基于Android的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控告警系統(tǒng)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種基于Android的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控告警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)Android智能手機(jī)的傳感器收集被監(jiān)護(hù)者的基本狀態(tài)信息，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將該信息發(fā)送到信息分析處理與告警服務(wù)，服務(wù)器再通過(guò)分析得出被監(jiān)護(hù)者當(dāng)前的實(shí)際狀態(tài)，依據(jù)實(shí)際狀態(tài)發(fā)出相應(yīng)的告警通知，從而對(duì)被監(jiān)護(hù)者進(jìn)行長(zhǎng)期的，實(shí)時(shí)的，高效的醫(yī)療監(jiān)護(hù)。

關(guān)鍵詞：Android；傳感器；狀態(tài)分析；告警通知

中圖分類號(hào)：TP399

最近幾年，在全球范圍內(nèi)，包括我國(guó)在內(nèi)的工業(yè)化國(guó)家的老年人口在不斷增加，人口老齡化的問(wèn)題日益凸顯。隨之而來(lái)的則是老年人的健康與福利問(wèn)題，關(guān)節(jié)炎，高血壓，肺疾病，糖尿病，癌癥，骨質(zhì)疏松癥等疾病在老年人中的發(fā)病率很高，而這些疾病基本都是一些慢性疾病，我們無(wú)法通過(guò)一些常規(guī)手段，如藥物，手術(shù)等來(lái)畢其功于一役，往往要慢慢來(lái)，這就要求在護(hù)理管理模式的轉(zhuǎn)變。因此，我們需要找到一種長(zhǎng)期，有效，可持續(xù)的方法來(lái)對(duì)患者進(jìn)行護(hù)理與治療。

1 傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)控技術(shù)的不足

隨著通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展， 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)技術(shù)的研究取得了很多成果。但在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)病人的長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)控依然難以普及，其核心問(wèn)題主要集中于終端部分還存在很多需要克服的困難。而這些困難主要包括監(jiān)測(cè)不能長(zhǎng)期連續(xù)、監(jiān)測(cè)設(shè)備不夠小巧、不便于攜帶、監(jiān)測(cè)設(shè)備不便于移動(dòng)和病人使用不方便等。Android智能手機(jī)則很好的克服了這些困難。作為一部移動(dòng)通訊設(shè)備，android手機(jī)一般都比較小巧，便于攜帶，而它的操作界面也普遍是觸屏式的，操作起來(lái)非常簡(jiǎn)單，非常適合老人使用。Android還具有多種傳感器，能夠更好，更準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)病人的狀態(tài)，它的通訊方式也非常豐富，如wifi、藍(lán)牙、GPRS等，與服務(wù)器的連接通訊也能夠更加的快捷，通暢等優(yōu)點(diǎn)。

2 相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀

佛羅倫薩大學(xué)的高級(jí)研究員帕加內(nèi)利博士的《基于本體的環(huán)境感知系統(tǒng)和配置的服務(wù)，以支持家庭為基礎(chǔ)的持續(xù)護(hù)理》一文中指出，慢性病長(zhǎng)期護(hù)理模式不是以幾個(gè)家庭為基礎(chǔ)的護(hù)理技術(shù)，而是依靠不同的社會(huì)成員，如醫(yī)院，病人親屬，社會(huì)團(tuán)體成員，在援助服務(wù)上有明確分工和密切合作，進(jìn)而達(dá)到良好的效果。帕加內(nèi)利博士設(shè)計(jì)了一個(gè)可擴(kuò)展的基于本體的上下文模型建模的健康和家庭的環(huán)境條件下，報(bào)警管理政策，以及社會(huì)背景并且設(shè)計(jì)和執(zhí)行上下文管理系統(tǒng)和病人援助和連續(xù)保健網(wǎng)絡(luò)支持上下文感知的服務(wù)平臺(tái)，非常有針對(duì)性。

上海交通大學(xué)圖像處理與模式識(shí)別研究所的楊杰，周小四，沈利的《家庭遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)報(bào)警和咨詢智能系統(tǒng)》一文中介紹了家庭遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)和咨詢智能系統(tǒng)， 它綜合運(yùn)用數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘、小波分析、模式識(shí)別、人工智能等技術(shù)， 能自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)分析和異常情況識(shí)別及網(wǎng)絡(luò)報(bào)警、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)診斷。給出了系統(tǒng)的硬件組成框圖、家庭端軟件結(jié)構(gòu)組成框圖、醫(yī)療監(jiān)護(hù)中心端軟件結(jié)構(gòu)組成框圖，結(jié)合了多種前沿技術(shù)。

針對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)控技術(shù)的不足和分析前人對(duì)該方向的相關(guān)研究成果，本文設(shè)計(jì)了一種基于Android的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控告警系統(tǒng)，能對(duì)被監(jiān)護(hù)者進(jìn)行長(zhǎng)期的，實(shí)時(shí)的，高效的監(jiān)護(hù)。

3 長(zhǎng)期遠(yuǎn)程護(hù)理模型

慢性疾病的治療需要持續(xù)和長(zhǎng)期的援助服務(wù)。為了達(dá)到這個(gè)目的，慢性疾病的長(zhǎng)期遠(yuǎn)程護(hù)理模型是最近國(guó)內(nèi)外火熱的一個(gè)話題。第一個(gè)例子CCM模型，是在美國(guó)開(kāi)發(fā)的一個(gè)以概念性的證據(jù)為基礎(chǔ)的框架。最近，世界衛(wèi)生組織（WHO）已經(jīng)提出新的慢性疾病護(hù)理（ICCC）框架，它將CCM擴(kuò)展到國(guó)際社會(huì)。

長(zhǎng)期護(hù)理模型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)主要是在社區(qū)和病人之間。這種模型強(qiáng)調(diào)監(jiān)護(hù)護(hù)理的長(zhǎng)期性、持續(xù)性和效率性。這個(gè)模型需要一個(gè)有組織的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，而這個(gè)系統(tǒng)是建立在不同社會(huì)成員合作的基礎(chǔ)上的。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的成員，通常情況下有，病人，家屬，醫(yī)療人員（例如，醫(yī)師，全科醫(yī)生，護(hù)士等），社會(huì)人員（例如，社會(huì)工作者和志愿者）。這些成員在系統(tǒng)中有不同的身份，不同的分工，但是主要目的都是使被監(jiān)護(hù)人，即病人能夠得到更好的監(jiān)護(hù)。

以此長(zhǎng)期護(hù)理模型而開(kāi)發(fā)出的應(yīng)用，應(yīng)當(dāng)擁有以下三種特點(diǎn)：（1）個(gè)性化，作為診斷和治療的決定應(yīng)調(diào)整的個(gè)人規(guī)范；（2）實(shí)時(shí)化，指的是一個(gè)可互操作的平臺(tái)訪問(wèn)，隨時(shí)隨地的溝通健康信息和知識(shí)；（3）單獨(dú)化，代表由患者的個(gè)人需求來(lái)匹配他的健康管理服務(wù)。

4 遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控告警系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于Android的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控告警系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖中我們可以很明顯的看到該系統(tǒng)主要分為2個(gè)子系統(tǒng)。包括基本信息收集與發(fā)送系統(tǒng)、信息分析處理與告警系統(tǒng)。

圖1 基于Android的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控告警系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基本信息收集與發(fā)送系統(tǒng)主要是通過(guò)android系統(tǒng)所支持的傳感器采集被監(jiān)護(hù)人所處的環(huán)境信息，并發(fā)送給信息分析處理與告警系統(tǒng)。主要包括5個(gè)功能：用戶信息注冊(cè)，傳感器設(shè)置，撞擊狀態(tài)信息收集，跌倒?fàn)顟B(tài)信息收集，基本信息發(fā)送。

信息分析處理與告警系統(tǒng)主要是作為服務(wù)接受手機(jī)端發(fā)送來(lái)的基本信息，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)中管理的被監(jiān)護(hù)人信息，分析出當(dāng)前被監(jiān)護(hù)人所處的環(huán)境，如是否遭受撞擊或者跌倒，根據(jù)分析結(jié)果有針對(duì)性的發(fā)出告警信息。

5 基本信息收集與發(fā)送

基本信息收集與發(fā)送系統(tǒng)是在Android手機(jī)端運(yùn)行的，因此對(duì)于這一部分的設(shè)計(jì)要符合手機(jī)的操作習(xí)慣。

5.1 操作界面設(shè)計(jì)

手機(jī)屏幕一般不大，對(duì)于界面的設(shè)計(jì)，我們不能將所有功能全部放在一個(gè)界面上，如果這樣做的話，界面將會(huì)顯的十分擁擠，而且字和圖畫(huà)也會(huì)比較小，非常不利于用戶操作，尤其是老年人的操作。所以本文設(shè)計(jì)多個(gè)對(duì)話框來(lái)實(shí)現(xiàn)所有功能，這樣所有功能就會(huì)比較平均的分布在各個(gè)界面上，并且對(duì)話框之間的切換也會(huì)表現(xiàn)的更有層次感和步驟性，更加便于用戶的操作。

本系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)框架如圖2所示，將主要功能合理的放置在各個(gè)界面中，在開(kāi)始界面中設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接以及用戶的注冊(cè)和登錄，當(dāng)用戶登錄以后跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)的功能主界面，來(lái)選擇不同的功能，如檢測(cè)本機(jī)傳感器，設(shè)置用戶信息，撞擊檢測(cè)和跌倒檢測(cè)等。

圖2 手機(jī)界面操作流程

5.2 基于傳感器的基本信息收集

本文所設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控告警系統(tǒng)主要是針對(duì)被監(jiān)控對(duì)象發(fā)生跌倒或遭受劇烈撞擊。主要使用到加速度傳感器和方向傳感器。手機(jī)定時(shí)將收集到的加速度信息和傳感器信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息分析處理與告警系統(tǒng)。

振動(dòng)檢測(cè)主要使用加速度傳感器。Android加速度傳感器的類型是Sensor.TYPE_ACCELEROMETER，通過(guò)Android.hardware.SensorEvent返回加速度傳感器值。

加速度傳感器返回值的單位是加速度的單位m/s^2（米每二次方秒），有三個(gè)方向的值分別是values[0]：x-axis方向加速度；values[1]：y-axis方向加速度；values[2]：z-axis方向加速度。

其中x，y，z方向的定義是以水平放置在的手機(jī)的右下腳為參照系坐標(biāo)原點(diǎn)（如圖3），x方向就是手機(jī)的水平方向，右為正；y方向就是手機(jī)的水平垂直方向，前為正；z方向就是手機(jī)的空間垂直方向，天空的方向?yàn)檎?，地球的方向?yàn)樨?fù)。

方向傳感器的類型是Sensor.TYPE_ORIENTATION，通過(guò)android.hardware.SensorEvent返回方向傳感器值。方向傳感器返回值的單位是角度，有三個(gè)值分別是values[0]，方位角；values[1]，傾斜角；values[2]，旋轉(zhuǎn)角。

如同加速度傳感器一樣，首先Android中x，y，z定義是以水平放置在的手機(jī)的右下腳為參照系坐標(biāo)原點(diǎn)，x方向就是手機(jī)的水平方向，右為正；y方向就是手機(jī)的水平垂直方向，前為正；z方向就是手機(jī)的空間垂直方向，天空的方向?yàn)檎?，地球的方向?yàn)樨?fù)，坐標(biāo)原點(diǎn)是手機(jī)屏幕的左下腳。

方向角的定義是手機(jī)y軸水平面上的投影與正北方向的夾角（值的范圍是0～359其中0=North，90=East，180=South，270=West）。傾斜角的定義是手機(jī)y軸與水平面的夾角（手機(jī)z軸向y軸方向移動(dòng)為正，值得范圍是-180～180）。旋轉(zhuǎn)角的定義是手機(jī)x軸 與水平面的夾角（手機(jī)x軸離開(kāi)z軸方向?yàn)檎档梅秶?90～90）。

圖3 Android手機(jī)傳感器坐標(biāo)

6 信息分析處理與告警

信息分析處理與告警系統(tǒng)是作為服務(wù)在PC端上運(yùn)行的，需要運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理被監(jiān)護(hù)人數(shù)據(jù)，并接收手機(jī)端發(fā)送來(lái)的信息，然后結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)信息作出分析，判斷被監(jiān)護(hù)人所處的環(huán)境和是否需要向監(jiān)護(hù)人發(fā)送告警通知。

6.1 撞擊監(jiān)控算法設(shè)計(jì)

由于地球固有的重力加速度g（值為9.8m/s^2），因此現(xiàn)實(shí)中實(shí)際加速度值應(yīng)該是z方向返回值-9.8m/s^2.比如以2m/s^2的加速度將手機(jī)拋起，這時(shí)z方向的返回值應(yīng)該是11.8m/s^2.反之若以手機(jī)以2m/s^2的加速度墜落，則z方向的返回值應(yīng)該是7.8m/s^2。

所以，僅通過(guò)是否有加速度來(lái)判定搖擺是不行的。那么，判定加速度的變化。在一個(gè)較短的時(shí)間間隔求出加速度的差值，跟一個(gè)指定的閾值比較，假如差值大于閾值，則以為是搖擺發(fā)生了。網(wǎng)上很多算法將x、y、z方向的加速度差值簡(jiǎn)單的加起來(lái)，我以為不是很正確。加速度是向量，求差應(yīng)該是各方向的差值平方后相加，再開(kāi)方。

具體算法為先通過(guò)傳感器得到x、y、z三個(gè)方向的加速度，求矢量和，并記下當(dāng)前時(shí)刻為基準(zhǔn)時(shí)刻，在下一次再?gòu)膫鞲衅鞯玫饺齻€(gè)方向的加速度時(shí)，繼續(xù)求 矢量和，兩次差值大于閾值1時(shí)，搖晃次數(shù)加1，并記下當(dāng)前時(shí)刻與基準(zhǔn)時(shí)刻時(shí)間差，用矢量差（m/s^2）比上時(shí)間差（s），看這個(gè)值與閾值2計(jì)較，當(dāng)前時(shí)刻記為下一次的基準(zhǔn)時(shí)刻。當(dāng)搖晃次數(shù)大于閾值1表明晃了很多次；當(dāng)差值比上時(shí)間大于閾值2的時(shí)候說(shuō)明搖晃很劇烈。

6.2 跌倒監(jiān)控算法設(shè)計(jì)

服務(wù)端接收到客戶端所發(fā)送的方向傳感器所探測(cè)到的值，即方向角、傾斜角、旋轉(zhuǎn)角的角度。這個(gè)算法比較簡(jiǎn)單，用value[0]來(lái)表示方向，講value[0]的360度分為8個(gè)部分。分別是東、南、西、北、東南、西南、東北、西北八個(gè)方向。用value[1]和value[2]聯(lián)合起來(lái)去判定姿勢(shì)，以value[1]為主要方面，value[2]為輔助的。當(dāng)value[1]和value[2]的值在一定范圍內(nèi)，即判斷為跌倒。

7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們使用了一臺(tái)裝有基本信息收集與發(fā)送系統(tǒng)的Android智能手機(jī)，一臺(tái)裝有信息分析處理與告警系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，讓測(cè)試人員隨身攜帶該Android智能手機(jī)，并模擬跌掉和遭受劇烈撞擊的場(chǎng)景，測(cè)試結(jié)果如圖4所示：

圖4 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以完成用戶的注冊(cè)，登錄以及信息的修改。當(dāng)被監(jiān)護(hù)人被劇烈撞擊或者發(fā)生跌倒?fàn)顩r時(shí)，可以起到有效的監(jiān)護(hù)告警作用。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的基于Android的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控告警系統(tǒng)通過(guò)Android智能手機(jī)的傳感器收集被監(jiān)護(hù)者的基本狀態(tài)信息，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息分析處理與告警服務(wù)，服務(wù)器再通過(guò)分析得出被監(jiān)護(hù)者當(dāng)前的實(shí)際狀態(tài)，依據(jù)實(shí)際狀態(tài)發(fā)出相應(yīng)的告警通知，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的自動(dòng)監(jiān)控告警，不需要人工干預(yù)，大大提高了監(jiān)護(hù)效率，高質(zhì)量的完成了監(jiān)護(hù)任務(wù)。

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作者簡(jiǎn)介：孫晶（1990-），女，黑龍江人，研究生在讀，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。

作者單位：華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100083