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作者:邱瑞隆,郭炳翊,林義雄(2001-11-06);推薦:徐業良(2001-11-09)
附註:本文參加九十學年度「元智大學工學院學生專題論文競賽」。

高齡者如廁健康監測系統設計

摘要

本文為九十年度國科會「高齡者生命品質維護系統」計畫中所發展的如廁健康監測系統,以居家中的如廁活動作為高齡者健康監測與評估的研究項目,在不破壞原有如廁設備功能與外觀的前提下,以外掛式的裝置在高齡者“非察覺性(non-conscious)”的情形下監測高齡者的排泄物重量、體重、體溫、如廁時間等四各項目,未來經由資料擷取、傳輸機制與智慧型診斷系統的整合,可提供子女與照護者對高齡者健康評估的指標。

1. 研究背景與目的

現今台灣的人口結構已經邁向高齡化的社會,東方傳統社會中“家族”型態也逐漸為核心家庭與獨居老人所取代,越來越多的高齡者無法獲得即時與完善的關懷與照顧,如何以科技輔助照顧、監測老人的健康狀況,是非常值得關注的問題。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)[Stephen, and William, 19961]

在居家活動中,廁所是每個人每天都必須使用的設施,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,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健康息息相關,藉著佈置於廁所內的健康監測,可以掌握長期、持續性的健康資料,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,藉此可累積長期持續性的健康監測資料。

許多學者也有針對廁所環境下的監測監測系統所作的研究,如圖1所示Kawarada等人所發表的研究中,藉由浴缸內電極給予微量的電流導通,藉由水量測心電圖[Kawarada et. al, 1998]Tatsuo等人以廁所內的健康監測為題的研究中,如圖2所示,也以相同的概念以浴缸內導通水以及馬桶坐墊上的感測器,藉由大腿的直接接觸量取ECG[Tatsuo et. al, 1989]

1. 藉由浴缸量取ECG

2. 藉由馬桶蓋直接量取ECG

另外一個值得關注的項目便是排泄物份量的監測,排便習慣與份量的改變可能是健康異常的警訊。如圖3所示,前述Tatsuo等人所建立的健康監測系統中以外掛式裝置,長期測量使用者的體重;而Yamakoshi等人,亦藉由如廁前後體重的改變,藉此分辨排泄物的重量[Yamakoshi et. al, 1996]。圖4所示為日本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[Watts, 1999]

3. 藉由如廁時量測體重的裝置圖

4. 藉由如廁前後體重改變測量排泄物份量

本研究的目的也在建立居家環境中適合高齡者的如廁健康監測系統,以“非察覺性(non-conscious)”的方式,將感測器裝置在本計畫日常生活的家具-馬桶上。如圖5所示為各子系統空間佈置圖,生理監測項目包含排泄物重量、體重、體溫、如廁時間四個項目,未來並考慮加入體脂肪與ECG的量測,希望藉由非察覺性下的健康監測,觀察與收集高齡者生理資料作為照護者長期評估的依據,在行為模式有異常時,能夠適時的警告與關懷高齡者。

5. 功能配置圖

2. 設計需求與評估

本研究高齡者如廁健康監測系統的設計,在整體計劃的系統層次,是希望經由生理感測器所收集的生理資料,經由取樣濾波等訊號處理後,將使用者這些長期、大量的監測資料做適當儲存、管理,並進行資料探勘,能夠找出異常模式作為診斷輔助,最後整體目標則在於使用者生活品質之評估與維護,在察知身體機能退化徵兆時能及時通知子女、照護者作出及時調整性處置。而本研究重點在第一層的硬體設計層次,產品面上的考慮以非察覺性生理監測裝置與模組化的外掛式設計為設計時兩項主要考量,由於如廁裝置是與人體互動十分密切的裝置,人因工程的考量勢必是另一項重要的因素,以下即分項敘述本研究高齡者如廁健康監測系統的設計重點:

(1)非察覺性

思考如何有效、連續性地應用生理感測、監測技術,自動感知所需健康與生理狀態訊號,使高齡者在非察覺性、不影響原有居家生活模式的情形下長期記錄生理健康的資料。

(2)模組化設計

考慮裝置上的成本,所有感測裝置必須採用外掛式、模組化設計,在不破壞原有廁所設施的前提下,可以很方便的安裝在每個高齡者的家中。

(3)人因工程設計

本研究的設計對象著重在高齡者,因此在設計上便器的高度與尺寸都必須以人因工程的角度思考。

(4)長期監測資料的收集

本研究希望作排泄物重量、體重、體溫、如廁時間四個項目的監測,在廁所環境作長期監測資料收集,訊號的擷取、處理、傳輸都必須考慮廁所環境的特殊性。

我們所採取的設計概念如前一節圖5所示,溫度、荷重元等感測器埋於坐墊中,因為考慮到外掛式坐墊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。監測訊號經由感測器的電壓輸出至放大電路的放大訊號後,由AD卡進入電腦抓取感測器所感測的電壓值後進行換算,再由Visual Basic程式濾波後為輸出穩態數值,這些數值最後會在家庭中央伺服器中顯示出來並且處存於特定資料夾中。以下即一一介紹各子系統細部設計。

3. 體重、排泄物重量測量子系統

如圖6所示,體重與排泄物重量是以荷重元(load cell)埋於坐墊和腳踏墊中來量測,為了保持結構與受力的平穩,我們在坐墊層及踏墊分別安裝兩顆荷重元。荷重元選擇的考量包括體積小、感測重量範圍等因素,我們選用的荷重元,量測上限為120Kg,輸出電壓較小約為48mV/kg,必須配合適當的放大電路。

 

6. Load cells結構受力圖

7為最後完成之硬體照片,坐墊分為上下兩層薄鋼板,中間放置荷重元,放置位置為對稱的兩側中間位置,踏墊也分為上下兩層,中間放置兩顆荷重元在對稱的兩邊。最後再以真空抽吸成型的方式製作座墊與踏墊ABS外殼,成品原型如圖8所示。

7. 內部結構

8. 真空抽吸成型

4. 體溫感測系統

體溫量測方面基本想法,是將溫度感測器埋於坐墊適當位置,如圖9所示。我們選用溫度感測器的條件為需體積小、感測靈敏、反應時間快速,最後選用的溫度感測元件為K型的熱電偶(圖10),並且配合放大電路的使用。經過實際測試,大腿部位量測支溫度約較耳溫槍量測的體溫低0.4~0.8度。

9. 體溫感測溫度範圍

10. K型熱電偶

5. 訊號擷取與資料處理系統

11所示為資料擷取流程,我們藉由感測器所測得的訊號,經過放大電路的放大後,經由AD卡輸入電腦,以軟體程式進行濾波與換算成體重、溫度數字,並進而計算如廁時間和排泄物重量等數據,送入家庭中央伺服器顯示與儲存。

11. 資料擷取流程

12是以本系統量測如廁時重量所得結果,軟體程式設計在總重量超過30公斤時才起始記錄重量或體溫值,接著比較如廁前後重量的差值作為排泄物重量,觀察圖12可以看出使用者一開始踏上踏墊後會出現一突波,接著體重數值便趨近穩定。

12. 如廁總體重變化圖

6. 結論與未來展望

本研究目前設計完成如廁健康監測系統為第一代原型,能收集體溫及體重等基本資料,設計完成後並有機會在資策會主辦之第五屆長青資訊月實際展出(圖13為參展報導與照片)。本研究設計之高齡者如廁健康監測系統經由實際參觀群眾測試,在整體構想上頗獲肯棟,唯發現如廁姿勢的改變會引響到系統測量值,並且延後穩定時間,未來應對此問題作進一步改進。

本設計目前是仍是採用PC Based設計,為節省成本及空間,未來是必要改採PIC單晶片作資料擷取與處理。此外並將考慮進一步加入ECG、體脂肪等量測項目,硬體設計完成更必須進一步結合網路傳輸技術以及後端的智慧型診斷系統,達成整體計劃之系統目標。

13. 長青資訊月參展報導【聯合晚報,民國九十年十月二十日

7. 致謝

我們很感謝實驗室3423最佳化實驗室的支持與師徐業良教授的指導,給予了我們很大的鼓勵,還有參展時給予我們肯定與意見的民眾,使我們有莫大的信心與信念能能把這專題做的更好。

參考文獻

Kawarada, A., Takagi, T., Tsukada, A., Sasaki, K., Ishijima, M., Tamura, T., Togawa, T., and Yamakoshi, K., 1998. “Evaluation of automated health monitoring system at the ‘Welfare Techno House’,” Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology - Proceedings v 4, p 1984-1987.

Watts, J., 1999. “The healthy home of the future comes to Japan,” The Lancet, v 353.

Stephen, M., and William, K., 1996. “The top 10 innovative products for 2006: Technology with a human touch,” The Futurist, v 30, Iss. 4, p. 16-20.

Tatsuo, T., Toshiyo, T., Zhou, J., Mizukami, H., 1989. “Physiological Monitoring Systems Attached to the Sanitary Equipment,” IEEE Engineering in Medicine & Biology Society 11th Annual International Conference, 1461 ch2770-6/89/0000-1461

Yamakoshi, K., Kuroda, M., Tanaka, S., Yamaguchi, I., Kawarad, A., 1996. “Non-conscious and automatic acquisition of body and excreta weight together with ballistocardiogram in a lavatory,” 18th Annual International Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, AM. 1996 1,1,6: Home Health.