基于STM32的嬰幼兒健康檢測(cè)系統(tǒng)

翁詩(shī)浩　余江明　韓梅　趙子涵　鮑金澤

摘要：本課題小組在調(diào)查了智能紙尿褲的發(fā)展情況以及排泄物成分的檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，以排泄物成分檢測(cè)為切入點(diǎn)，提出建立一個(gè)以紙尿褲為載體和用戶端、云端、醫(yī)院端三位一體可循環(huán)的嬰幼兒健康檢測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：嬰幼兒健康;尿液檢測(cè);智能紙尿褲;健康監(jiān)護(hù);可循環(huán)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）03-0242-03

1 理論價(jià)值

2019年5月9日，國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)3歲以下嬰幼兒照護(hù)服務(wù)發(fā)展的指導(dǎo)意見》（索引號(hào)：000014349/2019-00048），《意見》強(qiáng)調(diào)，發(fā)展嬰幼兒照護(hù)服務(wù)的重點(diǎn)是為家庭提供科學(xué)養(yǎng)育指導(dǎo)。但是對(duì)于絕大多數(shù)育兒家庭來(lái)說(shuō)，由于自身知識(shí)能力的局限以及社會(huì)對(duì)于科學(xué)養(yǎng)育的忽視，很難接收到科學(xué)有效的養(yǎng)育指導(dǎo)來(lái)監(jiān)測(cè)嬰幼兒的健康。

尿液在臨床上是一種常用的檢驗(yàn)材料， 尿液中組成的變化不但能夠反映泌尿生殖道內(nèi)發(fā)生的病變， 對(duì)一些全身性疾病也能夠通過(guò)尿液的成分改變而反映出來(lái)。因此通過(guò)檢測(cè)尿液可以得出非常有效的健康信息。

因此，本課題小組設(shè)計(jì)了以紙尿褲為載體的排泄物成分可循環(huán)檢測(cè)裝置——針對(duì)國(guó)家對(duì)于科學(xué)養(yǎng)育的要求，提出在紙尿褲上配置排泄物檢測(cè)裝置，科學(xué)有效地監(jiān)測(cè)嬰幼兒健康。

2 前期調(diào)查

查閱資料可見，政府強(qiáng)調(diào)發(fā)展科學(xué)育兒，傳統(tǒng)的嬰兒照護(hù)模式已滿足不了人民對(duì)于嬰幼兒照護(hù)服務(wù)的需求。從人體的排泄物中可以得出非常多有效的健康信息，而且因?yàn)閶雰河惺褂眉埬蜓澋男枨螅允占@些信息就變得更加方便。嬰幼兒身體的嬌弱性決定他們需要更細(xì)心的照護(hù)，然而傳統(tǒng)的照護(hù)模式不能滿足對(duì)于呵護(hù)嬰幼兒健康的需求。但是，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的研發(fā)都并未重視尿液中包含海量生理信息且紙尿褲是排泄物的天然收集體。然而，本課題小組查閱資料顯示國(guó)內(nèi)外基于紙尿褲來(lái)檢測(cè)尿液的研究基本缺失，因此設(shè)計(jì)一款智能檢測(cè)尿液成分的紙尿褲健康分析系統(tǒng)十分必要。

3 系統(tǒng)功能

3.1 功能總述

本方案旨在發(fā)明一種低成本可循環(huán)嵌套于嬰幼兒紙尿褲內(nèi)部的尿液檢測(cè)裝置，其功能為：實(shí)時(shí)檢測(cè)嬰幼兒尿液并通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)與手機(jī)app相連，后臺(tái)算法通過(guò)分析尿液成分并且綜合多項(xiàng)醫(yī)療數(shù)據(jù)給出合理的分析結(jié)果，促使用戶提前偵測(cè)嬰幼兒的生理變化，使嬰幼兒疾病防患于未然。具體功能描述如圖1所示。

3.2 實(shí)時(shí)健康檢測(cè)

團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了通過(guò)嵌入檢測(cè)設(shè)備于紙尿褲，檢測(cè)嬰幼兒尿液從而分析其生理健康的方式，真正做到了對(duì)嬰幼兒即時(shí)的生理信息監(jiān)測(cè)，避免了嬰幼兒反饋身體狀況能力有限的問(wèn)題，在對(duì)嬰幼兒進(jìn)行健康評(píng)估的同時(shí)，能得到精確到個(gè)體的動(dòng)態(tài)健康曲線模型，為其以后的健康發(fā)展做出科學(xué)的規(guī)劃和保障。

①將尿液檢測(cè)設(shè)備（可循環(huán)）放入定制的紙尿褲中，當(dāng)嬰幼兒排出尿液的時(shí)候，尿液會(huì)接觸設(shè)備的顏色傳感器，通過(guò)基本算法過(guò)濾得出初步尿液成分?jǐn)?shù)據(jù)。

②數(shù)據(jù)通過(guò)微型藍(lán)牙發(fā)送到手機(jī)終端，通過(guò)手機(jī)app終端上傳到后臺(tái)服務(wù)器。

③服務(wù)器通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算結(jié)合后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)和嬰幼兒的各項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)（如：年齡、性別）分析得出目前發(fā)生疾?。ㄈ纾焊篂a、感冒等）的概率及潛在的威脅。

3.3 醫(yī)療大數(shù)據(jù)分析

①后臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)送至醫(yī)院終端，醫(yī)院終端經(jīng)過(guò)篩選出特殊的個(gè)體數(shù)據(jù)由專業(yè)醫(yī)師進(jìn)行分析。

②醫(yī)師的分析結(jié)果將上傳至服務(wù)器端，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析的結(jié)果，精確化特殊個(gè)體的健康狀況，若目前幼兒的狀況不佳，可通過(guò)app及時(shí)通知就診。

③醫(yī)院終端通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同地區(qū)，不同年齡、不同氣候、不同體質(zhì)等的個(gè)體性質(zhì)差異下的嬰幼兒的健康情況，可以給出廣泛性的建議，通過(guò)服務(wù)器端傳送至app使大部分人知曉，以預(yù)防嬰幼兒疾病的發(fā)生，同時(shí)得到的具有廣泛意義的數(shù)據(jù)結(jié)論能夠幫助醫(yī)療工作者或研究人員做出更有效，更具有廣泛意義的治療決定。

3.4 嬰幼兒的動(dòng)態(tài)健康模型

①通過(guò)檢測(cè)裝置內(nèi)嵌的數(shù)據(jù)集中系統(tǒng)，建立與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)連接，將即時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，從而在中心服?wù)器存儲(chǔ)的長(zhǎng)期連續(xù)健康數(shù)據(jù)的前提下，建立模型收集個(gè)體健康信息與病例大數(shù)據(jù)對(duì)比分析，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)嬰幼兒的健康狀況進(jìn)行量化評(píng)估及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。即時(shí)反饋給用戶終端。

②基于大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行貝葉斯網(wǎng)絡(luò)建模，得到精確到個(gè)體的動(dòng)態(tài)健康模型，用戶可以根據(jù)需要在手機(jī)建立連接，了解到寶寶的健康曲線和科學(xué)評(píng)估，并在授權(quán)的前提下與醫(yī)療中心建立聯(lián)系以得到專業(yè)的醫(yī)療分析和意見。

③數(shù)據(jù)建模首先建立模型，在通過(guò)后續(xù)產(chǎn)生的連續(xù)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)學(xué)習(xí)，基于檢測(cè)端傳輸收集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)的匯總分析和階段建模。

4 技術(shù)說(shuō)明

4.1 基于單片機(jī)的可循環(huán)微型尿檢設(shè)備

以STM32F410單片機(jī)為核心集成了三刺激顏色傳感器AS7264N、STLC2690低耗高速的微型藍(lán)牙模塊微型SD 儲(chǔ)設(shè)卡和其他組件，通過(guò)在STM32F410 芯片上模擬、調(diào)試，再將編譯后的二進(jìn)制代碼程序燒到 SD 中，系統(tǒng)每次上電便從 SD 卡中啟動(dòng)文件，而顏色采集系統(tǒng)則采用顏色傳感器AS7264N模塊，這時(shí)微處理器STM32F410就要讀取 SD 卡中的顏色信息實(shí)現(xiàn)顏色的預(yù)處理、邊緣檢測(cè)、圖像分割等，從而得出初步的尿液檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)微型藍(lán)牙模塊將檢測(cè)得到的初步數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)app，app會(huì)通過(guò)連接后臺(tái)運(yùn)營(yíng)服務(wù)器，服務(wù)器算法結(jié)合大量相似生理數(shù)據(jù)及醫(yī)療數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能分析，從而得到精確到個(gè)體的健康分析。綜合以上信息流處理，得出圖2。

本設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如下圖所示，數(shù)字標(biāo)識(shí)說(shuō)明：1紙尿褲本體;2粘扣;3顏色傳感器;4藍(lán)牙;5sd卡;6電池;7單片機(jī);本設(shè)備紅色部分為可循環(huán)裝置，可以隨時(shí)安裝或者取下，其尺寸近似于成年人大拇指指甲蓋。同時(shí)定制紙尿褲的裝置安放處含有特質(zhì)綿軟材料，保證了無(wú)存在感，試紙直接附于紙尿褲上，僅貼顏色傳感器。

4.2 裝置硬度分析

經(jīng)過(guò)本小組初步研究的STM32F410芯片，其尺寸為2.55mm*2.58mm，通過(guò)集成微型Bluetooth及顏色傳感器等相關(guān)設(shè)備，小組最終得到的純?cè)O(shè)備大小不超過(guò)一個(gè)指甲蓋，同時(shí)，外層包裹特殊的綿軟材質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)最大程度的無(wú)存在感。

4.3 設(shè)備拓展分析

該設(shè)備通過(guò)以STM32F410芯片為核心，可以將測(cè)量的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率帶分割，在檢測(cè)時(shí)，使對(duì)應(yīng)的梯度和濃度準(zhǔn)確地與頻率范圍相吻合，使得各獨(dú)立反應(yīng)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)果更為有效，最后在得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，對(duì)系統(tǒng)可能存在的誤差進(jìn)行了分析，使得該技術(shù)能夠達(dá)到相應(yīng)要求，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，運(yùn)行穩(wěn)定。同時(shí)，酶聯(lián)免疫吸附技術(shù)主要借助抗體和輪狀病毒結(jié)構(gòu)蛋白之間的特異性反應(yīng)來(lái)實(shí)踐檢測(cè)，以會(huì)導(dǎo)致嬰幼兒嚴(yán)重腹瀉的輪狀病毒為例，該病毒會(huì)大量寄生在腸道內(nèi)，并隨糞便排出體外。若嬰幼兒感染此類病毒，如果后續(xù)技術(shù)條件成熟，此設(shè)備后續(xù)可拓展通過(guò)在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的固相表面上病毒的結(jié)合程度，便可通過(guò)對(duì)糞便中病毒的含量分析提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在上傳至云端后，可以由醫(yī)療中心得到個(gè)體的染病情況，同時(shí)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器能通過(guò)對(duì)地區(qū)的染病情況匯總，得到該病毒的傳播情況和發(fā)病趨勢(shì)，并做出有效預(yù)防措施。

4.4 App設(shè)計(jì)

App設(shè)計(jì)功能初步包含檢測(cè)實(shí)時(shí)更新結(jié)果、疾病分析預(yù)測(cè)、各項(xiàng)指標(biāo)圖、醫(yī)師建議、在線問(wèn)診、社區(qū)論壇等部分。在對(duì)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總并交由醫(yī)療中心進(jìn)行處理分析后，在通過(guò)中心服務(wù)器將分析數(shù)據(jù)和健康情況更新在用戶app上，用戶可在app中即時(shí)了解寶寶的生理健康狀況和醫(yī)生的專業(yè)分析建議，用戶可在圈內(nèi)“刷”到有關(guān)寶寶健康的專業(yè)文章，為寶寶健康成長(zhǎng)提供完整的專業(yè)服務(wù)。

5 特色創(chuàng)新

5.1 基于紙尿褲的尿液檢測(cè)裝置

創(chuàng)新性地提出了通過(guò)嵌入檢測(cè)設(shè)備于紙尿褲，檢測(cè)嬰幼兒尿液從而分析其生理健康的方式，真正做到了對(duì)嬰幼兒即時(shí)的生理信息監(jiān)測(cè)，避免了嬰幼兒反饋身體狀況能力有限的問(wèn)題，在對(duì)嬰幼兒進(jìn)行健康評(píng)估的同時(shí)，能得到精確到個(gè)體的動(dòng)態(tài)健康曲線模型，為其以后的健康發(fā)展做出科學(xué)的規(guī)劃和保障。

5.2 用戶端、服務(wù)器端和醫(yī)院端三位一體的數(shù)據(jù)利用

服務(wù)器收集來(lái)自用戶端的海量數(shù)據(jù)，可通過(guò)建立用戶各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)模型，利用數(shù)據(jù)處理算法，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，得到一個(gè)具有廣泛意義的醫(yī)學(xué)分析模型，可初步判斷用戶的基本情況并提供相應(yīng)建議。醫(yī)院可以通過(guò)數(shù)據(jù)篩選，精確到對(duì)特殊患病個(gè)體的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由專業(yè)醫(yī)師進(jìn)行進(jìn)一步的診斷。這樣保證了既保證了治療的及時(shí)性，又節(jié)省了客戶到醫(yī)院就診的時(shí)間，也減少了醫(yī)院人群的密度，使得醫(yī)療資源分配更加合理。

5.3 低成本、可循環(huán)利用

檢測(cè)分析裝置只需配備檢測(cè)系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)，具有成本低廉的特點(diǎn)。檢測(cè)裝置由柔軟親膚的材質(zhì)包裹，放入配套紙尿褲中，檢測(cè)結(jié)束后只需更換配套紙尿褲即可進(jìn)行下次檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的可循環(huán)利用。產(chǎn)品低價(jià)能有效減少用戶的經(jīng)濟(jì)壓力，從而降低用戶流失率。

6 后續(xù)發(fā)展

6.1 市場(chǎng)分析

將紙尿褲市場(chǎng)進(jìn)行細(xì)分，智能檢測(cè)紙尿褲的消費(fèi)者群體為有年齡在六個(gè)月到兩周歲的嬰幼兒的家庭。隨著二孩政策的實(shí)行，越來(lái)越多的家庭有了新生命的誕生，對(duì)紙尿褲的需求量大大增加。同時(shí)，由于嬰幼兒父母的工作壓力大，照看嬰幼兒的時(shí)間有限，對(duì)嬰幼兒健康狀況的監(jiān)控與預(yù)防便顯得尤為重要。智能檢測(cè)紙尿褲以簡(jiǎn)便快捷的使用方法與反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)代嬰幼兒家庭與醫(yī)院的有機(jī)聯(lián)通。目前市面上暫時(shí)沒(méi)有專注于嬰兒尿液和糞便檢測(cè)功能的紙尿褲，但對(duì)此類產(chǎn)品的市場(chǎng)需求已十分旺盛。本產(chǎn)品基于傳統(tǒng)紙尿褲的基礎(chǔ)功能，拓展關(guān)于監(jiān)測(cè)嬰幼兒健康狀況的智能系統(tǒng)，能夠一定程度上彌補(bǔ)當(dāng)前紙尿褲市場(chǎng)的空缺。

6.2 產(chǎn)品定價(jià)

STM32芯片投入、檢驗(yàn)技術(shù)研發(fā)等成本的投入使其售價(jià)高于普通紙尿褲?？紤]到尿液與病毒的檢驗(yàn)技術(shù)和交互功能的實(shí)現(xiàn)成本，基于新型健康動(dòng)態(tài)分析模式的可循環(huán)智能檢測(cè)裝置售價(jià)預(yù)計(jì)在500元左右每件，用于搭配使用的配套紙尿褲售價(jià)預(yù)計(jì)在1元左右每件，此價(jià)格在大眾所能接受的范圍內(nèi)。

6.3 技術(shù)前瞻

在芯片以及單片機(jī)結(jié)構(gòu)有新突破時(shí)，可采用更先進(jìn)的芯片與單片機(jī)技術(shù)。

在醫(yī)療檢測(cè)技術(shù)有提升后，采用更先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)，對(duì)于身體健康數(shù)據(jù)進(jìn)行更全方位的檢測(cè)。

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