一種居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

袁 標(biāo)，陳天星，楊玉潔，魯瑋平

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都610000）

傳染性疾病自古以來(lái)都是人們談之色變的一個(gè)話(huà)題。人類(lèi)在與傳染病斗爭(zhēng)的過(guò)程中，漸漸摸索到了扼制傳染病傳播的方法[1]。當(dāng)傳染性病毒爆發(fā)時(shí)，只有實(shí)施科學(xué)的防控隔離措施才能起到事半功倍的作用。對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)的人員應(yīng)實(shí)施不同的隔離措施，對(duì)中低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)的非密切接觸者人群而言，實(shí)行統(tǒng)一的集中隔離會(huì)造成一定的醫(yī)療資源浪費(fèi)。此時(shí)，居家隔離也就成為了解決這種矛盾的有效措施。

因此，本文設(shè)計(jì)出一套智能化、高效化的居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了與之匹配的下位機(jī)-手環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)體溫、血氧濃度、心率、跌倒檢測(cè)和室內(nèi)實(shí)時(shí)定位功能，推進(jìn)了居家隔離監(jiān)管方式的智能化。

1 居家隔離的現(xiàn)狀

居家隔離是國(guó)家疫情防控體系中不可缺失的一環(huán)，國(guó)務(wù)院最新《新型冠狀病毒肺炎防控方案（第八版）》將居家隔離對(duì)象劃分為了四類(lèi)：（1）密切接觸者和密切接觸者中的特殊人群[2]；（2）實(shí)施“7+7”的入境人員；（3）出院后的患者和解除隔離后的無(wú)癥狀感染者；（4）其他經(jīng)專(zhuān)業(yè)人員評(píng)估無(wú)法進(jìn)行集中隔離醫(yī)學(xué)觀察的人員。其中實(shí)施“7+7”的入境人員，結(jié)束集中隔離醫(yī)學(xué)觀察后繼續(xù)7天居家醫(yī)學(xué)觀察，其他人員均采取14天居家醫(yī)學(xué)觀察[2]。居家隔離者被要求每天早晚主動(dòng)測(cè)量體溫并將結(jié)果匯報(bào)給監(jiān)測(cè)管理人員，若出現(xiàn)發(fā)熱、干咳、乏力、腹瀉等癥狀時(shí)，應(yīng)及時(shí)報(bào)備疾控中心，并送往相應(yīng)定點(diǎn)醫(yī)院診治觀察。

目前，居家隔離監(jiān)管方式大多為社區(qū)工作人員與小區(qū)安保人員通過(guò)監(jiān)控實(shí)行聯(lián)防聯(lián)控，存在中風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)人員返回低風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)，因疾控中心與地方社區(qū)溝通不及時(shí)，導(dǎo)致極個(gè)別本應(yīng)實(shí)施居家隔離的人員未能被納入管理的情況。境外歸國(guó)人員因已實(shí)施過(guò)集中隔離，到家后放松警惕，不進(jìn)行居家隔離，私自出門(mén)等現(xiàn)象[3]。居家隔離需涉及疾控中心、醫(yī)務(wù)人員、社區(qū)管理人員、小區(qū)物管與居家隔離者等多方人員協(xié)同工作，但是各方人員之間卻又存在信息交互滯后的問(wèn)題。其監(jiān)測(cè)也未采取智能化的方式，只有極少數(shù)小區(qū)在隔離點(diǎn)安裝攝像頭進(jìn)行人臉識(shí)別監(jiān)測(cè)，沒(méi)有對(duì)居家隔離人員健康狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。醫(yī)護(hù)人員采取定時(shí)上門(mén)或者通過(guò)撥打電話(huà)對(duì)隔離人員進(jìn)行監(jiān)管與健康狀態(tài)調(diào)查。當(dāng)隔離者未測(cè)量體溫或故意瞞報(bào)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致醫(yī)務(wù)人員不能及時(shí)獲得其健康狀況，造成嚴(yán)重的后果。

2 居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

通過(guò)對(duì)以往各類(lèi)流行性傳染病的研究，如非典、甲型H1N1、H7N9流感、新型冠狀病毒等，發(fā)現(xiàn)大部分流行性傳染病在發(fā)病初期都有相似的臨床表現(xiàn)癥狀[4]。其前期征兆主要表現(xiàn)為發(fā)熱，咳嗽，血氧濃度降低，嚴(yán)重者甚至出現(xiàn)昏厥的現(xiàn)象[5]。為此，本文設(shè)計(jì)的居家隔離系統(tǒng)針對(duì)傳染病前期表現(xiàn)癥狀，配置了體溫模塊、心率/血氧濃度模塊、跌倒檢測(cè)模塊。同時(shí)，為了檢測(cè)隔離人員的位置，設(shè)置了WIFI室內(nèi)定位模塊[6]。居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由用戶(hù)端、管理端、家庭端和服務(wù)器組成，并通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)緊密相連[7]。

用戶(hù)端的手環(huán)硬件組成如圖2所示，其手環(huán)硬件PCB原理圖如圖3所示。手環(huán)選用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6微控制器，包含了體溫模塊、心率/血氧濃度模塊、跌倒檢測(cè)模塊、WIFI室內(nèi)定位模塊和電源模塊[8]。通過(guò)家庭WIFI網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)居家隔離人員健康信息的采集以及上傳。

圖2 手環(huán)硬件圖

圖3 手環(huán)硬件PCB原理圖

管理端人員由疾控中心、醫(yī)護(hù)人員、社區(qū)管理人員以及小區(qū)物管構(gòu)成。并且管理人員有著不同的任務(wù)分工，各司其職，其角色具體任務(wù)如下所示：

（1）疾控中心為最高權(quán)限管理者，在Web端負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)所有居家隔離人員健康數(shù)據(jù)并統(tǒng)籌調(diào)配其他管理人員。當(dāng)監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)時(shí)，首先進(jìn)入平臺(tái)的人員管理模塊，調(diào)取隔離者信息后撥打電話(huà)核實(shí)異常情況，同時(shí)下發(fā)命令給社區(qū)及物業(yè)管理人員，使其到居家隔離點(diǎn)核實(shí)。然后疾控中心根據(jù)物管上報(bào)的信息決定是否通知醫(yī)務(wù)人員上門(mén)檢測(cè)。若醫(yī)務(wù)人員檢測(cè)后確認(rèn)隔離者健康異常，疾控中心再調(diào)配相關(guān)醫(yī)療資源，送居家隔離者至定點(diǎn)醫(yī)院接受治療。

（2）醫(yī)務(wù)人員在Web端接收平臺(tái)傳輸?shù)慕】禂?shù)據(jù)，給予醫(yī)療建議，上報(bào)給疾控中心。并等待執(zhí)行疾控中心后續(xù)指令。

（3）社區(qū)管理人員與小區(qū)物管是連接疾控中心與隔離者重要的一環(huán)，他肩負(fù)起了核實(shí)手環(huán)示警的可靠度這一重要任務(wù)。工作人員在手機(jī)端APP上既能查看所屬管轄地區(qū)隔離者的住址和健康信息，又可接收疾控中心的任務(wù)安排。

家庭端由居家隔離者和隔離者家庭成員構(gòu)成，隔離者通過(guò)居家隔離系統(tǒng)的APP端只能查詢(xún)自己的健康參數(shù)以及醫(yī)療建議。其家庭成員也可通過(guò)相應(yīng)賬號(hào)查詢(xún)到隔離人員狀況。

服務(wù)器包括了Web云端數(shù)據(jù)處理平臺(tái)、應(yīng)用服務(wù)器以及數(shù)據(jù)庫(kù)。手環(huán)上采集到的信息通過(guò)WIFI網(wǎng)絡(luò)上傳到Internet，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)云端處理中心處理并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)[9]。既為醫(yī)務(wù)人員對(duì)隔離者的健康狀況分析提供了數(shù)據(jù)支撐，又可將其作為隔離期滿(mǎn)后解除隔離的依據(jù)。

2.2 居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能與原理

居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)手環(huán)實(shí)時(shí)采集生理參數(shù)的方式對(duì)隔離人員進(jìn)行24小時(shí)全天候管理，解決了傳統(tǒng)人工監(jiān)管模式成本高，不能實(shí)時(shí)監(jiān)管的問(wèn)題，降低了感染風(fēng)險(xiǎn)。加強(qiáng)了各方管理人員之間的信息流動(dòng)，形成了一個(gè)隔離人員管理流程的閉環(huán)。其主要功能由隔離人員信息管理、各模塊聯(lián)合報(bào)警功能、人員調(diào)度、健康數(shù)據(jù)與個(gè)人信息的查看、健康數(shù)據(jù)分析五部分組成，系統(tǒng)整體工作流程如圖4所示。

圖4 居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

2.2.1 隔離人員信息管理

疾控中心在人員管理模塊對(duì)居家隔離人員進(jìn)行個(gè)人信息以及隔離點(diǎn)的詳細(xì)登記，確保每個(gè)居家隔離者都被納入管理。后續(xù)手環(huán)采集的生理參數(shù)和異常次數(shù)都將展示到個(gè)人信息頁(yè)面。管理人員可通過(guò)此模塊查看各隔離者的信息以及健康狀態(tài)。

2.2.2 各模塊聯(lián)合報(bào)警功能

手環(huán)可以實(shí)現(xiàn)定位、體溫檢測(cè)、跌倒檢測(cè)、心率/血氧檢測(cè)功能，各模塊聯(lián)合報(bào)警工作流程如圖5所示。

圖5 各模塊聯(lián)合報(bào)警工作流程圖

（1）定位功能

系統(tǒng)使用ESP8266WIFI模塊接入網(wǎng)絡(luò)，手環(huán)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至ESP8266模塊，再經(jīng)過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至云平臺(tái)服務(wù)器。系統(tǒng)根據(jù)能否接收到手環(huán)傳送的數(shù)據(jù)來(lái)判斷隔離者是否居家隔離，實(shí)現(xiàn)定位功能。為防止隔離者使用手機(jī)熱點(diǎn)代替WIFI連接，導(dǎo)致定位功能失效，隔離者使用的系統(tǒng)APP界面無(wú)聯(lián)網(wǎng)功能。手環(huán)首次使用時(shí)，聯(lián)網(wǎng)只能通過(guò)管理人員APP端進(jìn)行。

（2）體溫檢測(cè)功能

體溫是反映人體健康狀況的重要指標(biāo)，本系統(tǒng)使用DS18B20接觸式溫度傳感器，參考人體正常溫度范圍，系統(tǒng)將溫度報(bào)警閾值下限設(shè)置為36度，上限為37.2度。當(dāng)體溫在正常范圍內(nèi)時(shí)，手環(huán)每隔5分鐘向平臺(tái)發(fā)送1次數(shù)據(jù)。若超出范圍，立刻聯(lián)合心率/血氧模塊判斷是否需要警示疾控中心管理者，同時(shí)將發(fā)送數(shù)據(jù)頻率改為每分鐘發(fā)送1次。

（3）跌倒檢測(cè)功能

若居家隔離者在隔離期間突然暈倒、休克，為爭(zhēng)取更多搶救時(shí)間，手環(huán)使用三軸加速度傳感器ADXL345實(shí)現(xiàn)跌倒?fàn)顟B(tài)檢測(cè)功能。當(dāng)檢測(cè)到居家隔離者跌倒后，立刻聯(lián)合心率/血氧模塊判斷隔離者是否暈厥。

（4）心率/血氧檢測(cè)功能

光電傳感器MAX30102通過(guò)紅外LED燈的照射，得到心率的ADC值，可經(jīng)過(guò)算法轉(zhuǎn)換得出心率。又因?yàn)閿y帶氧氣的紅血球能夠吸收較多的紅外光，利用不同紅血球吸收光譜不同的原理可分析得出人體的血氧濃度[10]。為增大報(bào)警的準(zhǔn)確性，當(dāng)其心率、血氧未在設(shè)置的閾值內(nèi)時(shí)，需要聯(lián)合體溫模塊共同判斷。

2.2.3 人員調(diào)度

疾控中心作為居家隔離系統(tǒng)的最高權(quán)限者，負(fù)責(zé)隔離人員的整體監(jiān)測(cè)以及其他工作人員任務(wù)的分配。疾控中心通知隔離者所屬社區(qū)以及小區(qū)物管協(xié)助落實(shí)居家隔離。當(dāng)隔離人員出現(xiàn)異常時(shí)，疾控中心首先查看異常人員的信息，撥打電話(huà)詢(xún)問(wèn)異常原因，然后再通過(guò)工作人員調(diào)度模塊，安排物管或醫(yī)務(wù)人員至隔離點(diǎn)檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)人員傳回平臺(tái)的信息，進(jìn)行后續(xù)工作的分配。

2.2.4 健康數(shù)據(jù)與個(gè)人信息的查看

因居家隔離者的信息與健康數(shù)據(jù)屬于個(gè)人隱私，需要嚴(yán)格控制查看權(quán)限。不同的角色對(duì)應(yīng)了不同的查看權(quán)限。疾控中心可查看所有隔離人員的健康數(shù)據(jù)與個(gè)人信息。醫(yī)務(wù)人員可獲取個(gè)人健康相關(guān)的數(shù)據(jù)。社區(qū)管理人員以及小區(qū)物管只能獲取所管轄地區(qū)的隔離人員健康數(shù)據(jù)以及其他非敏感的個(gè)人信息（如姓名、隔離點(diǎn)位置、聯(lián)系電話(huà)等）。居家隔離者及其親屬，通過(guò)居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)APP端可查詢(xún)到屬于自己的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及醫(yī)療建議。

2.2.5 健康數(shù)據(jù)分析

手環(huán)采集到的各種健康數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絎eb云端數(shù)據(jù)處理平臺(tái)并保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)，醫(yī)務(wù)人員可根據(jù)隔離者的歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，既可判斷隔離者的健康狀態(tài)，給予相應(yīng)的醫(yī)療建議，又可將其作為隔離期滿(mǎn)后解除隔離的依據(jù)。

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

基于本文設(shè)計(jì)的居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試，上位機(jī)Web端能夠接收到下位機(jī)通過(guò)WIFI發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并且顯示在Web端的界面上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)居家隔離人員的智能化管理[11]，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。在兩天內(nèi)對(duì)單個(gè)下位機(jī)手環(huán)進(jìn)行不間斷的測(cè)試，結(jié)果表明該手環(huán)能夠連續(xù)的采集居家隔離人員的身體健康參數(shù)并且各模塊采集的數(shù)據(jù)誤差均在可接受范圍內(nèi)。各模塊與各專(zhuān)業(yè)工具采集的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

圖6 居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Web界面圖

表1 部分模塊測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

新冠肺炎疫情自2019年末爆發(fā)以來(lái)，中國(guó)政府采取強(qiáng)有力的應(yīng)對(duì)措施。經(jīng)過(guò)全國(guó)人民的不懈努力，國(guó)內(nèi)疫情得到了良好的控制[12]。由此，居家隔離的重點(diǎn)也應(yīng)由國(guó)內(nèi)轉(zhuǎn)向境外歸國(guó)人員。加強(qiáng)完善居家隔離措施是疫情防控體系中尤為重要的一環(huán)。本文提出的居家隔離健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為疫情防控提供了良好的技術(shù)手段，便于疾控中心對(duì)隔離人員實(shí)行高效的管理。