1前言
国外智能住宅的概念始于19世纪70年代[1]0指通过标准规范的通讯设施和接口协议整合住宅内部的自动化设备9组成家庭智能网络[2]0在早期的发展过程中9它的应用主要集中在家务自动化\通讯\控制等9主要目的是提高家居生活舒适性\节能\安全保障[3]0随着远程医疗服务的兴起9远程健康逐渐被世界卫生组织接受作为一个G为所有人提供健康服务(HeaIth for aII)!的重要工具[4]9智能住宅的概念出现新的发展9逐渐融入远程医疗和远程监护的新理念0因此从19世纪90年代开始该领域又兴起了一个非常重要的研究方向:基于家庭的远程健康监护0国外也有相关文献将之称为G健康智能住宅!(HeaIth Smart Home)0
发展这种健康智能住宅的目的之一是为了使患有慢性疾病的老年人群9在家居环境下身体健康状况也能得到良好的监护[5]0目前不管是在发达国家还是发展中国家9由于平均寿命的增长和人口出生率的下降9均面临着越来越严重的人口老龄化问题0如中国现有人口13亿左右9其中60岁以上老年人口已达1.32亿9并且每年以3.2%的速度在增加3中国香港地区9在总共670万人口中9有11%以上的人口年龄超过了65岁[6]3在美国92000年的统计数据表明总共有17%的人口年龄超过65岁9和20年前相比这个数字增长了25%[7]3而在日本9将有25%的人口9年龄超过65岁[8]0老年人由于各项生理机能退化9健康状况普遍不佳9同时往往身患一种或多种慢性疾病(如:糖尿病等)0他们消耗大量医疗资源9如:根据美国佛罗里达州和西印度群岛东部的退伍军人健康管理中心的统计数据表明9大约4%的用户消耗了总共41%的医疗资源9而这一小部分用户基本都患有慢性疾病或身带残疾[9]0一份来自英国审计委员会报告指出有一半以上的医院床位被年满75岁以上的老人所占据9而这一部分人群本应在他们自己的家里接受照顾[5]0
世界各国均在积极探求一种新的健康服务模式9提供更高质量\更可靠\更容易被接受且成本低廉的健康服务0基于家庭的远程健康监护9即在此环境下出现0
2家庭远程健康监护系统的概况
2.1体系结构
系统体系结构可以概括为[4910]:通过布置在住宅内的各种自动化仪器和传感器9监测用户健康相关各项参数0家庭智能监护单元对这些数据进行自动分析处理9危急或可疑情况检测3同时和社区健康监护中心保持联系0社区健康监护中心确保能对危急情况做出实时响应9并可通过网络将监护对象的资料提供给相关医院及授权用户(如:医护人员\其他家庭成员
基于家庭的远程健康监护系统进展
邹焱飚谢存禧
华南理工大学机械工程学院1广州510640
摘要该文介绍了基于家庭的远程健康监护系统的概念\历史\及现状O从早期的传统社区报警系统开始逐渐融入了远程医疗的概念1形成了融合生理参数监测的社区报警系统9为实现家居环境下监护长期性\连续性1不断吸收先进传感器\网络\信息技术的最新研究成果1出现基于家庭的智能健康监护系统的研究O同时提出在具体实施时1客户端配备适当设备1减轻护理压力9基于HeaIth LeveI7标准实现系统和现有以医院为核心的健康服务体系整合9系统软件设计不依赖于具体硬件的运行框架1具备有良好的伸缩性O
关键词社区报警人口老龄化生理参数监测智能监护
文章编号1002-8331-200510-0030-05文献标识码A中图分类号TP18
Development in Home Heath Telemonitoring System
Zou Yanbiao Xie Cunxi
(Dept.of MechanicaI Engineering9South China Univ.of Tech.9Guangzhou510640) Abstract:The concept9history9actuaIity of Home HeaIth TeIemonitoring System(HHTS)is introduced.with the deveIop-ment of community aIarm system9some thoughts of teIemedicine have been fused graduaIIy.The teIemonitoring of vitaI signs has been integrated into the community system.Current researches focus on the adoption of the newest achieve-ments of advanced sensor9network9information technoIogy for the Iong-term9continuousIy monitoring at home.it is caIIed inteIIigent HHTS.Some opinions are proposed for the impIement of HHTS.firstIy9some devices need to be offered for aI-Ieviating the heaIthcare pressure in cIient3secondIy9for being integrated into existing hospitaI-center heaIthcare systems9 the HHTS wiII be impIemented based on HeaIth LeveI7standards3and thirdIy9the scaIabIe software architecture wiII be adopted independent of the hardware infrastructure.
Keywords:community aIarm9aging of popuIation9monitoring of vitaI signs9inteIIigent monitoring
基金项目!广东省科技攻关项目(编号:2004B10201010)
作者简介!邹焱飚9博士研究生0谢存禧9教授9博士生导师0
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2005.10计算机工程与应用
等)9整个体系结构如图1\图2所示0
2.2接受程度
在基于家庭的健康监护系统发展过程中不断地融入了智能传感器网络\信息等新技术9相对于传统以医院为中心的健康服务形成巨大的反差0而作为主要用户9老年人群或重残疾人群对于新事物的接受能力相对较差0因此他们是否能够接受这种变化是获得成功的前提0
Penny Jennett等[11]提出一个框架9用于调查对远程健康服务的接受程度0接受主体分为四类:用户参与者(如护士医生志愿者等) 组织公众0同时认可的程度也分为4类:(1)非常认可0对远程健康服务有真正的需求9并且现存体系不满0 (2)参加0意识到自己需要成为远程健康服务的成员9但是未能充分认识到远程健康应用的潜力0(3)结构上的认可0要求一个有效体系结构来支持远程健康应用0(4)不认可0
M A Hebert等[12]对位于加拿大亚阿尔伯达省的卡尔加里健康中心作了一项关于人们对家庭远程健康服务系统认可程度的研究0卡尔加里健康中心在1998-1999年期间为大约2000名成年糖尿病患者提供家庭护理服务0调查的范围涉及用户护士医生管理人员0结果显示:用户和管理人员认可程度较高0他们认为这主要源于该项服务可以提高生活独立性和为管理人员带来潜在的经济效益0
GEORGE DEMIRIS等[13]研究了用户在参加家庭远程监护系统前后的感受0实验对象均为老年患者9分为两组0第一组共有11人9接受传统护理方法;第二组共有17人9除了传统护理外9他们还接受基于视频会议家庭远程护理0实验结束后9两组人均填写一份由明尼苏达州大学拟定的关于家庭远程医疗接受程度调查问卷9共有17项问题9每一项5分0实验结果显示第二组的平均分数比第一组高6.2410表明老年患者对于家庭远程监护是认可的9他们相信护士能够通过网络了解他们健康问题0
2.3价值分析
基于家庭的远程健康监护系统是一个复杂的分布式应用系统9需要社会健康服务供应商用户在软硬件上的大量投入9如监护仪器网络设施维护费用等0系统运行之后是否能产生预期效果9这无疑是非常值得关注的0
ScaIvini S等[14]研究对慢性心脏疾病患者采用基于家庭的远程心电监护的可行性0实验对象共74名9实验设备采用单导联的心电监护仪0实验对象按时将心电数据通过电话线传到服务中心;中心工作人员提供分析数据远程咨询服务0实验持续了307天0在实验的前一年9平均每个实验对象有1.8次的住院次数;而实验的这一年中仅有0.2次0由此可见9此系统对于降低慢性心脏疾病患者的住院次数有明显作用0MaiOIO C等[15]研究了对严重呼吸疾病患者提供远程监护服务的可行性0实验对象共有30名9实验分为两个阶段9为期两年0第一阶段通过医生上门拜访来对病人进行观察和治疗0第二阶段对病人在家进行远程监护9一周测量2次血氧饱和度和心率9数据通过电话线自动传送到医院处理中心0相对于第一阶段9在远程监护阶段住院和病情恶化的次数分别降低了50%和55%;估计住院治疗的费用降低了17%0
BrOWnseII SJ等[16]对家庭远程监护系统经济性进行理论分析0得出结论:所有的投资可能在10年后收回9最明显的效果来自于住院和护理费用的减少0同时主要收益方分别为当地物业管理部门国家健康服务部门和健康服务供应方带来经济效益;各自所占的比例分别为4%43%53%0Masatsugu Tsuji 等[17]预测未来的家庭远程监护对于减少老年人住院费用的影响0研究内容主要包括未来老年人口数量相应住院费用增长的趋势9和新技术的发展0结果显示到了2050年9家庭远程监护将为日本节约257.3亿美元的费用9接近老年人总医疗费用的7.4%0
上述研究成果显示9家庭远程健康监护系统基于提高家居生活独立性和生活质量9容易被用户接受0同时它又是一个投资很大的工程9成本回收周期较长9但是从长远看在降低住院率减少住院时间9减少医疗费用等方面将产生丰厚回报0
3家庭远程健康监护的发展历史
3.1社区报警系统
社区报警系统提供一种报警的方式如:按动一个小的便携式报警开关9使用户在危急情况下(如:生病跌倒发生火灾等)能跟控制中心取得联系9中心工作人员和请求者沟通后9做出响应[18]0控制中心建有自己的服务体系9并存储所有用户的资料9而且24小时提供服务0Gareth WiIIiams等[19]称它为第一代家庭远程监护系统0
目前这类系统技术上已经非常成熟9也有很多成功的应用0如:社区报警服务在英国已经出现将近40年9为超过1百万以上的用户提供服务[20]9并且世界上可能有将近500万用户[21]0
这一代系统的特点是报警信号都是由用户主动发起9它仅在用户能够识别危急情况并且有能力连续按动报警开关的情况下有效[22]0然而对于某些生理机能退化的老年人群9他们往往无法对危急情况做出准确判断9发出报警信号;从另一方面如Ohta S等[8]指出由于这种系统授予了用户更大的权限9因而他们有可能对许多不重要的事情发出报警信号9同时由于缺乏足够的家庭监护服务9日本许多地方限制了这种系统作为真正危急情况使用0因此在这两方面来说9有一定的局限性0
图1健康智能住宅
图2基于家庭的远程健康监护系统
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计算机工程与应用2005.10
3.2融合了生理参数监护的社区报警系统
远程医疗在19世纪80年代得到了飞速的发展它的出现主要是为了解决不断增加的医疗费用问题和为所有人无论地域\种族\性别提供获得医疗资源的公平机会[23]O老年人群对医疗资源需求极大同时他们又是社区报警系统的主要用户因此远程医疗的一些内容逐渐融入出现了融合生理参数监护的社区报警系统O在用户端增加生理参数监测仪器可在需要时监测各项生理参数(如:血压\心率\心电信号等) 结果通过传统社区报警系统网络传送到服务中心由专业人员诊断后并做出反馈O Doughty等[24]把它称为第二代家庭远程监护系统O 在此首先值得一提的航天医学的发展O从20世纪60年代开始人类开始了太空探索的历程O水星计划[25]是美国第一个载人航天计划在开始阶段研究人员无法确定人类能否在失重情况下生存和高效工作O因此通过宇航服上的生物遥感传感器实时监测宇航员的生理参数地面的研究人员通过分析这些数据并和宇航员之间保持语音联系时刻关注宇航员的身体状况变化O虽然航天项目在传感器选择\数据传输方式\数据的处理方法上和家庭远程监护系统存在很大差异但是整个系统的体系结构是基本一致的O这些成功的航天项目对于家庭监护系统的设计有重要的参照作用基本形成第二代家庭远程监护系统的原型O
这一代系统典型的应用如:由美国退伍军人管理局资助的农村家庭远程监护项目此项目从2000年4月开始运行O目的是为患有慢性疾病或有残疾的退伍军人提供基于家庭的远程健康服务降低他们的住院率和临床治疗费用O它的服务范围覆盖了南乔治亚州的19个县和北佛罗里达州的37个县O此系统的特点根据不同护理对象的需求配备不同的家庭监护设备如:Aviva1010SLX生理参数监护仪\远程护理的声频视频设备等O所有的监护数据通过电话线传送到服务中心服务中心做出诊断后提供上门访问等服务O
这一代系统的特点包括如下几个方面:(1)所采用的生理参数监护仪基本上是以医院中监护单元中使用的监护仪为原型并作相应的改进:增加网络通讯接口简化功能使得系统便于操作及降低成本O如:Scaivini S等[14]就采用一个单导联的心电信号监护仪为患有慢性心脏疾病的人群提供家庭远程监护O(2)这种系统并非是一个完全自动化的系统要求使用者掌握一定的仪器使用技巧同时数据的分析和处理基本上都是由受过专业训练的人员完成O(3)监护过程并非连续只能在规定的时间或者首先由用户提出服务中心响应之后开始(如当用户觉得身体不适时提出检查要求)O
第一代系统由于便于安装\操作\及维护费用较低已经有很广泛的应用O第二代系统由于引入远程医疗的理念实现人体生理参数远程监测在保障老年人群的健康\减少在住宅和医院之间的奔波\降低住院时间及次数等方面起了非常明显的效果O但是显然它未能实现监测过程完全自动化需要较多的人工干预O
4基于家庭的智能健康监护系统
4.1监护长期性!连续性
在日常生活中长期连续生理参数监护对于健康有非常重大的意义O如:大病初愈的用户可以观察到手术和治疗的效果;患有慢性疾病的用户可以观察到病情的变化并及时采取措施;对于健康用户则可以及时的发现身体状况偶然或缓慢的变化并及时采取相应的预防保健措施O
中国医师协会的统计数据表明我国目前真正生病的人数占15%真正健康的人也只占15%70%的人都处于亚健康状态O对于亚健康人群进行及时的防治不发展成大病关键是及时的进行各项检查家居生活中的连续监护为此提供了一个重要的手段O
据中国零点调查公司最新统计资料显示目前我国城市空巢老人家庭已占整个老人家庭的40%;到2005年中国老年空巢家庭将占老年家庭的一半以上O如何保证他们家居生活的健康提高生活质量减少护理费用是一个非常值得关注的问题O目前出现一种新的监护方式的出现:生活规律的长期监护O 对用户在住宅内部各个居室之间的移动规律\在每个居室的停留时间进行长期测量记录并且根据相应历史数据的统计分布规律判断当前状况是否正常O
4.2监护技术的发展
随着先进传感技术\无线通讯技术的发展以ICUS和CCUS为代表医疗监护技术又得到新的发展O涌现出了一批无创\轻便\带网络接口的先进监护设备和中央监护系统O如:西门子公司的SC6002XL便携式床旁监护仪可监测心电图\呼吸\体温\NBP\SP02\1IBP\脉搏等参数并带有标准化的网络接口;可以和西门子公司的INFiNITY网络组建中央监护系统网络内可支持共1024个床旁设备实现信息的远程观测;美国MDE公司的MDE-20413M型MDE彩色床边监护仪最多可同时监测十一项生命体征参数;可外接多功能发射盒通过先进的无线遥测技术与MDE-20500无线遥测监护网络中央站组成中央监护系统;相似的系统还有美国通用电器公司的DASH 2000Pro和DASH3000Pro便携式生理监护仪\ApexPro TM 遥测系统O相关产品的出现使得在监护网络中病人和监护设备的移动性都增强了O这些医疗监护技术上的进展推动了智能健康监护系统的研究O
为了实现长期\连续测量采用的传感器主要有:(1)可穿戴型指将传感器做成戒指\手表\或其它便于随身携带形状并通过无线局域网构成家庭监护系统;(2)嵌入环境型指将传感器嵌入其他家庭设施内如安装在房间内的红外线位置传感器采用遥感技术监测用户在室内移动情况\布置在浴缸内的心电信号传感器采用水作为信号传导工具O目前这两种类型各有优缺点可穿戴型如何解决长期电源供应问题\环境型要解决被监测对象身份辨识问题O
4.3基于生理参数监测的监护系统
Sokwoo Rhee等报道一个基于血氧饱和度监测的监护系统O监测装置是一个可以随时戴在手上的环状传感器O监测数据通过无线通讯线路传送到计算机进行分析O分析主要内容是通过血氧饱和度来诊断心血管状态O由于此系统对使用者的日常生活影响很少可以作为24小时的连续监护O
Barro S等研制了SUTIL-Home心电信号监护系统O监测装置采用Mortara公司的X-12生理参数监护仪O X-12质量轻\体积小适用于使用者随身配带O主要功能是心电信号监测并可将测量数据通过无线通讯线路传输到SUTIL-Home监护系统进行心电信号分析(如:参数提取\波形分析)O Korhonen I等开发了一个健康监护系统O此系统基于家庭环境允许对健康相关的生理参数进行持续几周甚至几个月的
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2005.10计算机工程与应用
监测O监测内容包括心率\脉率\血压\体重\体温\呼吸\心电信号\睡眠状态等O监测过程完全融入用户日常生活中操作简单\可靠O如Z采用SCSB生理参数监护仪监测心电\呼吸信号传感器通过一种特殊的泡沫床垫布置在床上整个测量过程完全自动化不需要任何生物电极和用户接触监测数据由串行接口传输到计算机处理O
Tamura T等构建了一个家庭监护实验系统为老年和残疾人群提供带有身份识别\全自动生理参数监测系统监测的内容包括心电信号\体重等O监测系统过程对用户的日常生活毫无影响O如Z布置在浴缸上的电极通过水的传导作用获得人体心电信号无需任何电极和人体表面直接接触监测可以在沐浴过程中自动完成O监测完成之后监测数据自动被传送到数据终端存储和进一步分析O
4.4基于生活规律监测的监护系统
生活规律监测是现在家庭远程监护系统中正在兴起的一个新的热点应用对象主要是独居的老年人群O目前许多学者和企业(如Z美国通用电器公司>致力于这项研究构建了若干实验系统[8]O生活规律监测的主要内容是Z(1>监护对象在各个居室(卧室\厨房\客厅\卫生间等>活动规律如Z进出卫生间的次数;b\在各个居室内的停留时间如Z在卧室所呆的时间O研究显示Z绝大部分监护对象正常情况下在每天内上述两种数据基本是不变的[8];同时不同对象之间又存在较大的差异O根据每天的这两种统计数据虽然无法实时地辨识出生病或者受伤但是它有可能将正常和非正常的日子区分出来[8]O Giascock AP等于1993年提出关于生活规律监测的设想O 硬件系统是由计算机控制的传感器网络用软件对用户每天24小时的活动规律进行跟踪O如下5种活动被记录Z服药\起床\使用火炉\家用电器的开关O这在1997年于美国获得专利O Banerjee S等开发了一个基于被动红外传感器的全自动监护系统O实验室布置8个传感器当实验对象在室内移动时传感器被激发开始计数;同时数据被自动传递到计算机O实验共进行97个晚上系统共纪录了1450组数据;相对于人工数据记录误差仅为0.6%O实验结果表明此系统完全有能力监测到室内的活动O
Ohta S等[8]开发了一套健康监护系统O通过布置在每个房间内部的红外线传感器对监护对象在住宅内部的活动规律进行监测O由于系统对日常生活没有任何影响所以能实现长期连续监护O采用统计学的方法对连续监测获得的大量数据进行分析正常或者非正常的情况均以监护对象各自的历史数据为基准O
智能健康监护系统要实现监护过程长期性\连续性相对而言这具有很大的挑战性O(1>在监护方式上有新的要求O由于是在日常生活中进行长期连续进行因此监护的过程就不能影响用户的日常生活或尽量降低影响的程度(如Z不能限制使用者的移动> 并要求监护过程完全自动化尽量融入日常生活中O(2>在传感器数据处理方面也提出了新的要求O长期连续的监护所获得的数据量非常巨大要从这海量数据中发现有价值的\规律性的内容依靠人工是很难甚至无法完成O目前统计学\数据挖掘\人工神经网络\数字信号处理等方法在此均有应用O
5结论
基于家庭的远程监护系统的发展产生了多方面的效益O对于社会和家庭可以缓解由于老年人口比重增加带来的医疗卫生资源紧张局面;对于老年人群本身在家庭这种温馨熟悉的环境下接受护理将有利于生活质量提高及有助于身体康复O 目前相关研究的主要内容主要集中在相关参数监测上对于如何减轻护理方面压力较少提及O Tinker提出大约5%的老年人需要普通病房监护这在治疗费用中占了很大的比重;而这种监护方式可以很容易由家庭远程监护系统来完成O为此需要在客户端配备相应的设备来实现部分护理功能O笔者开发多功能护理床是为了解决老年人和残疾人的保健\和医护问题的新产品利用机器人多轴控制技术在可编程逻辑控制器的协调控制下相互协调配合共同完成不同的体位如Z平躺\抬背\屈腿\坐姿\翻身等动作O再配上相应生理参数监护仪可构成家庭护理病房;以此为基点通过网络可建立起一套面向家庭的社区医护系统提供报警和咨询等服务O
Scott RE等提出远程健康应融入现存的健康服务体系中O 从家庭远程健康监护系统的历史看它是以社区报警系统为基础逐步融入健康相关参数监护发展而来的基本是以社区为中心O而现在的健康服务体系基本上是以医院为中心O要将家庭监护系统融入现存的健康服务体系首先要解决的问题是实现这两个异构系统之间信息的交互问题O Heaith Levei Seven (HL7>是由美国国家标准局(ANSI>授权的标准开发机构Heaith Levei Seven Inc.研究开发的它是卫生保健环境下临床和管理电子数据交换的一种标准O目的是为支持临床医护和医疗保健机构的管理\传输\评估提供数据交换\管理\整合的标准O因此基于HL7构建家庭远程监护系统将有助于实现它和现有的健康服务体系融合O
基于家庭的远程健康监护系统的对象是身体状况不同\需求各异的主体如Z对于慢性心脏病患者希望进行心电信号监护;对于高血压患者希望进行血压监护等等O如果仅提供统一的硬件平台配置如Z提供多参数生理参数监护仪将使成本过高而用户无法接受理想的模式是采用用户定制(参考医生意见的前提下>的硬件配置方案O因此在软件系统设计时应建立不依赖于具体硬件的运行框架具备有良好的可扩充性和伸缩性O(收稿日期Z2005年1月>
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计算机工程与应用2005.10
2005.l0计算机工程与应用
搜索次数和人均搜索次数的增加 增加的幅度大小处于服务提供者增加幅度的中游O
ll 所有客户及服务提供者的Agent 数量同时增加 总的搜索次数会增加 但是人均搜索次数会减少O
结论四 客户和服务提供者Agent 数量单独增加 会引起总的搜索次数和人均搜索次数的增加 且增加的幅度与各服务提供者到服务分支点的距离基本成正比O
结论五 所有人的Agent 同时增加 反而会减少人均搜索次数O 这与图2中所有人的Agent 数量增加会降低构建最优
SSC 的概率是一对矛盾O
6结束语
在internet 中 客户及服务提供者通过各自的移动Agent
搜索并发现服务O 服务提供者之间彼此分工合作 将客户的需求进行分解 并逐一响应完成 从而构建服务供应链O 这是最终目的O 该文在简单战略的条件下 对通过Agent 搜索来构建服务供应链的过程进行了实验仿真 为今后深入的研究打下了基础O 今后研究工作的重点和方向会围绕复杂的搜索策略及服务关系 以及如何解决Agent 的数量增加对减少人均搜索次数和降低最优概率的矛盾等问题O 收稿日期 2005年2月
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图4
构建最优SSC 的Agent 平均搜索次数对比图
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基于家庭的远程健康监护系统进展
作者：邹焱飚， 谢存禧， Zou Yanbiao， Xie Cunxi
作者单位：华南理工大学机械工程学院,广州,510640
刊名：
计算机工程与应用
英文刊名：COMPUTER ENGINEERING AND APPLICATIONS
年，卷(期)：2005,41(10)
被引用次数：15次
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16.蒋贤海.谢存禧.邹焱飚远程健康监护系统及生理参数小波分析[期刊论文]-计算机工程与应用 2011(22)本文链接：https://www.doczj.com/doc/27699444.html,/Periodical_jsjgcyyy200510010.aspx