 發送至移動控制端，實時監測患者行蹤，利用電子圍欄技術，將根據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 對應貼于藥物上的標簽，利用RFID技術識別并提醒患者藥物位置，并與TTS 語音交互模塊4 協同工作，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。

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

針對使用者外出時經常忘記攜帶手機、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上新增了范圍內定位檢測，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置固定范圍，采用室內定位技術可以精確達到10 ～20cm 范圍內，可有效防止佩戴者移動超過設置范圍。在一定可允許誤差范圍內，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 結束語

隨著計算機技術和通信技術的發展，物聯網技術的發展日新月異，在越來越多的行業中充當著重要的角色，為傳統產業轉型升級，提供強大的技術支持。本文提出的智能項圈是物聯網技術在醫療器械行業發展的一個縮影，應用先進的物聯網技術解決人們生活中的各種現實問題，使人們的生活向著更加智能化，多樣化，舒適化的方向發展。本文提到的智能項圈，我們在實現其系統功能后，對各功能模塊進行了測試用例，測試結果符合預期。在之后的工作中，我們會逐步完善系統，使其發揮應有的價值。