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作者:鄭智銘(2001-04-27),推薦:徐業良(2001-04-27)

居家環境中非察覺性生理資料擷取機制-初期規劃

1. 居家環境與健康監測整合的優勢

一般人對“家”的印象僅侷限於休閒睡眠的場所,其實這僅是最基本的層面而已,許多學者與企業已經看到了居家環境除休閒與休息外的更多可能性,紛紛投入未來之屋的原型開發與研究工作。美國“Popular Science”“National Association of Home Building Research Center”2001年所設立的「創新住宅科技獎(Innovative Housing Technology Awards)中,IBM公司的子部門“Home Director”所開發的家庭系統中已經配備了完整的網路管線,居住者不但可以由高速網路上網,更可以藉由網路控制、觀看住宅內各項電器與冷暖氣的使用情形,完善的保全系統讓你在辦公室也能觀察家裡的情況,但是這套系統高達兩萬美元[Philips, 2001)。另一個未來住宅的例子是日本Matsushita公司所進行的「HII計畫(The healthy home of the future comes to Japan)」,其「健康之家(Healthy home)」的全自動健康監測,包含隱藏在馬桶的微型感測器測量體重、體脂肪比率,尿液中的含糖量,以及臥室心電圖,血糖的測量等,提供專屬家庭醫生相關的健康監測資料作為診斷依據。HII計畫的主持人Tsutomu Asabe指出,相關的各式生醫技術已經存在並且發展成熟,健康之家是未來住宅的發展趨勢,擁有廣大的潛在市場,Matsushita公司初步規劃在2003年將正式建立商品化的銷售機制[Watts, 1999]

由上述的例子我們可以看到網路與健康監測是住宅發展的兩個重要方向,國際知名的「未來人期刊(The Futurist)」在1996年便有專文預測,2006前來臨之前,重大改變人類生活形態的科技產品,排名第六的便是“家庭用的健康監測系統(Home health monitors),藉由以居家環境為建構空間的健康監測系統,不但可以節省往來奔波的問診時間、節省昂貴醫療資源的付出,居家環境中長期、持續性的健康監測,可以察覺在短暫的醫師與病人問診間不易察覺的疾病徵兆,這對於高齡者與慢性病患者而言格外的重要[(Stephen, 1996)]

在一般基本的生理、生命的健康監測外,功能性健康是另一個重要的健康指標。一般疾病的過程都有所謂“潛伏期”,台大醫學院副院長王正一教授便指出,人體由健康到生病有一個過渡期,如圖1所示,如果在無症狀期即能發現生病的產生亦即「比較早期」發現,治療會比較容易,效果也會比較好,少數疾病在無症狀期已難以醫治,伴隨而來的嚴重症狀便會立即死亡或已蔓延全身而難以救治【王正一,1999】。同樣的概念可以對應到人的老化現象,高齡者從健康、有活力、能獨立生活到虛弱、生病、必須接受醫療照護之間往往也經歷了一段“退化”過程,期間可能產生可由外界觀察的徵兆包括活動力降低、臥床時間增加、生活模式改變、自我照顧活動(如煮食、洗澡)減少等等。一般老人照護的概念還是偏重在病痛發生、功能喪失、緊急事故發生等“失效狀態”發生時的處理,若能透過對健康高齡者居家環境及日常活動狀況做長期、非察覺性監測,建立資料傳輸、儲存、處理、探勘、生活品質評估等資訊系統,在其居家環境及功能性健康狀況有惡化徵兆時便能做出預判,在高齡者實際發生病痛或功能喪失前,便能告知適當人員做及時處理,不但能降低高齡者醫療照護之成本,更重要的是維持高齡者獨立、健康之生活品質。

1. 一般疾病的過程

元智大學老人福祉科技中心所主導“建立高齡者生活品質之智慧型維護系統”研究計畫,主要的研究目標便是結合了生理健康與環境品質的感測技術,除了基本的生理監測(體重、體溫、心電圖等)之外,更藉由居家生活中電器、水電使用量、人體活動與睡眠模式等綜合的功能性健康資料,運用網際網路資料傳輸機制與智慧型資料探勘與診斷系統技術整合,藉由居家健康監測系統紀錄與觀察可以早期察覺疾病、生理機能退化前的行為模式與生理狀態改變的早期徵兆,其中關鍵性的“智慧型維護”概念,與遠端感測及“degradation watchdog agent”等技術,與美國國科會(National Science Foundation, NSF)資助成立之產學合作智慧型維護系統中心(Industry/University Cooperative Research Center on Intelligent Maintenance Systems, IMS)」進行國際合作,應用於高齡者生活品質之智慧型維護。

本文主要針對計畫中居家環境非察覺性生理資料擷取與資料傳輸機制加以研究,以設置於日常用具中的各式感測裝置進行非察覺性的自動監測,並且考量不破壞原本設施功能的模組化外掛式裝置為設計重點,規劃適合設置於居家環境中的生理與功能性監測、感測、與資料傳輸等技術,完成初步具體的產品架構與未來的發展方向。

2. 適合健康監測的居家場所

居家環境有別於其他場所的重要性在於這是我們一天之中最長時間處在的有限空間,這對於健康監測的層面而言是非常有利的,有別於醫院短時間的問診與檢查時間,居家環境適合建構長時間、持續性健康監測的基礎。如圖2所示,我們規劃了三個代表性的居家場所作為健康監測規劃時的環境空間,分別是廁所、寢室與日常活動空間,這三個場所有其獨特、不易被取代的指標性意義,分述如下:

1. 廁所

如廁時必須褪去衣物,我們可以藉此量取必須以直接接觸方式才能擷取的生理訊號,如ECG(心電圖)與體溫、脈搏等,大致來說我們每天都必須向廁所報到一次以上,正常人每天排尿次數正常為七至十次每次約為400CC,排便次數一天三次到三天一次都屬正常,排泄份量與習慣模式的改變都可能與疾病息息相關,藉此可累積長期持續性的健康監測資料。

2. 寢室

正常人睡眠時間約為七至八小時,這是居家環境中最長時間停留的場所,隨著年齡增加與體能退化,臥床的時間將會增長,睡眠環境是最適合進行長時間健康監測的環境,我們可以長時間地監測睡眠中打呼、翻身次數與體溫、脈搏等生理訊號以及評估睡眠長度、睡眠模式與睡眠品質,其中的睡眠品質及模式與心理與生裡健康有相當的關聯。

3. 日常活動空間

McDermott[1997]等人研究顯示出日常行為模式改變時,可能代表了潛在著疾病或生理機能退化的早期徵兆,Boockvar[2000]等人更藉由安養機構中健康照護者的實際服務經驗,證實了在疾病與生理機能退化會導致心理層面與生理層面的行為改變,藉由觀察記錄這些改變的過程,我們可以及早預防疾病與生理機能更加惡化的可能。

2. 居家環境健康監測場所與機制示意圖

3. 設計概念與技術規劃

3所示為居家健康監測系統整體技術架構,灰色區塊內屬於生理訊號擷取與室內資料傳輸收集技術的部分是本文主要的討論內容。

3. 健康監測場所與技術架構規劃示意圖

3.1 如廁生理訊號擷取裝置設計與規劃

廁所是與人體互動最密切的場所之一,除了必須以皮膚直接的接觸之外,便器的高度與尺寸都必須以人因工程的角度思考才能充分地發揮功能,如圖4所示為便器最適合的高度與尺寸【壟錦編,1992】,若便器太高或太低都將造成如廁時的不舒適感。我們所採取的設計概念如圖5外掛式生理訊號監測裝置所示,因為考慮到外掛式裝置造成坐姿高度的改變,我們以附加腳踏部份的整體包覆性外掛裝置作為最終採取的設計概念,附加腳踏部分的設計在如廁時雙腳不會直接接觸地面,更有利於身體體重的量測。此外附加的把手是常見於各式醫院的如廁輔助裝置,輔助老人與行動不便者得以藉自身的力量,有尊嚴地獨立完成如廁時坐下與站立的動作。

4. 人因工程觀點馬桶尺寸設計上的考量【壟錦編,1992

5. 如廁生理訊號擷取裝置設計概念

6所示為如廁生理訊號擷取裝置剖面圖,藉由荷重元(load cell)在如廁時量測身體重量,並以排泄前後體重量差推算排泄物重量,前方與大腿皮膚直接接觸的心電圖貼片可以藉由每天如廁的動作長時間、持續性地累積長期心電圖資料,心電圖量測方面必須取得相關醫療器材的專業認證。

6. 如廁生理訊號擷取裝置剖面圖

3.2 睡眠模式記錄裝置

睡眠佔了人三分之一以上的時間,隨著生理機能日漸退化與疾病的影響,高齡人士臥床的時間也隨著增加,睡眠環境是最適合進行長時間健康監測的環境,除了生理機能上的體溫、脈搏的測量,我們更可藉著各式生理感測器建立睡眠模式的評估機制。

Prinz [1977]針對老年人所進行的睡眠評估研究中便察覺到許多高齡人士隨著年齡增長,有夜間睡眠時間減少,起床時間提早的現象,Habte-Gabr [1991]所做的研究中同樣地發現隨著年齡增加,總睡眠時間、睡眠前潛伏時間、起床時間等都會隨著改變,Brabbins[1993]Benca [1997]、與Manabe [2000]等學者所做的研究中都指出高齡人士睡眠異常常伴隨著較高的死亡風險率,對健康也會造成一定程度的影響,睡眠模式的評估對於高齡人士健康而言是一項十分重要的指標。上述學者進行睡眠模式評估研究時主要採用事後問卷訪查與觀察人員定時記錄兩種方式,事後問卷方式容易因受訪者個人感覺與記憶模糊而影響,觀察人員記錄方式則需要眾多的人力,對於居家環境的睡眠模式評估而言不是非常適合的方式。

本計畫在睡眠模式評估上利用數種生理訊號感測器,包含記錄翻身次數與脈搏的壓力感測器、記錄體溫變化的溫度感測器以及紀錄打鼾次數的聲音感測器等生理訊號,以非察覺式方式記錄睡眠中各種生理訊號的變化,以智慧型系統綜合評估受測者的臥床時間、入睡時間、總睡眠時間、打鼾次數與起床時間等,作為睡眠模式評估的指標。

3.3 功能性健康監測裝置

日常居家活動模式所代表的功能性健康部分所需要的監測項目,包含各式電器用品的使用量、水龍頭與電燈使用量、門窗開關以及人體活動的監測,我們可以簡單的歸類為必須使用電源類、門窗開關類以及人體活動感測三個類型,以統一模組化無線發射模組的方式簡化繁瑣的感測裝置,每一個感測器接上相同的發射器便能成為無線的感測裝置。

電器用品(烤箱、微波爐、電視、電腦、與自動給水式水龍頭繃)使用的感測裝置,以圖7的電流感測器感測電流流通做為電器使用頻率計算的依據,藉由圖8的整合電流感測與無線發射功能的插座,可以適用於各式電器使用頻率的紀錄。

7. 電流感測器

8. 整合電流感測與無線發射模組功能的插座

水龍頭流量的計算因為採用自動給水式的紅外線水龍頭,因此藉者同樣的整合電流感測與無線發射功能的插座藉此計算水龍頭的流量,燈光使用頻率可以藉著光敏電阻收集。

門窗與冰箱等非屬於電器類可以藉由簧磁開關的導通與否判定門窗的開關情形,這與紅外線人體活動偵測裝置都是市面上許多保全系統採用的方式。

3.4 資料傳輸技術與規劃

本計畫中所擷取的生理訊號以技術層面而言,可以分為單一訊號(On/Off訊號,如各種開關次數、日常用品使用量與打鼾、人體移動次數)以及連續性的複雜訊號(如ECG、體溫、重量)。單一訊號的無線傳輸機制可以利用無線遙控器內的無線收發模組,以無線方式收發On/Off訊號至智慧型收集裝置內的接收模組,作為使用頻率計算的機制。複雜的連續性訊號則會隨著科技的進步可以採用更先進的資料傳輸技術,目前規劃可行的方案包括新南威爾斯大學的研究中,所採用Echelon公司所規劃,應用於未來之屋內所有家電間訊號、資料連接所採用的“Echelon LonWorks technology”。這項技術的優點是採用原本便已經架設好的室內交流電源線,作為資料傳輸的管道,如此便能在不刻意變更任何原有配線以及額外訊號線的情形下完成電器產品間的連接。

另外一個可行的方案,便是近年來發展迅速的「藍牙(Bluetooth)」。每個藍芽技術連接裝置都具有根據IEEE 802標準所制定的48-bit地址,在2.45GHz的頻帶上傳輸,不但傳輸量高達每秒鐘1MB,同時可以設定加密保護,也不受電磁波干擾。在易利信、諾基亞(NOKIA)IBM、東芝(Toshiba)、以及英特爾(Intel)5家橫跨通訊、電子、電腦三大領域的廠商推動下,不用額外支付專利或是任何權利金,就可以使用藍芽技術,因此目前有超過1500家廠商加入藍芽產品的開發。實際應用的層面上可以採用Lucent公司所發展的模組化藍牙無線發報裝置,作為藍牙無線傳輸機制的發展基礎。此外也有可能以6811單晶片模組結合Radio Modem作為資料無線收發的機制。在眾多的可行方案中我們可以試著挑選最適合的方式做為我們資料傳輸的機制。

4. 結論與未來展望

本文針對居家環境非察覺性生理資料擷取與資料傳輸機制等相關技術進行期初規劃與評估,目前選定的居家健康監測環境為如廁環境、寢室與居家活動環境三個場所,表1所示為本計畫健康監測項目、生理感測技術與資料傳輸機制的初期規劃表。

1. 初期技術規劃規劃表

健康監測場所

健康監測項目

生理感測技術

資料傳輸機制

如廁場所

ECG

ECG貼片

藍牙等科技(暫訂)

體重

Load cell

排泄物量

Load cell

寢室

體溫

溫度感測器

打鼾次數

壓力感測器

無線電收發模組

翻身頻率

壓力感測器

脈搏

壓力感測器

居家活動環境

電器使用頻率

電流感測器

門窗等開關頻率

電流感測器

人體移動

紅外線感測器

外掛式與模組化為本計畫產品設計上的兩大思考主軸,外掛式的設計,不需更換或破壞原本裝置,不但大幅減少成本,在實際的應用乃至於商品化的推廣方面都是極佳的著力點,而原本針對健康監測所規劃的各種生理感測技術與資料傳輸技術,以獨立的模組化功能子系統方式,得以發揮於各式相關的應用層面。

9所示為未來產品可能的功能與發展方向。在生理健康監測功能方面可以選擇居家內的顯示器並視需要選購網路資料傳輸的模組,使用者可以單純進行自我健康監測,或是以網路方式傳輸資料進入智慧型診斷系統提供醫療建議﹔在眾多功能性健康監測項目中項目中,涵蓋了市售保全系統的功能,在產品商品化的規劃上採取模組化的卡式無線接收模組,可以視需要選購任意的保全項目或獨立為家中保全系統使用,模組化的主機與選購的監測配備將大幅降低產品售價與競爭力。而生理健康監測的各項生理監測技術也可以運用於居家環境以外的合適場所,如長途航空與客運的座椅等,拓展其應用層面與附加的價值。

9. 模組化無線發射接收卡式模組與各式功能模組選購配備

參考資料

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王正一,“疾病概論”,臨床工程概論大綱,教育部醫學工程科技教育改進計畫。

壟錦編譯,人體尺度與室內空間,博遠出版社,民國八十年十一月。