可用語(yǔ)音控制的多功能醫(yī)用護(hù)理床的設(shè)計(jì)

胡小林，馬紅梅

可用語(yǔ)音控制的多功能醫(yī)用護(hù)理床的設(shè)計(jì)

胡小林，馬紅梅

目的:設(shè)計(jì)一種可以通過(guò)語(yǔ)音控制的醫(yī)用護(hù)理床，以滿足失能老年人與殘障人士的護(hù)理需求。方法:通過(guò)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)定塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)護(hù)理床床頭和側(cè)面的升降，采用ATmega128單片機(jī)控制升降機(jī)構(gòu)。整個(gè)過(guò)程通過(guò)對(duì)3組麥克風(fēng)信號(hào)的識(shí)別實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制。結(jié)果:當(dāng)用戶有操作要求時(shí)，發(fā)出語(yǔ)音指令，單片機(jī)識(shí)別出指令后，可發(fā)出相應(yīng)的控制指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)完成動(dòng)作。結(jié)論:該醫(yī)用護(hù)理床可以有效地提高臥床者的生活質(zhì)量，減輕陪護(hù)人員或護(hù)理人員的工作量。

醫(yī)用護(hù)理床；語(yǔ)音控制；語(yǔ)音識(shí)別

0 引言

據(jù)中國(guó)社科院發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)失能老人的數(shù)量已經(jīng)超過(guò)3 700萬(wàn)人，預(yù)計(jì)到2015年將接近4 000萬(wàn)人[1]。根據(jù)第六次全國(guó)人口普查我國(guó)總?cè)丝跀?shù)及第二次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查我國(guó)殘疾人占全國(guó)總?cè)丝诘谋壤扑悖?010年末我國(guó)殘疾人總?cè)藬?shù)為8 502萬(wàn)人[2]。數(shù)量巨大的老年人與殘障人士需要護(hù)理的客觀需求，人民生活水平的提高以及減輕家人、護(hù)理人員勞動(dòng)強(qiáng)度的渴望，加上傳統(tǒng)使用的護(hù)理床無(wú)法滿足要求，因此，需要更高技術(shù)含量的智能護(hù)理床來(lái)滿足功能障礙群體對(duì)生活自理、自立的迫切渴求[3]?，F(xiàn)有技術(shù)中一些電動(dòng)護(hù)理床[4]已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)通過(guò)手控器自主調(diào)節(jié)人在床上的體位，能控制床的起臥、左右側(cè)翻等；但是對(duì)于一些肢體殘疾無(wú)法使用手控器者、病情危重者、重度癱瘓者等，則需要通過(guò)其他方法如語(yǔ)音來(lái)控制護(hù)理床?；诖祟愋枰P者設(shè)計(jì)了一種可以使用語(yǔ)音來(lái)控制的多功能醫(yī)用護(hù)理床，并于2013年1月開(kāi)始應(yīng)用于醫(yī)院和養(yǎng)老院，取得了較好的效果。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

床體包括可上下、左右翻轉(zhuǎn)的活動(dòng)床板，電動(dòng)推桿固定在床板下方，控制器分別與電動(dòng)機(jī)、語(yǔ)音識(shí)別器連接。用于采集語(yǔ)音信號(hào)的麥克風(fēng)固定在床頭，均與控制器連接。其床頭翻起和床板側(cè)面翻起時(shí)狀態(tài)示意圖如圖1、2所示。

圖1 床頭翻起示意圖

圖2 床板側(cè)面翻起示意圖

1.2 升降機(jī)構(gòu)

床頭和側(cè)板的上下翻轉(zhuǎn)通過(guò)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)定塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

在電動(dòng)推桿的驅(qū)動(dòng)下，推動(dòng)桿左右運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)升降機(jī)構(gòu)上升或下降。在該定塊機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，活動(dòng)板床可以在0～45°范圍內(nèi)任意翻轉(zhuǎn)。由于電動(dòng)推桿本身帶自鎖功能，活動(dòng)板床的翻轉(zhuǎn)不需要額外的自鎖裝置?？紤]到床頭和側(cè)面同時(shí)翻轉(zhuǎn)的情況，在床頭的3塊翻板各設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的升降機(jī)構(gòu)，其電動(dòng)推桿分別為床頭電動(dòng)推桿（左）、床頭電動(dòng)推桿（中）、床頭電動(dòng)推桿（右）。其余翻板左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)升降機(jī)構(gòu)，分別為左側(cè)電動(dòng)推桿、右側(cè)電動(dòng)推桿。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)總體框圖

為了更好地捕獲用戶發(fā)出的語(yǔ)音指令，分別在床頭以及左右兩側(cè)各設(shè)置了一個(gè)麥克風(fēng)。由于麥克風(fēng)采集到的聲音信號(hào)往往混雜有各類噪聲，可通過(guò)濾波電路濾去噪聲，保留20 Hz～20 kHz的信號(hào)。ATmega128單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，因此不需要額外的A/D轉(zhuǎn)換電路。多路開(kāi)關(guān)用于將多個(gè)麥克風(fēng)采集到的信號(hào)通過(guò)分時(shí)復(fù)用的方法逐個(gè)送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，多路開(kāi)關(guān)選用芯片MAX4638。上位機(jī)可以通過(guò)串口對(duì)單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置，在上位機(jī)控制下將用戶的各種語(yǔ)音命令采集并存儲(chǔ)于單片機(jī)的電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（electrically erasable programmable read-only memory，EEPROM）內(nèi)，以供執(zhí)行命令時(shí)進(jìn)行比對(duì)。本設(shè)計(jì)采用帶減速的直流低壓滾珠絲桿式電動(dòng)推桿，采用L298N芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。操作按鍵采用9鍵矩陣式鍵盤(pán)，用于手動(dòng)調(diào)整床頭、側(cè)板的升降高度，可進(jìn)行手動(dòng)模式、語(yǔ)音模式、個(gè)人計(jì)算機(jī)（personal computer，PC）控制模式3種模式的切換，控制上采用延時(shí)的辦法去抖動(dòng)，采用線路反轉(zhuǎn)的方法識(shí)鍵。

2.2 實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 語(yǔ)音提取技術(shù)

語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)包括預(yù)處理、特征提取、模型的訓(xùn)練和匹配、后處理等幾個(gè)部分[5]。雖然每路麥克風(fēng)輸出信號(hào)均有相應(yīng)濾波電路去除噪音干擾，但濾波電路只能去除人的聲音頻段范圍以外的噪聲干擾，對(duì)于人的聲音頻段以內(nèi)的信號(hào)，例如另外一個(gè)人說(shuō)話的聲音等信號(hào)則無(wú)法有效去除，因此需要對(duì)用戶發(fā)出的聲音信號(hào)進(jìn)行提取。

在提取聲音信號(hào)時(shí)首先應(yīng)將聲音信號(hào)的起始點(diǎn)獲取到。常用的聲音信號(hào)起始點(diǎn)的獲取方法有雙門(mén)限法[6]和信息墑法[7]，由于醫(yī)院病房相對(duì)來(lái)說(shuō)比較安靜，環(huán)境噪聲較小，這里采用雙門(mén)限法確定聲音信號(hào)的起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。

設(shè)有一段聲音指令信號(hào)x（t），經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后變成數(shù)字量后得到數(shù)字集合：

采用雙門(mén)限法獲取了其聲音信號(hào)的起始點(diǎn)Xi和結(jié)束點(diǎn)Xj，則可以得到指令信息段為

對(duì)X*（k）進(jìn)行離散時(shí)間傅里葉變換（discretetime Fourier transform，DTFT）則可得到該段語(yǔ)音信號(hào)的頻譜。例如，有一段發(fā)音“eee”，其信號(hào)及對(duì)應(yīng)頻譜如圖5所示。

圖5 發(fā)音“eee”的信號(hào)及頻譜

從圖5可以看出，“eee”的發(fā)音頻率主要集中在200和400 Hz左右，如果要識(shí)別某段發(fā)音與該發(fā)音的相似度，只需要識(shí)別出其頻譜的相似度即可。如果在發(fā)音中混疊了其他聲音信號(hào)，其頻譜圖會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變，但只要混疊的聲音信號(hào)不是長(zhǎng)時(shí)間的、大幅度的，則混疊后得到的頻譜圖應(yīng)包含未混疊前的聲音信號(hào)頻譜圖。同一個(gè)人對(duì)于同一個(gè)內(nèi)容在不同時(shí)間發(fā)出的聲音信號(hào)其基準(zhǔn)頻率可能不一樣，在頻譜圖上反映出來(lái)的就是頻譜圖發(fā)生平移但形狀不變。不同大小的聲音，在頻譜圖上的反映就是幅值按比例放大或縮小。

因此，在醫(yī)用護(hù)理床進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別前，可以預(yù)先將用戶發(fā)出的各項(xiàng)語(yǔ)音指令進(jìn)行DTFT計(jì)算后得到的頻譜圖Tn（n=1，2，…，k，k代表指令條數(shù)）存儲(chǔ)到單片機(jī)的EEPROM。為了防止基準(zhǔn)的變化導(dǎo)致的頻譜平移現(xiàn)象，只存儲(chǔ)頻譜形狀，而不存儲(chǔ)頻譜頻率。在用戶使用醫(yī)用護(hù)理床時(shí)，發(fā)出語(yǔ)音信號(hào)S后，單片機(jī)對(duì)信號(hào)S進(jìn)行DTFT計(jì)算后得到頻譜圖TS。然后對(duì)Tn進(jìn)行查找，查找時(shí)根據(jù)頻譜的幅值最大值先對(duì)TS進(jìn)行縮放，使得最大幅值一樣，若在查找過(guò)程中發(fā)現(xiàn)某一頻譜Ti完全包含于縮放后的TS，或90%以上包含于縮放后的TS，則可以認(rèn)定語(yǔ)音命令S即為T(mén)i所對(duì)應(yīng)的命令。

2.2.2 多路聲音信號(hào)混疊技術(shù)

為了更好地捕獲用戶發(fā)出的聲音指令，在床的兩側(cè)及床頭均設(shè)置了麥克風(fēng)。由于用戶距離3個(gè)麥克風(fēng)的距離不相等，3個(gè)麥克風(fēng)獲取的指令信號(hào)強(qiáng)度就不一樣，這樣在分別對(duì)3路聲音信號(hào)進(jìn)行DTFT運(yùn)算之后就需要對(duì)這3路信號(hào)進(jìn)行疊加或選擇。理想情況下，如果沒(méi)有噪聲干擾，3個(gè)麥克風(fēng)獲取的3組聲音信號(hào)的頻譜圖形狀應(yīng)該一樣，只是幅值上有區(qū)別。但是，由于噪聲的存在，不同的麥克風(fēng)獲得的聲音信號(hào)的頻譜圖會(huì)有微小的差異，為了更好地獲取有用信號(hào)，就需要得到3組聲音信號(hào)頻譜圖上的相同部分，去掉相異部分。

3組麥克風(fēng)對(duì)于同一個(gè)用戶指令獲得的頻譜圖經(jīng)過(guò)幅值縮放后所得到的頻譜圖如圖6所示。很明顯，A、B區(qū)域的頻譜是由用戶指令形成的，為3組麥克風(fēng)信號(hào)所共有；而C、D區(qū)域的頻譜是由不同麥克風(fēng)周圍的噪聲形成的，由于各麥克風(fēng)周圍噪聲不一樣，所以3組信號(hào)各不相同。因此，要去掉噪聲，保留有用信息，需要對(duì)3組頻譜圖進(jìn)行處理，保留相同部分，去掉相異部分。將圖6（a）和圖6（b）作一次模二減法即可得到2幅圖相異的地方，減法結(jié)果記為A′，再用圖6（a）減去A′，結(jié)果中正值保留，負(fù)值記為0，得到的新圖就為（a）、（b）2幅圖相同的地方，記為AB。再將圖AB與圖6（c）按同樣的方法處理即可得到3幅圖相同的地方，也就是3組麥克風(fēng)獲取的有用信息。

圖6 同一用戶指令的3組麥克風(fēng)信號(hào)頻譜圖

2.3 控制系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

整個(gè)控制系統(tǒng)均由ATmega128單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，并采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程?？刂瞥绦蛴芍鞒绦蚣案髯映绦蚪M成。程序框圖如圖7所示。

控制程序主要包括主程序、語(yǔ)音子程序、手動(dòng)控制子程序、與PC聯(lián)機(jī)子程序、按鍵中斷服務(wù)子程序。主程序用于初始化各變量、寄存器，并根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)模式調(diào)用相應(yīng)子程序，其程序流程如圖7（a）所示。語(yǔ)音程序主要完成語(yǔ)音指令的識(shí)別以及執(zhí)行，其程序流程如圖7（b）所示。手動(dòng)操作子程序主要完成用戶在手動(dòng)模式下直接按下操作按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)床頭和側(cè)板的翻轉(zhuǎn)，手動(dòng)操作模式下首先檢測(cè)被用戶按下的按鍵的鍵值，然后根據(jù)鍵值開(kāi)啟對(duì)應(yīng)的電動(dòng)推桿，其程序流程圖如圖7（c）所示。與PC聯(lián)機(jī)子程序的主要功能是通過(guò)RS232串口將PC傳遞的值存儲(chǔ)至單片機(jī)的EEPROM。按鍵中斷服務(wù)子程序的主要功能是用戶按下模式選擇鍵時(shí)以中斷方式更改系統(tǒng)操作模式。

圖7 控制程序框圖

3 應(yīng)用

初次使用該護(hù)理床需進(jìn)行語(yǔ)音設(shè)定。由患者先發(fā)出各指令的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)音，PC采集分析完成后通過(guò)聯(lián)機(jī)模式將數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)。設(shè)定完成后，臥床的患者發(fā)出聲音，即可經(jīng)由控制器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)使護(hù)理床作出相應(yīng)指令動(dòng)作，方便地完成體位的變更。該護(hù)理床已于2013年1月開(kāi)始應(yīng)用于醫(yī)院臨床護(hù)理工作，目前從醫(yī)院及患者的反應(yīng)來(lái)看，效果良好，語(yǔ)音識(shí)別的準(zhǔn)確率達(dá)到95%以上，能夠滿足日常護(hù)理需要。

4 結(jié)論

可用語(yǔ)音控制的多功能醫(yī)用護(hù)理床能夠準(zhǔn)確、便捷地按照用戶的語(yǔ)音指令控制護(hù)理床的前部升降、腿部屈伸、左右側(cè)翻，滿足臥床者翻身、上身坐起、腿部屈曲伸直等體位的需要?；颊吲P床時(shí)能根據(jù)自己的意愿采取舒適的體位，提高了生活質(zhì)量，并能預(yù)防壓瘡的發(fā)生。

醫(yī)用護(hù)理床床體可靠、穩(wěn)定、安全，能方便地安裝輔助裝置，如書(shū)飯桌、輸液桿等，大大地減輕了陪護(hù)人員或護(hù)理人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，將陪護(hù)人員或護(hù)理人員從繁重的協(xié)助翻身工作中解放出來(lái)。如果能進(jìn)一步和醫(yī)院的呼叫系統(tǒng)對(duì)接，則能取得更好的效果。

[1]毛海峰，周蕊，周強(qiáng)，等.失能老人：沉重的衰老，何處可依？[EB/OL].（2014-06-25）[2014-12-18].http：//www.banyuetan.org/chcontent/jrt/ 2014623/104721.html.

[2]中國(guó)殘疾人聯(lián)合會(huì).2010年末全國(guó)殘疾人總數(shù)及各類、不同殘疾等級(jí)人數(shù)[EB/OL].（2012-06-26）[2014-12-18].http：//www.cdpf.org. cn/sytj/content_30399867.htm.

[3]廖翼.智能護(hù)理床的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].醫(yī)療裝備，2013（10）：12-15.

[4]辛紹杰，張歡歡，馬西沛.多功能電動(dòng)護(hù)理床的研制[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，16（6）：322-329.

[5]李宏梅，伍曉芹.有關(guān)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（8）：139-140.

[6]楊大利，徐明星，吳文虎.語(yǔ)音識(shí)別特征參數(shù)選擇方法研究[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2003，40（7）：963-969.

[7]甄斌，吳璽宏，劉志敏，等.語(yǔ)音識(shí)別和說(shuō)話人識(shí)別中各倒譜分量的相對(duì)重要性[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，37（3）：371-378.

（收稿：2014-12-12 修回：2015-03-10）

Design of multifunctional and speech-controlled nursing bed

HU Xiao-lin,MA Hong-mei
(Renmin Hospital of Wuhan University,Wuhan 430060,China)

ObjectiveTo design a multifunctional and speech-controlled nursing bed for the elderly and disabled. Method The bed had itself ascended or descended through the fixed slider mechanism driven by electromotive pushrod, with ATmega128 SCM controlling the elevating unit.The speech control of the elevating process was realized by recognition of voice signals from three micro phones.ResultsThe SCM recognized the speech command given by the patient, and then sent control command to drive the pushrod to ascend or descend the bed.ConclusionThe bed can increase the living quality of the patient and decrease the workload of nursing staffs.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（6）：25-28]

medical nursing bed;voice control;voice recognition

R318.6；TH772.1

A

1003-8868（2015）06-0025-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.06.025

胡小林（1976—），女，主管護(hù)師，主要從事內(nèi)科護(hù)理方面的研究工作，E-mail:huxiaolin_hs@163.com。

430060武漢，武漢大學(xué)人民醫(yī)院（胡小林，馬紅梅）

馬紅梅，E-mail:616902747@qq.com