基于隱式感知的老人認(rèn)知健康評(píng)估系統(tǒng)

姚小慧　邵　堃　王雯云　孫傳能　金柳頎*

1(合肥工業(yè)大學(xué)智能制造研究院　安徽 合肥 230009) 2(合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院 安徽 合肥 230009)

0　引　言

老年癡呆癥AD[1]是一種常見的老年疾病，隨著全球人口老齡化趨勢(shì)嚴(yán)峻，成為了一個(gè)愈發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)問題。輕度認(rèn)知損傷MCI被認(rèn)為是介于正常衰老和AD之間的一種過渡階段，因此對(duì)MCI 群體的研究對(duì)于 AD 的早期預(yù)測(cè)具有重要的意義[2]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)老人MCI評(píng)估主要依靠認(rèn)知篩查工具。Nasreddine等[3]研制的蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表MoCA，可有效快速地對(duì)患有輕度認(rèn)知功能障礙MCI的老人進(jìn)行評(píng)估。孟曉梅等[4]用蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估量表評(píng)估輕度認(rèn)知功能障礙患者，發(fā)現(xiàn)MCI患者及健康人群MoCA總分與MMSE總分相關(guān)，MoCA用于MCI篩查時(shí)敏感性優(yōu)于MMSE。但這些傳統(tǒng)的周期性評(píng)估方法存在回訪間隔長(zhǎng)，通常會(huì)出現(xiàn)忘記評(píng)估的問題，以致無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)老人認(rèn)知健康下降，造成采集的數(shù)據(jù)離散等情況。

而老人從健康到虛弱是一個(gè)不易察覺的漸變過程，當(dāng)老人認(rèn)知有輕微的衰退時(shí)，會(huì)反映在老人日常行為中，如頻繁忘記關(guān)門等行為。同時(shí)，研究表明老年人夜晚清醒狀態(tài)時(shí)間較長(zhǎng)與其認(rèn)知衰退顯著相關(guān)。通過監(jiān)測(cè)老人的睡眠、開關(guān)門等日常行為來預(yù)判其認(rèn)知健康變化，探索睡眠、行為等數(shù)據(jù)與AD早期進(jìn)程之間的關(guān)系，從而進(jìn)行相應(yīng)的照護(hù)和主動(dòng)干預(yù)，以降低老人的患病率，并維持其獨(dú)立、良好的生活品質(zhì)。

當(dāng)前已經(jīng)存在一些老人行為檢測(cè)的報(bào)警系統(tǒng)，這些系統(tǒng)大多用于老人獨(dú)居報(bào)警，如外人入侵，忘關(guān)燃?xì)饧暗篃o法及時(shí)報(bào)警等情況[5-6]。從實(shí)現(xiàn)方面來看，主要有以下幾種：接觸式穿戴設(shè)備，如Simona Bar-Haim等研發(fā)的Re-StepTM是一種專門的治療系統(tǒng)，可改善行走障礙患者的日常步態(tài)穩(wěn)定性[7]；非接觸式視頻圖像和音頻等，如通過視頻來智能監(jiān)控獨(dú)居老人突發(fā)異常報(bào)警等[8-9]；非接觸式信號(hào)感知，如用傳感設(shè)備來檢測(cè)老人跌倒等[10-11]。其中，由于穿戴式設(shè)備老人接受度較低，而視頻監(jiān)控可能侵犯隱私，因此不太能被老人接受?；趥鞲衅鞯碾[式感知由于具有良好的隱私保護(hù)和非接觸、非侵入特性，已成為老人居家預(yù)警研究的一個(gè)非常重要的方向。

在此背景下設(shè)計(jì)了一套基于隱式感知的老人認(rèn)知健康評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先通過量表篩查及一體機(jī)數(shù)據(jù)來對(duì)老人認(rèn)知進(jìn)行評(píng)估，判斷老人是否適合獨(dú)居。對(duì)適合獨(dú)居的老人，在家中安裝報(bào)警設(shè)備，通過隱式感知信息平臺(tái)來獲取報(bào)警信息。應(yīng)用基于Node.js的Express框架在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，基于前期報(bào)警數(shù)據(jù)和量表數(shù)據(jù)的線性回歸訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)老人認(rèn)知下降預(yù)測(cè)，引導(dǎo)老人進(jìn)行認(rèn)知評(píng)估，可以有效解決老人獨(dú)居評(píng)估周期長(zhǎng)、執(zhí)行困難等問題。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于隱式感知信息平臺(tái)的老人認(rèn)知健康評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)基于TCP/IP通信協(xié)議，采用C/S架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)“高內(nèi)聚、低耦合”思想，構(gòu)建三層邏輯架構(gòu)，主要分為數(shù)據(jù)層、邏輯處理層及界面層，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及用戶交互三個(gè)功能模塊。

圖1　系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1) 數(shù)據(jù)采集模塊主要有居家數(shù)據(jù)采集和評(píng)估數(shù)據(jù)采集兩部分。居家數(shù)據(jù)采集利用各種傳感器收集老人行為數(shù)據(jù)，這些傳感器包括門磁報(bào)警器、紅外報(bào)警傳感器、燃?xì)鈧鞲衅骷耙绘I報(bào)警等。主要使用一體機(jī)和老人認(rèn)知評(píng)估量表進(jìn)行評(píng)估數(shù)據(jù)采集。一體機(jī)型號(hào)為SK-T6，可采集老人生理信息，如心電、血糖、膽固醇含量等；蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估等量表用來采集認(rèn)知數(shù)據(jù)。

(2) 數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)采集到的傳感器數(shù)據(jù)與量表數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及分析。對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，運(yùn)用MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)分析主要包括統(tǒng)計(jì)分析及回歸分析。運(yùn)用計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)、頻率分析等統(tǒng)計(jì)手段來處理采集到的數(shù)據(jù)，以便用戶查詢?；貧w分析則是擬合傳感器數(shù)據(jù)與量表數(shù)據(jù)，通過訓(xùn)練得到預(yù)測(cè)模型，當(dāng)出現(xiàn)新的報(bào)警數(shù)據(jù)時(shí)，用預(yù)測(cè)模型進(jìn)行評(píng)估，從而縮短評(píng)估周期，以便及早干預(yù)。

(3) 用戶功能模塊則主要為用戶與系統(tǒng)之間交互。用戶主要分為三類：老人親屬、社區(qū)工作人員以及系統(tǒng)管理人員。老人及親屬可以查詢、修改個(gè)人信息；工作人員則可以進(jìn)行基本管理及主動(dòng)查詢功能，同時(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)報(bào)警并及時(shí)反饋評(píng)估結(jié)果。管理人員可管理用戶角色，設(shè)備信息及采集到的數(shù)據(jù)。

2　系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1　用戶功能模塊

在用戶和系統(tǒng)交互模塊，將數(shù)據(jù)庫(kù)中采集和分析的數(shù)據(jù)顯示在Web應(yīng)用上，供老人和工作人員查看。通過對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中模型進(jìn)行操作來實(shí)現(xiàn)不同的功能模塊。為了更好地實(shí)現(xiàn)老人評(píng)估，系統(tǒng)設(shè)計(jì)多用戶交互模式。用戶登錄系統(tǒng)中，根據(jù)權(quán)限不同，基本功能也不同。如圖2所示，對(duì)于不同角色用戶有著不同功能，具體介紹如下。

圖2　用戶功能模塊

老人及其親屬：主要有查詢功能及修改個(gè)人信息功能。對(duì)于查詢，老人及親屬可以對(duì)老人健康信息、報(bào)警信息以及認(rèn)知評(píng)估結(jié)果進(jìn)行查詢，以便更好地了解健康狀態(tài)，從而家屬能有針對(duì)性地干預(yù)。同時(shí)，也可以對(duì)基本信息，如家庭住址、聯(lián)系方式、小區(qū)物業(yè)等進(jìn)行查詢。修改功能實(shí)現(xiàn)用戶修改個(gè)人基本信息，不需要對(duì)平臺(tái)中報(bào)警數(shù)據(jù)及評(píng)估數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，但可根據(jù)上面信息來大概知道工作人員對(duì)老人評(píng)估時(shí)間。

工作人員：對(duì)于工作人員來說，則是可以對(duì)老人基本信息、健康信息及報(bào)警信息等基本信息進(jìn)行更新、刪除以及查詢等操作。而自動(dòng)提醒功能，則是兩種提醒，一是當(dāng)老人家中有緊急情況報(bào)警時(shí)，將會(huì)由系統(tǒng)提醒工作人員有報(bào)警行為。工作人員根據(jù)報(bào)警信息查詢老人聯(lián)系方式，第一時(shí)間聯(lián)系老人或物業(yè)來確定報(bào)警信息準(zhǔn)確性及進(jìn)行人為干預(yù)，及時(shí)對(duì)老人每次報(bào)警的信息進(jìn)行日志記錄。二是系統(tǒng)將結(jié)合老人報(bào)警信息，與認(rèn)知評(píng)估做擬合之后，主動(dòng)提醒工作人員對(duì)老人進(jìn)行認(rèn)知評(píng)估，工作人員收到提醒后，即可對(duì)老人進(jìn)行操作。而當(dāng)老人評(píng)估結(jié)果不如意的時(shí)候，工作人員將及時(shí)與老人親屬聯(lián)系，提供意見以便家屬干預(yù)，具體評(píng)估活動(dòng)如圖3所示。

圖3　評(píng)估活動(dòng)圖

管理人員：管理人員有著很高的權(quán)限，以便能對(duì)平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。管理人員不僅能對(duì)老人及工作人員用戶進(jìn)行管理，同時(shí)可以查看傳感器數(shù)據(jù)，老人相關(guān)數(shù)據(jù)，平臺(tái)工作日志等功能。

2.2　數(shù)據(jù)處理模塊

2.2.1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

本系統(tǒng)采用的MongoDB，是一個(gè)分布式文件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)，介于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之間。MongoDB最大的特點(diǎn)是支持強(qiáng)大的查詢語言，可以實(shí)現(xiàn)類似關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)單表查詢的大部分功能，還支持對(duì)數(shù)據(jù)建立索引。數(shù)據(jù)庫(kù)文件保存在監(jiān)控服務(wù)器，由監(jiān)控端程序負(fù)責(zé)維護(hù)。數(shù)據(jù)庫(kù)是采用基于角色的訪問控制方法來設(shè)計(jì)的，用戶通過角色與權(quán)限相關(guān)聯(lián)。通過對(duì)平臺(tái)信息進(jìn)行分析，我們用以下這些表來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

權(quán)限表用來說明該平臺(tái)共有哪些權(quán)限；角色表用來分配用戶角色，角色對(duì)應(yīng)權(quán)限；報(bào)警信息表里面記錄了報(bào)警名稱，發(fā)生時(shí)間，是否為誤報(bào)，誤報(bào)次數(shù)等信息；傳感器信息表用來存儲(chǔ)報(bào)警設(shè)備信息，如傳感器名稱，功能描述，生產(chǎn)廠家，聯(lián)系電話，發(fā)送頻率等信息；傳感器數(shù)據(jù)表用來存儲(chǔ)傳感器編號(hào)，信號(hào)值，時(shí)間等信息；用戶表主要為用戶登錄名、密碼以及基本用戶信息和所屬角色；一體機(jī)信息表字段主要為一體機(jī)為老人測(cè)試的數(shù)據(jù)字段，用來保存老人一體機(jī)數(shù)據(jù)；認(rèn)知評(píng)估表用來記錄量表種類；認(rèn)知健康評(píng)估統(tǒng)計(jì)表記錄了老人每次認(rèn)知評(píng)估表的類型與結(jié)果，便于后面統(tǒng)計(jì)分析。

2.2.2數(shù)據(jù)分析

對(duì)于數(shù)據(jù)分析模塊，則是通過數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)與上層用戶之間的交互。主要分為主動(dòng)查詢管理功能以及自動(dòng)提醒功能分析實(shí)現(xiàn)。

主動(dòng)查詢，主要為對(duì)簡(jiǎn)單功能使用頻率統(tǒng)計(jì)及報(bào)警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)簡(jiǎn)單功能使用頻率統(tǒng)計(jì)為統(tǒng)計(jì)每個(gè)功能使用次數(shù)，計(jì)算大多數(shù)用戶使用功能頻率，如使用某個(gè)功能頻率高，則根據(jù)這個(gè)修改界面的功能設(shè)計(jì)。而對(duì)報(bào)警信息統(tǒng)計(jì)則是統(tǒng)計(jì)每天的警報(bào)次數(shù)，誤報(bào)次數(shù)，工作人員成功處理的警報(bào)次數(shù)，警報(bào)問題的平均處理時(shí)間，統(tǒng)計(jì)警報(bào)本身的發(fā)生頻率，以統(tǒng)計(jì)的形式展現(xiàn)給用戶。

而自動(dòng)提醒這部分，則是通過數(shù)據(jù)分析，主動(dòng)實(shí)現(xiàn)報(bào)警提醒以及工作人員評(píng)估提醒。

對(duì)于報(bào)警信息，主要接收以下幾類數(shù)據(jù)。對(duì)于門禁傳感器，紅外傳感器處理后都是用0/1來判斷是否有異常。燃?xì)鈭?bào)警則是在閾值范圍內(nèi)時(shí)處于正常，超出閾值，會(huì)變?yōu)?，發(fā)送報(bào)警，一鍵報(bào)警值處理后即為接收?qǐng)?bào)警后數(shù)值變?yōu)?。因此，工作人員登錄進(jìn)頁面后，在頁面上工作時(shí)。當(dāng)老人家中發(fā)出異常報(bào)警信息時(shí)，會(huì)自動(dòng)彈出異常信息顯示在頁面上。為了避免多地工作人員登錄，顯示在不同頁面，造成重復(fù)核實(shí)確認(rèn)情況，設(shè)置了工作人員獲取一次報(bào)警信息。而對(duì)于兩個(gè)人同時(shí)報(bào)警，設(shè)置了報(bào)警信息消息隊(duì)列來進(jìn)行處理。

而工作人員報(bào)警評(píng)估提醒則是通過線性回歸的方法來實(shí)現(xiàn)。所謂多元線性回歸分析預(yù)測(cè)法，是指與通過對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的自變量與一個(gè)因變量的相關(guān)分析，建立預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法[12-13]。在本系統(tǒng)中，分為訓(xùn)練過程和預(yù)測(cè)過程，具體如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)處理過程圖

對(duì)于訓(xùn)練過程，首先是建立多元線性回歸方程：

hw(x)=w0+w1x1+w2x2+w3x3+w4x4+L

(1)

式中：w0為常數(shù)項(xiàng)，w1、w2、w3、w4為回歸系數(shù)，用來調(diào)整每個(gè)自變量對(duì)結(jié)果的影響。而x1、x2、x3、x4為自變量，其中x1為門磁報(bào)警信息數(shù)據(jù)，x2為紅外報(bào)警器數(shù)據(jù)，x3為燃?xì)鈭?bào)警數(shù)據(jù)，x4為一鍵報(bào)警值，L為損失函數(shù)，如式(2)所示。hw(x)為訓(xùn)練模型，用來預(yù)測(cè)是否對(duì)老人需要進(jìn)行評(píng)估。

(2)

當(dāng)我們要確定w0、w1、w2、w3、w4的值時(shí)，需要L(w)最小，使用梯度下降方法來對(duì)L(w)進(jìn)行確定。具體流程為首先對(duì)w賦值，這個(gè)w先取隨機(jī)值。改變w值，使它按照L(w)梯度下降的方法來進(jìn)行減小。L(w)梯度下降方向則是通過對(duì)w求偏導(dǎo)來決定。當(dāng)w確定后，則確定了預(yù)測(cè)模型，如公式所示：

y=w0+w1x1+w2x2+w3x3+w4x4

(3)

每當(dāng)接收到老人報(bào)警信息時(shí)，使用預(yù)測(cè)模型自動(dòng)做估計(jì)，把量表值映射到0～100，因此當(dāng)估計(jì)值大于60時(shí)，則由工作人員對(duì)老人進(jìn)行評(píng)估，從而解決評(píng)估周期長(zhǎng)這一問題。

由于老人每次檢測(cè)數(shù)據(jù)都可以上傳到平臺(tái)，使得老人健康管理更為合理，子女也能看到老人健康狀態(tài),并且通過對(duì)不同老人健康情況進(jìn)行分析，有針對(duì)性地進(jìn)行評(píng)估，能更好地對(duì)老人進(jìn)行照護(hù)。

3　系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際有效性，根據(jù)老人家中實(shí)際情況，對(duì)老人進(jìn)行初步評(píng)估后，我們選取了50戶社區(qū)老人，在他們家中進(jìn)行了安防部署。主要在門、窗周圍安裝了門磁報(bào)警設(shè)備，室內(nèi)選取地點(diǎn)安裝了紅外報(bào)警設(shè)備，爭(zhēng)取使得室內(nèi)環(huán)境無盲點(diǎn)。對(duì)于廚房，安裝了燃?xì)鈭?bào)警裝備，以防止出現(xiàn)老人做完飯忘關(guān)煤氣灶的情況發(fā)生。對(duì)于一鍵報(bào)警設(shè)備，則是放在老人房間和浴室，以防突然情況發(fā)生。根據(jù)老人房間布局不同，報(bào)警設(shè)備安裝也有一些差異，選取葛大爺家報(bào)警設(shè)備安裝為例，如表1所示。

表1　報(bào)警傳感實(shí)際部署

具體實(shí)際安裝情況如圖5所示。

圖5　實(shí)際部署圖

對(duì)老人評(píng)估，采用蒙特利爾認(rèn)知評(píng)估總分為30分，合格為26以上，對(duì)老人認(rèn)知評(píng)估及門窗分析圖如圖6所示。

圖6　評(píng)估及門窗分析圖

目前系統(tǒng)已經(jīng)在50戶老人家中實(shí)際部署報(bào)警信息平臺(tái)，系統(tǒng)已運(yùn)行近半年，已累計(jì)收集報(bào)警信息800多條，對(duì)老人評(píng)估平均2～3次。在平臺(tái)運(yùn)行初期，我們發(fā)現(xiàn)，由于老人年紀(jì)偏大，會(huì)出現(xiàn)忘記進(jìn)行模式切換，而產(chǎn)生誤報(bào)的情況，我們進(jìn)行了加強(qiáng)記憶。同時(shí)，由于老人對(duì)手機(jī)和平板使用力度不夠，老人對(duì)腦健康評(píng)估系統(tǒng)APP還不太會(huì)使用，每次得由志愿者來輔助進(jìn)行。因此，我們聯(lián)合社區(qū)，開展了老年人平板及手機(jī)使用培訓(xùn)班。在系統(tǒng)運(yùn)行中期，經(jīng)過培訓(xùn)后老人掌握了手機(jī)及平板使用方法，自己可以定期進(jìn)行測(cè)量。

在平臺(tái)運(yùn)行后期，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。報(bào)警信息能夠及時(shí)到達(dá)工作人員手中，同時(shí)誤報(bào)率也大大減少。

4　結(jié)　語

本文使用基于隱式感知的技術(shù)為老人建立了一套認(rèn)知健康評(píng)估系統(tǒng)，用以解決老人居家健康評(píng)估存在檢驗(yàn)周期長(zhǎng)、執(zhí)行困難的問題。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了老人居家安全報(bào)警。本文介紹了系統(tǒng)架構(gòu)，主要功能模塊及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)過程。同時(shí)，選取了社區(qū)老人，在家中進(jìn)行實(shí)際環(huán)境部署。通過實(shí)際部署測(cè)試表明，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能有效持續(xù)性地對(duì)老人認(rèn)知進(jìn)行評(píng)估，解決了之前評(píng)估周期長(zhǎng)，易遺忘且執(zhí)行繁瑣的問題。同時(shí)，系統(tǒng)獲取老人報(bào)警信息準(zhǔn)確，能幫助獨(dú)居老人更好地享受老年生活。

目前系統(tǒng)主要為預(yù)測(cè)老人認(rèn)知下降，后期可通過設(shè)計(jì)并實(shí)施相應(yīng)的干預(yù)方案，對(duì)老人認(rèn)知健康的衰退進(jìn)行干預(yù)，提升老人的認(rèn)知水平，防止認(rèn)知進(jìn)一步衰退。實(shí)時(shí)干預(yù)方案后，可再次通過評(píng)估系統(tǒng)來檢驗(yàn)干預(yù)方案的效果，有效地管理老人認(rèn)知健康。以主動(dòng)干預(yù)、居家監(jiān)測(cè)為特征的老年健康照護(hù)平臺(tái)對(duì)推進(jìn)智慧養(yǎng)老發(fā)展有很大的促進(jìn)作用，未來發(fā)展需求只增不減。

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