關(guān)于醫(yī)院和養(yǎng)老院的智能醫(yī)療手表的設(shè)計(jì)與研究

高晶晶 王子涵 張?zhí)烊?張蓓蓓 姜雪 陳瓊子

摘要：根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)IDC最新發(fā)布的《全球健康醫(yī)療行業(yè)2021年預(yù)測(cè)—中國(guó)啟示》這一報(bào)告顯示：預(yù)計(jì)2021年全球第一季度的可穿戴醫(yī)療設(shè)備發(fā)貨量將不斷增長(zhǎng)。此外，伴隨著社會(huì)人口的老齡化，老年住院患者的數(shù)量也將大幅增加。因此，老年人的身體健康問(wèn)題顯得愈發(fā)重要，急需更完善的保障。而與現(xiàn)狀形成矛盾的是，目前市場(chǎng)已存在的智能醫(yī)療手表均存在無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、功能單一、數(shù)據(jù)精確度較低和數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)共享等功能短板。本文從老年人和住院患者的角度出發(fā)，旨在設(shè)計(jì)一款用于醫(yī)院和養(yǎng)老院的智能醫(yī)療監(jiān)測(cè)手表，不斷改善老人、各大醫(yī)院就診患者、住院患者的就醫(yī)住院體驗(yàn)，且融合UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精準(zhǔn)定位，以方便醫(yī)院、養(yǎng)老院對(duì)患者或老人的身體狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：住院患者;老年人;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

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

文章編號(hào)：1009-3044（2022）06-0085-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

目前，市場(chǎng)上已存在類似的智能監(jiān)測(cè)設(shè)備，但功能都有所欠缺，例如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法達(dá)到醫(yī)療級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，與醫(yī)療系統(tǒng)脫離;或配備眾多輔助設(shè)備，未考慮到病患群體、老年人群體不善于操作復(fù)雜設(shè)備的缺點(diǎn)等。

為使功能更加完備、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)更加精準(zhǔn)，本文將生命體征的眾多監(jiān)測(cè)指標(biāo)（心率、心電、血氧、體溫、血壓）集成于一塊智能醫(yī)療手表中，內(nèi)部設(shè)置多種傳感器和主控芯片STM32精準(zhǔn)獲取各項(xiàng)指標(biāo)的醫(yī)療級(jí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行綜合分析，從而真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

佩戴者的生命體征等數(shù)據(jù)會(huì)被傳送至醫(yī)療監(jiān)測(cè)平臺(tái)，方便醫(yī)生實(shí)時(shí)或定期了解數(shù)據(jù)并進(jìn)行診斷治療。此外，為防止老人摔倒等突發(fā)狀況發(fā)生，本團(tuán)隊(duì)在手表內(nèi)部增加了三軸加速度傳感器與UWB定位技術(shù)，若老人摔倒將立刻獲得具體摔倒位置，將信息傳送給監(jiān)控人員并及時(shí)報(bào)警。

1 設(shè)計(jì)方案

設(shè)計(jì)目標(biāo)從以下三個(gè)方面考慮：

1） 設(shè)備的特色功能。設(shè)備的特色功能是在手表硬件基礎(chǔ)上的軟件延伸，手表主要是為醫(yī)院和養(yǎng)老院提供管理便捷，和市場(chǎng)一眾的智能手表最根本區(qū)別是可以接入醫(yī)院和養(yǎng)老院系統(tǒng)內(nèi)部，而不是只針對(duì)佩戴者推出的終端設(shè)備。此外，本手表兼具心率、心電、血氧、體溫和血壓這五種生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，另外通過(guò)加速度傳感器實(shí)現(xiàn)摔倒監(jiān)測(cè)功能，利用UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精準(zhǔn)定位和數(shù)據(jù)的快速傳輸。

2） 設(shè)備易用性。復(fù)雜的操作會(huì)降低使用效率，對(duì)于醫(yī)院和養(yǎng)老院來(lái)說(shuō)，使用本設(shè)備其中一個(gè)主要原因就是提高管理效率;對(duì)于老人來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的操作更是必要的需求。為此，提供可觸摸屏幕和一個(gè)實(shí)體按鍵，佩戴者通過(guò)屏幕即可以完成所有信息查看，實(shí)體按鍵專為緊急報(bào)警設(shè)計(jì)，以保證在緊急情況下佩戴者方便操作。為降低充電頻率，內(nèi)部主板層疊設(shè)計(jì)為電池留出更大空間，同時(shí)使用OLED屏幕保證節(jié)電。

3） 工業(yè)設(shè)計(jì)。對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)外觀設(shè)計(jì)是取得市場(chǎng)地位的主要力量之一，產(chǎn)品的造型除了能給人美的感受以外還能夠體現(xiàn)產(chǎn)品的功能特點(diǎn)。此外，考慮到本產(chǎn)品的佩戴群體的特殊性，患者和老年人更加需要保持良好的心情，外觀設(shè)計(jì)則更要充分考慮美學(xué)藝術(shù)。

首先是表盤(pán)，為方便佩戴者觀看，選擇直徑顯示面積更大的方形表盤(pán)，可以一定程度減少通過(guò)復(fù)雜操作才能獲取信息的步驟。產(chǎn)品其他形態(tài)設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)潔為主，手表邊框與表盤(pán)和底部做弧形過(guò)渡設(shè)計(jì)以保證設(shè)計(jì)一體性。腕帶設(shè)計(jì)為可拆卸式，借鑒市面上運(yùn)動(dòng)手環(huán)腕帶設(shè)計(jì)再結(jié)合此產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)理念，腕帶邊緣為圓弧過(guò)渡，減少了佩戴時(shí)的鋒利感。為方便佩戴和減輕手表重量，腕帶固定方式為按扣式。

材料的選擇不僅會(huì)影響產(chǎn)品外觀的細(xì)節(jié)和質(zhì)感更直接決定佩戴舒適度，對(duì)長(zhǎng)時(shí)間使用本產(chǎn)品的老人和病人來(lái)說(shuō)材料選擇尤其重要。7系鋁合金是一種高強(qiáng)度可塑性高的材料，設(shè)備表殼使用7系鋁合金既減輕了重量又保證了表體的硬度，同時(shí)相對(duì)其替代品不銹鋼加工難度和物料成本都更低，在外觀處理上做電鍍氧化使產(chǎn)品外觀更美觀。表帶材料使用氟橡膠，由氟橡膠材質(zhì)制成的表帶，觸感順滑細(xì)膩、質(zhì)地柔軟，更適合人體皮膚。面板采用的材質(zhì)是藍(lán)寶石玻璃，藍(lán)寶石玻璃由人工合成，其主要成分是三氧化二鋁，具有較高的抗磨損性能，因?yàn)榇嗽O(shè)備會(huì)長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)使用，佩戴情況復(fù)雜，更耐磨的材質(zhì)可以延長(zhǎng)手表使用壽命。

2 技術(shù)方案

利用多種傳感器作為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴者各種生命體征的硬件支撐，利用UWB技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)定位功能，同時(shí)在醫(yī)院場(chǎng)景下推出特色的輸液檢測(cè)功能。以上各種信息最終借助第三方云平臺(tái)實(shí)時(shí)反饋到管理方終端，方便工作人員進(jìn)行統(tǒng)一集中管理。

2.1 UWB室內(nèi)定位

當(dāng)患者突發(fā)疾病時(shí)，患者一鍵報(bào)警，管理者通過(guò)UWB定位系統(tǒng)找到患者，及時(shí)開(kāi)展救援;當(dāng)患者處于危險(xiǎn)狀態(tài)（如昏迷）而無(wú)法主動(dòng)報(bào)警，靜止不動(dòng)的時(shí)間超過(guò)了設(shè)定的時(shí)長(zhǎng)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息，提醒管理者及時(shí)救援，防止未及時(shí)發(fā)現(xiàn)而錯(cuò)失救援最佳時(shí)機(jī)的情況發(fā)生。

2.2 生命體征監(jiān)測(cè)

生命體征采集模塊的主控制芯片使用的是STM32芯片，其負(fù)責(zé)采集患者生命體征信號(hào)（心率、心電、血壓、體溫、血壓），并且將初步處理后的生命體征信息通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送至監(jiān)控終端進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總與具體分析。以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)常規(guī)心電圖中難以發(fā)現(xiàn)的心律失常和心肌缺血再經(jīng)由無(wú)線傳輸模塊將生命體征信號(hào)傳輸至監(jiān)控中心處理服務(wù)器，如果數(shù)據(jù)偏離預(yù)設(shè)正常值，中央端如若監(jiān)測(cè)到數(shù)據(jù)異常立馬啟動(dòng)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)患者生命體征狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

（1） 心率監(jiān)測(cè)

因?yàn)閱螌?dǎo)聯(lián)監(jiān)護(hù)模塊具有功耗較低，效率較高，較為簡(jiǎn)單方便且準(zhǔn)確度高等性能優(yōu)點(diǎn)，所以采用單導(dǎo)聯(lián)心率測(cè)量的方式對(duì)心率數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。單導(dǎo)聯(lián)監(jiān)護(hù)模塊會(huì)對(duì)佩戴者的生物電信號(hào)進(jìn)行集成及提取，并且過(guò)濾一些較為微弱的生物電信號(hào)，以此確定佩戴者的動(dòng)態(tài)心率數(shù)據(jù)。

（2） 心電監(jiān)護(hù)

手表內(nèi)置測(cè)量心電數(shù)據(jù)的電極，可以利用電極來(lái)實(shí)時(shí)捕獲心臟在興奮的過(guò)程中產(chǎn)生的生物電信號(hào)，信號(hào)會(huì)先通過(guò)緩沖電路，再由前置放大電路將生物電信號(hào)進(jìn)行放大，經(jīng)由高通濾波電路，主放大和低通濾波電路后，最終得到心電波形，內(nèi)置的STM32芯片則將進(jìn)一步對(duì)心電數(shù)據(jù)初步分析和處理。

（3） 血氧監(jiān)測(cè)

手表內(nèi)置血氧飽和度探頭，血氧探頭能夠監(jiān)測(cè)到血液對(duì)紅外光吸收的變化量，并且血氧飽和度探頭能夠計(jì)算出血紅蛋白的濃度以及血氧飽和度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)佩戴著的血氧數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（4） 體溫采集

本手表內(nèi)置溫度傳感器收集電平信號(hào)，不再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，而是直接將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，利用 STM32的IO口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與讀取。

（5） 血壓監(jiān)測(cè)

使用PWTT算法（結(jié)合心電圖和脈搏波測(cè)量血壓），通過(guò)脈搏波信號(hào)PPG與心電信號(hào)ECG獲得脈搏信息傳輸?shù)臅r(shí)間，并且與一些常規(guī)的身體參數(shù)（如身高、體重）相結(jié)合得出脈搏波傳遞速度演算出血壓值。

2.3 摔倒監(jiān)測(cè)

將三軸加速度傳感器與UWB技術(shù)相結(jié)合，當(dāng)佩戴者摔倒時(shí)，三軸加速度傳感器會(huì)對(duì)加速度信息進(jìn)行初步判定，再結(jié)合 UWB定位模塊判定佩戴者的位置信息，并且將位置信息上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)平臺(tái)，發(fā)出摔倒警報(bào)，以便把握救援時(shí)間進(jìn)行救援。如果判定佩戴者在摔倒后的預(yù)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有任何反應(yīng)，將會(huì)自動(dòng)撥打急救電話，并向你的緊急聯(lián)系人發(fā)送信息。

3 結(jié)論

綜上所述，本文設(shè)計(jì)了一款針對(duì)老年人和住院患者的生命體征數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的智能醫(yī)療手表，并將這些數(shù)據(jù)與手機(jī)以及醫(yī)院監(jiān)測(cè)端同步，通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被監(jiān)測(cè)對(duì)象的身體健康狀態(tài)，從而方便患者接受醫(yī)治、預(yù)防重大疾病的發(fā)生、減輕醫(yī)院管理人員的工作負(fù)擔(dān)。較現(xiàn)有的商業(yè)智能醫(yī)療手表而言，該智能醫(yī)療手表的設(shè)計(jì)使用更便捷、對(duì)數(shù)據(jù)采集更及時(shí)和醫(yī)療指導(dǎo)功能更強(qiáng)大。未來(lái)還可以進(jìn)一步改善電池的壽命問(wèn)題，力求能夠在高可靠性和高傳輸效率完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信的同時(shí)保障手表?yè)碛休^高的續(xù)航能力，從而為佩戴者提供質(zhì)量和準(zhǔn)確度更高，指導(dǎo)性更強(qiáng)的治療意見(jiàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上，本文所設(shè)計(jì)的智能醫(yī)療手表可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老人所在的位置、體態(tài)狀況、生命體征情況，不僅能夠防止老年人出現(xiàn)安全意外，還能對(duì)老人的健康實(shí)時(shí)追蹤，與醫(yī)療系統(tǒng)掛鉤，對(duì)于老人長(zhǎng)期的健康護(hù)理有著莫大的作用。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】