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作者:鄭智銘(2004-02-04);推薦:徐業良(2004-05-07)
附註:本文為申請93年度國科會提升私校研發能量計畫計畫書。

「無線通訊技術在居家環境下高齡者遠距照護之應用」計畫書

十一、研究計畫中英文摘要:請就本計畫要點作一概述,並依本計畫性質自訂關鍵詞。

(一)計畫中文摘要(五百字以內)

隨著生活水準與醫療衛生長足的進步,國人平均壽命逐漸的延長,老年人口比例持續增加。面對高齡化的社會,各種社會福利、醫療醫藥技術與社會安全制度與的問題隨著顯現,越來越多的高齡者無法藉由家人與家庭獲得妥善充分的照顧。近年來諸多學者結合感測與通訊技術進行居家健康監測系統的研究,相關產業亦開始蓬勃發展。居家環境下的生理健康監測系統不但可以分擔高成本的醫療人力與資源,長期持續性的健康監測資料更進一步察覺健康異常的徵兆,在可預見的未來,居家環境將會是健康與醫療的第一道防線。

遠距照護有極大的市場需求,相關產業與科技發展在國外已有蓬勃發展,遠距照護產業與網際網路、無線通訊等產業結合已是重要趨勢,是高齡化社會型態下非常適合網路、通訊業者提供之加值服務。相對的,國內通訊相關產業相當發達,競爭激烈,產業亦多以降低價格或提供各項加值服務,期望擴大市場佔有率,但結合遠距照護與無線通訊相關之技術發展與應用,在國內卻仍在起步階段

本計畫希望能結合感測技術與無線通訊技術,應用於居家環境下之高齡者遠端照護系統之開發,藉由居家環境下非侵入式生理監測系統與非察覺式健康監測系統,長期性、全方位地蒐集、評估高齡者之生理訊號(如血壓、心電圖、呼吸頻率、體溫、血氧濃度等)與生活品質相關健康數據(如活動力睡眠品質代謝模式環境品質等),感測系統訊號以無線方式傳輸至網際網路伺服器或家人、照護者之手機,以提供家人或照護者更完整、長期的監測資訊,並作即時預警。同時並將應用無線通訊技術發展一遠端遙控照護機器人,在平時能提供子女與高齡者動態溝通的平台,並能提供緊急狀況告知和即時的照護。

(二)計畫英文摘要

Rapid progress of standard of living and health care resulted in the increase of aging population. Problems in social welfare, medical system, and social security system have surfaced in this aging society. More and more elderly people do not receive good care from their family or caregivers. Health monitoring systems combining sensing technologies and wireless communication technologies is a very important in reducing the cost of medical resources.

Remote health monitoring will have great market demand in the near future. Remote health monitoring combines Internet and wireless communication technology, which creates added value to Internet and wireless communication services, is an important trend in this aging society. However, in Taiwan, this field has not drawn much attention.

This project attempts to combine sensing technologies with wireless communication technology to the development of a non-conscious and automatic health monitoring system. The health status of the elderly includes blood pressure, ECG, frequency of breathing, body temperature and oxygen saturation degree, and the quality of life assessment includes daily activities, sleep quality, metabolic activities and environmental quality will be collected in a wireless setup. This system is linked to the Internet or cell phone by wireless communication technology.

We will also apply wireless communication technology to develop a telerobot system that applies “telepresence” concept. An effective call for help system is thus important and necessary in this situation. The use of remote-controlled robot to issue a warning to the rescue center and react according to the instruction by Internet interactive communication system and online visual information should be a good solution.


十二、研究計畫內容

(一)近五年內主要研究成果說明。(連續性計畫申請時,應檢附上年度研究進度報告)

(二)研究計畫之背景及目的。請詳述本研究計畫之背景、目的、重要性及國內外有關本計畫之研究情況、重要參考文獻之評述等。本計畫如為整合型研究計畫之子計畫,請就以上各點分別述明與其他子計畫之相關性。

(三)研究方法、進行步驟及執行進度。請分年列述:1.本計畫採用之研究方法與原因。2.預計可能遭遇之困難及解決途徑。3.重要儀器之配合使用情形。4.如為整合型研究計畫,請就以上各點分別說明與其他子計畫之相關性。5.如為須赴國外或大陸地區研究,請詳述其必要性以及預期成果等。

(四)預期完成之工作項目及成果。請分年列述:1.預期完成之工作項目。2.對於學術研究、國家發展及其他應用方面預期之貢獻。3.對於參與之工作人員,預期可獲之訓練。4.本計畫如為整合型研究計畫之子計畫,請就以上各點分別說明與其他子計畫之相關性。

(一)                 近五年內主要研究成果說明

1.  元智大學老人福祉科技研究中心研發團隊之組成與初步成果

聯合國「世界衛生組織(World Health Organization, WHO)」將65歲以上人口佔其總人口比例在7%以上的國家,定義為「高齡化社會(aging society)」。根據行政院主計處的統計資料顯示,隨著教育水準的提高與國人傳統觀念之改變,臺灣地區人口生育率逐漸下降,加上衛生醫療的進步與平均壽命之延長等因素,已在民國829月正式邁入高齡化社會【行政院主計處,民國83年】,目前65歲以上人口已經突破兩百萬人。而行政院經建會更預估未來在民國99年至104年左右高齡者口(65歲以上人口)占總人口比例將升高為16.5%【行政院經濟建設委員會,民國82年】,民國125年後更升高為21.6%【行政院經濟建設委員會人力規劃處,民國86年】。

人口結構的高齡化,在全世界都是普遍的問題,圖1WHO1997年所預測2020年時世界65歲以上人口比例圖,除了西亞、非洲、中美洲65歲以上人口比例還在5%以下之外,大部分國家和地區都在10%~20%,部份西歐、北歐國家和日本,預測65歲以上人口比例更將超過20%[World Health Organization, 1997]。以臨近的日本為例,日本在1970年進入高齡化社會,較我國早24年。目前日本65歲以上高齡人口已達19%,總數高達2400萬人,超過台灣地區人口總數,預估202165歲以上高齡人口將增加到28%,高齡化的問題十分嚴重。

1. 世界衛生組織預測2020年世界65歲以上人口比例圖

對於這個快速增加的高齡族群(aging boomers),我們的確應該由各個角度予以更多的關注。從科技面來看,如何應用各種科技輔助,使得生理機能漸趨衰退的高齡人士,仍然能夠健康、舒適、安全地享受生活,是一個非常值得重視的重要課題。“老人福祉科技(gerontechnology)”這項跨領域整合的新興科技,就是在這樣的背景與社會需求之下產生。1992年在歐洲首次召開了“First International Congress on Gerontechnology”,為科技與老人福祉的增進建立了研究架構,荷蘭Eindhoven科技大學的GraafmansBouma,為老人福祉科技做了如下定義:

“老人福祉科技基於對老化現象的知識,從事技術和科技產品的研究開發,希望能為老人提供較佳的生活與工作環境,以及配合的醫療照護。”

元智大學各系所過去幾年來一直有教授的研究領域是在醫療、復健、輔具等相關科技研究,經過長時間的討論、規劃,從2001年開始籌備、並於20031月在元智大學校內正式成立「老人福祉科技研究中心」,是全國第一個以老人福祉科技為研究主題的研究單位,希望能結合不同專長領域的教授,以及校內外產、官、學界的資源,以科技服務廣大的高齡人口族群。

元智大學老人福祉科技研究中心之研發方向規劃為生活照護、健康保健、以及科技輔具三大主軸,強調其市場性及共用性(也就是不完全以高齡人士為唯一可能使用顧客),同時考量大學特質,將以技術門檻較高的科技產品為主,並積極尋求產業界合作開發。目前校內各學系參與共同研究教授共10人,碩博士研究生及大學部專題生超過30人。

元智大學老人福祉科技研究中心成立至今獲得社會廣大的迴響,除了獲得國科會多項計畫補助外,並與國內外各單位合作進行研究,中心研發成果已獲得五項國內外專利,並有數項專利已在申請中,多項成果更獲得產業界投資為實際商品化進行準備。本中心在遠距照護方面研究尤其具有前瞻性,研究成果曾獲資策會邀請參加九十年「長青資訊月」,將遠距照護整體概念展出,廣受各方關注,各類媒體報導二十餘次,去年又獲邀請在九十二年資訊月「遠距看護」主題館中展出,在台北、台中、台南、高雄共巡迴展出兩個月,資訊月參觀人次超過兩百萬人,「遠距看護」主題館是資訊月九十二年六大主題館中最受關注的主題館,成功地將高齡者遠距照護的理念與技術傳達給社會大眾。本中心籌備至正式成立重要記事如下:

2001/8

與美國威斯康新大學Center of Intelligent Maintenance System合作,進行國科會三年期整合型計畫「建立高齡者生命品質之智慧型維護系統」。

2001/10

研究計畫初步成果參加資策會主辦「長青資訊月」展覽,頗獲好評,受到平面、電子媒體報導約二十次。

2002/8

老人福祉科技研究中心正式進駐「元智大學科技園區」,中心佔地約44

2002/10

元智大學老人福祉科技研究中心與桃園醫院養護中心進行高齡者生命品質之智慧型維護系統合作案。

2003/1

元智大學老人福祉科技研究中心在行政會議通過成立。

2003/3

元智大學科技園區正式開幕。

2003/9

舉辦「高齡者照護及福祉科技」研討會,為國內首次以老人福祉科技為主題之研討會,共有國內外學術界、醫界、產業界、照護單位約200人參與。

2003/11

本中心在遠距照護發展之核心技術,受邀在全國資訊月「遠距看護」主題館中展出,自200311月底起在台北、台中、台南、高雄巡迴展出一個半月。

2.  本計畫主持人研究成果說明

本計畫即為元智大學老人福祉科技研究中心三位生醫機械工程背景之教授組成研究團隊共同提出,三位教授近五年研究成果說明如下:

(1)     計畫主持人:徐業良教授

計畫主持人徐業良教授為機械系系主任兼老人福祉科技研究中心主任,主要研究興趣包括機械設計、最佳化設計、以及工程教育等等三個領域,近五年(1998~2003)來共發表(或已接受發表)之國內外學術期刊論文共15篇,另外審查中之期刊論文有3篇。

在機械設計方面的研究,除發表機械設計程序之研究以及所設計產品相關學術論文共5篇之外,並與政府單位、產業界密切合作,完成許多實務性設計計畫,近五年(1998~2003)共獲得11項中華民國及美國、歐盟專利。在機械設計領域中,計畫主持人近年來專注於直接與人互動的「生醫機械」設計,前述近五年來獲得之專利中,幾乎全是在此領域實務設計的成果,如人工膝關節、腦科手術自動骨骼鑽孔裝置、工地用安全帽、助行器、輪椅等。

在最佳化設計的研究方面,徐業良教授的研究主題是適於工程問題之最佳化演算法之發展,希望突破傳統數值最佳化演算法的限制,利用如類神經網路、模糊邏輯,能將工程知識與經驗也帶入最佳化設計演算法中,曾發展多項數值最佳化演算法,發表國際期刊論文共8篇。除學術性研究外,徐業良教授亦熱衷於工程教育方面之研究,特別是工程教育創意培養,曾經主持過國科會科教處及教育部多項工程教育研究計畫,並有研究論文2篇在國際期刊發表。

(2)     共同主持人:謝建興教授

共同主持人謝建興教授於1991年在英國雪菲爾大學自動控制系統工程系攻讀博士學位,即從事麻醉醫學工程自動控制的研究。於1995年取得博士學位後,曾留在英國一年擔博士後研究的工作,繼續從事腦波在麻醉自動控制的研究。於1996年三月回國,在台大醫學院醫學工程研究中心擔任二年博士後研究的工作,繼續從事麻醉自動控制的研究,並與台大醫院麻醉科醫師合作。於1998年八月至元培醫事技術專科學校擔任助理教授,且於1999年二月至元智大學機械系擔任助理教授,並順利於20028月升等為副教授。

謝建興教授近五年(1998~2003)來在醫學工程方面研究成果,共發表(或已接受發表)之國內外學術期刊論文共10篇,研究成果歸納如下:

l      建立一個分層式的架構來做肌肉收縮的控制,並分別以AtracuriumMivacurium Rocuronium的肌肉鬆弛劑進行30位病人的臨床測試,結果不僅藥量較以前傳統方法節省很多,同時病人也可維持較穩定的肌肉鬆弛程度。此系統若能與業者合作,可開發出雛型機(prototype),然後在全省其他教學醫院進行測試,若結果仍是可行的,即可邁向商業化的產品,而成為可日常使用來輔助麻醉科醫師做麻醉,以減輕其工作量。

l      建立一個多感測系統來監視麻醉的深淺度,進而進行麻醉系統自動控制。本研究提出一個以伸縮壓、心跳速率與病人呼出麻醉氣體的濃度為基礎的五層分層式控制架構,來監視與控制開刀過程的麻醉系統,並以8位病人來測試此系統自動化的程度。結果,自動化百分比的程度,其平均值為89.15 %(標準偏差5.61%),證明在開刀過程中,此系統可大大減輕麻醉科醫生的工作量,如此就可避免麻醉科醫師因過度勞累而導致的人為疏忽。本研究所設計的系統用於麻醉自動控制是可行的,但在成為日常使用輔助麻醉科醫生之前,進一步的臨床試驗是必需持續進行。

l      結合模糊理論及病患自控式止痛(Patient Controlled Analgesia, PCA)的優點,架構成模糊控制系統(Fuzzy Logic Control, FLC),使病患的疼痛程度能降至最低。在臨床實驗上,選用碎石震波做為臨床實驗場所;在理論分析方面,是利用人體藥效模型(動態模型與動力模型所組成)來加以探討。我們將PCAFLC兩種止痛方式分別在臨床實驗及理論分析上做個比較,其結論是FLC止痛方式確實比PCA止痛方式來得優異許多,不僅病患所需要之止痛藥量較少,且疼痛度也相對降低。

l      在腦神經外科加護病房中醫生常常遭遇頭部外傷的病人,目前已有相當多研究報告指出顱內壓的升高與病人併發症之間有直接的關聯,因此顱內壓的判斷在對於病患的治療上就變得相當重要。然而顱內壓訊號量測上必須透過侵入式壓力感測器才能得知,往往要藉由外科醫師將感測器置放在病人頭部內,這對醫師來說是種負擔,就病患而言亦是增加許多額外的風險。因此若能藉由非侵入式訊號上量測作為顱內壓侵入式的替代方式,進而發展出一套智慧型模型的預測方式,相信這對腦神經外科而言是個重要的研究議題。本研究主要目的是在於利用類神經網路的方式,並藉由來自於病患生理訊號的非侵入方式量測,建立起病人顱內壓模型。不過由於顱內壓被許多可預期和非預期等因素影響,若僅以類神經網路對於非線性的特性仍嫌不足。因此本研究以往復式網路的架構為基礎,發展新的類神經網路演算方式,稱為simple recurrent network through time,簡稱SRNTT。再以此架構針對時間延遲的因素做一比較,並就其中差異性對模型學習效益進行評估。

謝建興教授目前正進行的研究歸納如下:

l    手術中病人之監視及麻醉深度自動控制的智慧型系統,主要是將腦波(EEG)加入以前發展的多感測系統監視麻醉深淺度,以期提高麻醉自動化的百分率。

l    神經外科加護病房中的早期警示智慧系統,主要是利用心電圖和血壓的變化,腦血流的變化和腦灌流壓相關資料來監測病人的自身調節系統(Auto-regulation System),以作為臨床症狀的判斷與使用藥物的參考。

l    患者自控止痛術(Patient-Controlled Analgesia, PCA),是為了在手術結束後能夠有效的抑制病患疼痛情形發生所使用的技術,主要方式為患者藉由一台PCA機器主動的操作注輸止痛劑,而另一方面此機器也可以記錄患者之所有止痛劑注射的歷程,本研究除了將原本PCA以有線傳輸方式(RS-232)至電腦之外,再建立一個「自控麻醉資料庫」將所有有使用PCA儀器的醫療院所之使用紀錄藉由Internet傳輸到「自控麻醉資料庫」以龐大整個統計及分析的資料數量;將得到的資料篩選區分以及計算過後,得到疼痛圖形(Pain Pattern)PCA使用滿意度(PCA Satisfaction)、平均藥量(Average dose per hour),將疼痛的圖形經由模糊運算後所得到的模糊患者自控指數(Fuzzy Patient-Controlled index, FPCI)PCA使用滿意度以及平均藥量作分析以及驗證。

l    使用「病患自控式止痛」(Patient-Controlled Analgesia, PCA)現今已經取代傳統按時肌肉注射藥物的方式,成為手術後止痛的一個主流。但是使用病患自控式止痛仍可能發生一些副作用(可能因止痛藥劑量太多)或是疼痛過於劇烈(可能因為止痛藥劑量不足),使病患發生併發症或有不滿意的情況,所以還必須要麻醉醫師定時巡房以隨時掌握病患的最新情況。為了使麻醉醫師巡房更加便利、迅速以及有效率,本研究主要將原本只能在個人電腦或是桌上型電腦執行的資料庫系統,縮小至PDAPersonal Digital Assistant個人數位助理)中,不只代替麻醉醫師或是護士拿著記錄本巡房的傳統方式,更可以迅速將病歷資料彙整分析,方便臨床及學術研究。

l    發展一個智慧型的收集裝置能收集如廁健康監測系統、睡眠品質評估系統、居家活動監測系統與居家環境監視系統,並將其資料傳輸到個人電腦並透過網路傳到遠端的智慧型診斷系統。

l    建立人體在加護病房和神經內科等病人的生理訊號模型(Patient Model),以此模型發展出一套病人模擬器,模擬病人在各種症狀下的生理訊號,若醫師對此模擬器做出醫療處理,模型也能夠立即產生處理後的系統回饋訊號,達到症狀與生理訊號都能夠被模擬呈現,醫師可以選擇查看此症狀的生理訊號,或由模擬的生理訊號辨識現在病人的症狀,藉此教導或考核年輕醫生或護士正確的醫療觀念與處理過程。

(3) 共同主持人:吳昌暉教授

共同主持人吳昌暉教授近五年研究成果歸納如下:

a.      機電整合與機械設計應用方面

昌暉教授曾獲得元智大學八十六學年度教學傑出獎,為該獎項設置以來第一位獲獎教授,吳昌暉教授擅長機電整合與機械設計應用方面,曾多次帶領學生參加校外競賽(如省油車比賽),獲得優勝。近年曾擔任行政院國家科學委員會補助計畫「機械工程教育在知識經濟衝擊下的改革,子計畫五:整合知識的系統開發能力之養成教育NSC90-2511-S-155-005」之計畫共同主持人,此計畫目的在知識經濟衝擊下,對大學機械工程教育重新作整體性的審視與思考,建構新的機械工程教育整體目標與思維,並進而從課程及教學活動的設計與執行、環境及系所資源的規劃與配合兩方面全面落實。

昌暉教授另曾擔任行政院國家科學委員會補助計畫「以智能障礙為主之多重障礙者運動機能訓練科技輔具之研發-以國立桃園啟智學校為研究對象NSC89-2614-E-155-001NSC90-2213-E-155-025」之計畫主持人,此計畫針對國立桃園啟智學校在多重障礙學生運動機能訓練上之特殊需求,借助如微電腦控制、感測、虛擬實境等技術,研發適合多重障礙者運動機能訓練踏步機,幫助多重障礙學生矯正步態、訓練下肢的肌耐力以提升他們的步行、走動能力。

b.      醫療機電應用方面

昌暉教授擔任行政院國家科學委員會補助計畫「利用人工智慧建立智慧型ECG量測與心率變異分析系統」計畫主持人,此計畫目的在於應用機電整合與單晶片的相關技術,完成ECG心電訊號擷取紀錄器硬體系統,並能將心電訊號的資料傳輸至個人電腦,再以多種不同的方法分析心律變異與心臟相關疾病的的關連。可針對高血壓、心臟病、心律不整或是帕金森氏症患者的心律變異進行資料收集與分析以建立Neural Networks Model,了解其心律變異與疾病的關聯。

c.       多功能泛用型微控制器開發方面

昌暉教授於三年前便投入多功能泛用型微控制器技術開發,目的是讓未修習過微控制器課程的學生或其他領域人士,可以不必親自設計複雜的硬體電路,與學習門檻高的組合語言,即可使用微控制器所有功能,並自行開發易於使用系統韌體ICP(In Chip Programmer)作為程式


(二)研究計畫之背景及目的

1.         居家健康監測與遠端醫療照護相關研究

隨著科技與健康意識的進步,近年來諸多學者利用感測與網路技術進行居家健康監測系統的相關研究。居家環境下的生理健康監測系統不但可以分擔高成本的醫療人力與資源,長期持續性的健康監測資料更進一步察覺健康異常的徵兆,在可預見的未來,居家環境將會是健康與醫療的第一道防線。

美國學者Lewis[1999]指出,未來醫學發展的方向,將會採用各式遠端監測感測技術,如視訊、血壓、智慧型服藥系統等,逐漸取代高成本、費時的臨床問診模式。Dixie[1994]則指出,居家環境下的健康醫療系統,在安全無風險的前提下,由患者進行有能力自理的醫療測試(如血糖、心電圖、血壓等),不但能整合社會資源,節省往返問診時間與昂貴醫療費用,藉由隱藏在日常居家生活環境中的健康監測,更有效率地及早發覺身體上的疾病與婦女懷孕的前期徵狀,藉由日常居家環境中簡單的、長期、持續性的健康監測,可以明顯地紀錄無法在傳統臨床問診短暫時間內察覺的疾病與生理機能退化徵兆。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)”,未來監視你的排便、肝功能、荷爾蒙等,將像今天在家量體重一樣簡單,只要分析你的呼吸狀況、排尿等,就能給你基本的健康資訊[Stephen & William, 1996]

傳統耗費病患長時間等候與短暫診察時間的問診模式藉由科技的輔助將發展出e化的醫療服務模式。在可預見的未來,居家健康監測系統將提供醫師長期、連續性的生命與生理的健康監測資料,藉由遠端醫療與照護系統的輔助,醫師提供更即時有效率的醫療模式,醫療服務從被動的治療與急救成為更積極的預防性醫療。

居家環境是每個人最熟悉的空間,也是停留時間最長的場所,建構於居家環境下的健康監測系統,相較於傳統定期取樣式的問診醫療行為,居家健康監測系統提供了長期持續性的健康監測資料,早期察覺行為模式、習慣的改變及早發現疾病以及生理機能衰退初期行為模式以及習慣的微妙變化。家庭環境中的各個場所對於健康監測而言有其獨特性,主要研究集中於盥洗與如廁環境、睡眠環境、以及一般居家活動環境三類。

2.         盥洗與如廁環境居家健康監測

從健康監測的角度而言,廁所是居家環境中非常重要的場所,盥洗與如廁設備是每個人每天都必須使用的設施,藉著佈置於廁所內的健康監測裝置,可以收集非常寶貴的長期、持續性健康資料。如廁設備也是一天之中感測裝置與人體皮膚最有機會直機接觸的時刻,如ECG(心電圖)等需要生理感測電極與皮膚直接接觸的感測項目,在如廁環境中便可在非察覺性的前提下獲得生理監測資料。

(1) 體重與排泄物重量的量測

醫學研究中指出,如大腸癌等癌症常伴隨著排便習慣與份量的改變【翁昭旼,1993】。Tatsuo等人[1989]建立如圖1所示的健康監測系統中,以外掛式裝置長期測量使用者的體重;Yamakoshi等人[1996]也設計了如圖2所示類似的設備,藉由如廁前後體重的改變,藉此分辨排泄物的重量。

1. 藉由如廁時量測體重的裝置

2. 藉由如廁前後體重改變測量排泄物份量

(2) 心電訊號量測

Kawarada等人[1993]所發表的研究中,藉由圖3所示浴缸內電極給予微量的電流導通,可藉由水的傳導量測心電訊號;如圖4所示,Tatsuo等人[1989]以廁所內的健康監測為題的研究中,也以相同的概念以浴缸內導通水以及馬桶作墊上的感測器,藉由大腿的接觸直接量取ECG。美國羅徹斯特大學研發如圖5所示的色素瘤監視器,藉由攝影機在患者洗澡時每月一次監測色素瘤變化的情形,藉此評估惡化的機率[Sinha, 2003]

3. 藉由浴缸量取ECG


4. 藉由馬桶蓋直接量取ECG

5. 色素瘤監測器

(3) 整合如廁健康監測系統

除了學者的研究之外,日本產業界也投入了各式健康監測馬桶的研發與生產,日本松下電器2003111展出的eHII house中,架構了21世紀新世代住宅的架構,其中包括圖6所示可以量測體重、體脂、體溫和血壓等資料的馬桶,全部的健康資料呈現在馬桶旁的小螢幕上,資料並轉存於松下生活情報中心裡,配合其他飲食及作息資料,專業營養師會為使用者提供正確的判斷和建議【松下電器,eHII house】。日本著名衛浴設備公司東陶(TOTO)也發表了「你好二號(Well You II)」健康監測馬桶,不但可以量測體重、脂肪、血压、心跳等項目,更藉由機械臂前端的尿液收集器,分析尿糖、尿蛋白等資訊[Brooke, 2002]

6. 松下電器健康監測馬桶

3.         睡眠環境居家健康監測

睡眠是機能性健康狀況的一項重要指標,良好的睡眠品質與睡眠模式才能使身體獲得適當的休息,藉著睡眠監測我們可以評估睡眠品質並及早察覺疾病與生理機能退化早期行為異常的微妙改變。為了減少對受測者睡眠的影響,「非察覺性」的睡眠生理監測方式,在不需配戴感測裝置的前提下進行生理監測,為最理想的睡眠監測方式。

(1) 特定項目睡眠監測

睡眠監測上的研究大致歸類為特定項目的監測裝置以及整體性的睡眠監測系統兩個方向。特定生理監測裝置如睡眠體溫、睡眠鼾聲、睡眠身體活動等感測裝置,如圖7所示為Tatsuo等人[1989]所設計的健康監測系統中,其中一個監測項目是以床墊上分佈的溫度感測器量測睡眠時體溫的變化;Ishijima[1993]則是運用新研發的材質作為量測ECG時感測的電極(如圖8);Tamura[1992]以圖9設置於床墊上的光纖感測器,利用光纖因壓力而產生強度變化的原理,可以藉由因身體動作而產生的壓力變化判別身體的動作;Harada[2000]所設計的睡眠監測裝置如圖10所示,藉由枕頭下放置的壓力感測裝置,在圖11左圖中可以看到因呼吸時壓力改變而產生的規律性波動,當睡眠姿勢改變時,所引起的壓力劇烈變化可作為身體動作判別的指標,圖11右圖我們可以看到睡眠呼吸中止症在呼吸動作停止時波形成一直線。

7. 量測睡眠時體溫

8. 量測睡眠時ECG的裝置

9. 應用光纖壓力感測器偵測身體動作

10. 枕頭下的壓力感測裝置

11. 藉由壓力改變判別呼吸、身體動作以及呼吸中止

(2) 整體性睡眠監測系統

為了獨居老人的安全照顧,松下設計一款內含感應器的床,電腦會自動記錄老人睡眠時間等生活作息,如果某天老人臥床過久,或出現其他異常狀況,電腦會自動發出電子郵件通知事先登記的對象,或是附近的通報中心。這項設計,目前正在日本大阪池田市裡進行試用【孫逸筠,2001】,

其他整體性的睡眠監測系統如日本Nishida[2002]等人所設計的“Healthcare Supporting Room”(圖12),其中包含攝影機、麥克風、佈滿壓力感測器的床與生理感測器等裝置,藉此監測受測者睡眠狀態中的行為,圖13為其中壓力床的外觀,圖14210個壓力感測器壓力床的實際測試情形,可以藉由壓力點分佈的情形觀察受測者睡眠時身體姿勢的變化。圖15為完整睡眠測試時身上所需黏貼包括溫度、身體位置、血氧、身體活動等大量感測貼片。

12. Healthcare Supporting Room

13. 測量睡眠身體活動的壓力床

14. 壓力床的量測結果

15. Healthcare Supporting Room睡眠監測所需各式睡眠生理感測貼片

(3) 市售睡眠監測裝置

目前進行睡眠診斷與睡眠評估的實驗室與診所,多採用如圖16所示的多重生理記錄儀,以大量的各式生理貼片,客觀科學化地量測受測者睡眠中呼吸、心跳、血氧、身體活動、腦波、心電圖等生理訊號,大量的貼片與訊號線不但影響受測者睡眠,昂貴大型的設備僅能在特定診所與實驗室進行短暫的數晚測試。目前市面上實際商品化的睡眠生理監測產品多半屬於配戴式的裝置,如圖17所示為Pro-Tech公司所生產的各項睡眠生理監測設備,雖然配戴式的翻身監測裝置、腕動計、腳動計、呼吸監測裝置等。相較於睡眠多重生理記錄器PSG複雜昂貴的裝置,市售配戴式睡眠監測裝置已經十分輕巧輕量化,但對受測者而言睡眠時不免還是會有不適感,甚至影響睡眠,而感測裝置所連接大量的訊號線,也十分不便。如果要在日常居家環境中長期、持續性監測睡眠品質,如何降低感測裝置對睡眠的影響,甚至在非察覺性的情況下紀錄所需要的睡眠生理特徵,便是一項值得研究的課題。

16. 睡眠多重生理記錄【葉世彬睡眠檢查室】

17. 市售家用睡眠監測產品[Pro-Tech Services]

4.         一般居家活動監測

Suzanne[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。Kenneth[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。

隨著各式生命、生理感測技術、資料傳輸技術的發展以及網路的普及,許多學者便試著建立日常居家的行為模式與疾病、生理機能退化之間的關連性。澳洲的新南威爾斯大學Celler[1995]等學者曾經發表一項以預判高齡者健康狀況變化為目的的遠端監測研究計畫,他們認為,高齡者從健康、獨立到生病、虛弱其實有一個轉移的過程,然而這個精細、微妙的過程不易為照顧者、醫生、甚至高齡者本身所察覺。因此他們嘗試證明從一些簡單的監測,如高齡者的活動力、睡眠模式、乃至於使用廚具、盥洗、如廁的模式,便能夠預先判知高齡者功能性健康狀況的改變,從而發出適當、及時、合乎成本的通知並進行處理,以減低高齡者罹病率並維持獨立、良好的生活品質。

Bhattacharya[2002]所建構的Smart Room也有類似的概念,如圖18所示,利用居家環境中各式極限開關、紅外線感測器等裝置,監測居家環境中受測者的日常行為模式。Ogawa[2002]等學者也設計了類似的裝置,如圖19所示,用以紀錄日常生活模式與居家設施的使用情形。由英特爾出資喬治理工學院與羅徹斯特大學所建造的“感應屋(Aware home)”在模擬住宅中設置了感測老人動作、聲音等活動量的感測系統,以圖20所示網路數位像框方式提供子女或醫生觀察老人居家活動的狀態[Kirschner, 2001]

18. Smart Room

19. 居家生活模式的監測

20. 感應屋的網路數位相框

目前已經有實際正式營運的健康住宅,如波特蘭市郊的艾利特安養中心籌建的「燕麥田莊」,已於200010月開幕,睡眠環境中的床鋪偵測居住者的體重和睡眠中的翻身次數;紅外線感應器可以感知人是否下床沒有馬桶測知使用者的脈搏、體溫或是否脫水。雖然老人每人每月必須負擔3,250美元,但業者相信廿年後,熟悉科技舒適方便的現代年輕人開始退休和高齡化後,這方面的需求將會增加。

5.         遠端醫療與照護系統

藉由各式生理感測技術與網路相關應用技術的發展,遠距醫療為下一個世紀新興的醫療模式。最早在1959年美國NebraskaWittson等人利用交互式電視(IATV)從事神經、精神科的照會。同年加拿大的Jutra也利用同軸電纜(coaxial cable)傳遞放射線X光影像。隨著網路的普及與相關技術的成熟,遠距醫療成為一項新興的醫療服務模式,根據紐約「水岸遠距醫療聯盟(Waterford Telemedicine partners)」的報告指出,全球遠距醫療產業的產值已從1997年的68億美元成長為1998年的138億美元,預估在2010年時,全球有15%的醫療行為會以遠距醫療方式進行,每年遠距醫療的產值將以每年40%的速度成長[Sinha, 2003]

目前遠距醫療可以分為兩個大類,一是利用網路技術單純提供醫師與病患間影音診察的管道,另一則是利用各式醫療裝置,由患者進行簡單的操作,遠端醫師可以藉由網路的介面即時獲得患者的各項生理資料。

單純的影音遠端醫療在國內目前可以看到包括「威今居家遠距醫療系統」(http://www.wegene.com.tw/)IP電話的方式提供即時的影像與聲音對談,或是如「懇懋遠距醫療」(http://www.grandsoft.com.tw/)利用高解析度的視訊提供醫師視覺診斷的依據。桃園縣縣政府衛生局、以及行政院所推動台大醫院執行的國家資訊通信基本建設NII計畫、以及台北大學醫學院的虛擬健康社區(Virtual Health Community),都是利用視訊與影音動畫與文字等方式進行。

第二個類別的技術門檻較高,各式生醫器材都必須經過衛生主管單位的相關認證,目前正式營運的包括可以看到由竹山秀傳醫院、思網科技公司、臺灣銳知公司、五鼎生物科技公司共同合作的「糖尿病遠距醫療系統」,使用血糖儀,透過資料傳送器將血糖資料直接傳送到醫院,由醫師做專業控管【陳紹聖,2000】。源星科技推出儀器判讀心室跳動狀況、血液成分、心室瓣膜狀況及血壓起伏狀況等的血壓測量儀【陳建元,2003】等單一的生理感測項目的遠距醫療裝置,以及如圖21所示亞太健康遠距科技公司已通過FDA認證包含血氧、血壓、電子聽診器、體重體脂器、血糖計、心電圖等六項遠端感測裝置的「居家檢測系統(Telehomecare System)(http://www.aptt.com.tw/)

21. 亞太健康居家檢測系統

松下電器公司發表的VitalSignal醫療箱原型,如圖22所示,也建構了類似的遠端醫療架構,包含血壓儀、體溫計與血糖計等裝置,利用網際網路介面可以即時將數據傳給專屬的診所醫師,VitalSignal也提供了內置式的視像電話使你可以面對面與醫師問診醫生[Paul, 2000]

22. 松下電器公司發表的VitalSignal醫療箱

美國The Health Hero Network(http://www.healthhero.com/)所建構的遠端醫療架構如圖23所示,系統使用者端操作如圖24所示的體重、體溫與血壓等醫療設備,並填寫圖25網路介面的主觀式健康問卷,遠端醫師藉由網路介面iCareDesktop系統獲得長期性的體重、體溫與血壓等生理健康資料與主觀式健康問卷的長期性資料,藉此評估受測者生理變化的趨勢以及異常狀態發生的風險機率,此外,在自我健康問卷評估的過程中,系統並提供正確的保健資訊,藉此教育使用者正確的飲食與健康觀念。

23. Health hero Network technology 系統架構

24. Buddylink生理監測裝置

25. 醫師端iCareDesktop系統介面

6.         居家健康監測與遠端醫療照護相關研究與產業現況總結

隨著科技與健康意識的進步,近年來諸多學者利用感測與網路技術進行居家健康監測系統的相關研究。居家環境下的生理健康監測系統不但可以分擔高成本的醫療人力與資源,長期持續性的健康監測資料更進一步察覺健康異常的徵兆。

目前遠距照護相關研究中大部分著眼在居家環境的健康監測,在可預見的未來,居家環境將會是健康與醫療的第一道防線。居家環境是每個人最熟悉的空間,也是停留時間最長的場所,建構於居家環境下的健康監測系統,相較於傳統定期取樣式的問診醫療行為,居家健康監測系統提供了長期持續性的健康監測資料,早期察覺行為模式、習慣的改變及早發現疾病以及生理機能衰退初期行為模式以及習慣的微妙變化。而家庭環境中的各個場所對於健康監測而言有其獨特性,主要研究集中於盥洗與如廁環境、睡眠環境、以及一般居家活動環境三類。

遠距醫療研究則可以分為兩個大類,一是利用網路技術單純提供醫師與病患間即時的影像與聲音對談,作遠距診察;另一則是利用各式醫療裝置,由患者進行簡單的操作,遠端醫師可以藉由網路的介面即時獲得患者的各項生理資料,技術門檻較高,各式生醫器材都必須經過衛生主管單位的相關認證。兩者在國內都已有小規模測試或商業化營運模式。

國內遠距照護或遠距醫療相關產業並不發達,其中「亞太健康遠距科技公司」已通過FDA認證包含血氧、血壓、電子聽診器、體重體脂器、血糖計、心電圖等六項遠端感測裝置的「居家檢測系統(Telehomecare System)」,最具規模與實績。美國則以“The Health Hero Network”建構的遠端醫療架構最為成熟,該公司並獲有最多相關技術之美國專利。

重視全球市場的企業,在規劃其專利佈局時,皆會投入美國此技術較為先進、市場需求性高的地區。針對相關技術美國專利作專利分析發現,如圖26所示,高齡者遠距照護技術美國專利在1994年以後成長快速,正處於蓬勃發展的階段,各個國家與眾多公司目前皆積極投入相關的研究。排名第一的公司是位於美國加州的“The Health Hero Network”,此公司的研發產品大多以監測患者與高齡者居家醫療照護為主,是此項領域中值得注意的一家公司。而國際大廠中如IBMCompaq等大公司,也都開始積極投入此項領域的研究,尤其網際網路的運用與相關數據的傳輸亦佔相當重要的技術成分。在此領域中日本所擁有的美國專利件數居第二位,但與美國所擁有專利件數有相當的差距。台灣在此項領域的專利數僅有2件,一篇為矽統科技所申請,內容著重於敘述數據傳輸與封包的方式,另一篇為友旺科技所申請,內容著重於寬頻網路的傳輸技術,顯示遠距照護產業與網際網路產業結合的趨勢,而國內產業界對此領域尚未積極投入。

26. 遠距照護相關美國專利歷年專利件數圖(以公告日分析)

國內工業技術研究院執行經濟部技術處「策略性服務業導向科專推動及運作計畫」,目標之一為有效推動與落實「遠距居家照護服務」成為新興的服務產業,預計在2004年四月成立「遠距居家照護服務產業聯盟」,廣邀醫療照護業者、IT業者、醫療設備與器材業者、電信服務業者、長期照護服務業者、保全保險業者、學術研究機構、社團法人及對本計畫構想有興趣者共同參與,集思廣益,建構遠距居家照護服務產業,目前主要參與業者包括台大醫院、東元、宏碁、中華電信等。

7.         本計畫目的

隨著生活水準與醫療衛生長足的進步,國人平均壽命逐漸的延長,老年人口比例持續增加。面對高齡化的社會,各種社會福利、醫療醫藥技術與社會安全制度與的問題隨著顯現,越來越多的高齡者無法藉由家人與家庭獲得妥善充分的照顧。近年來諸多學者結合感測與通訊技術進行居家健康監測系統的研究,相關產業亦開始蓬勃發展。居家環境下的生理健康監測系統不但可以分擔高成本的醫療人力與資源,長期持續性的健康監測資料更進一步察覺健康異常的徵兆,在可預見的未來,居家環境將會是健康與醫療的第一道防線。

元智大學在居家環境下之遠距照護,已有完整研究團隊,並有相關研究經驗及研究成果。圖27所示為元智大學在居家環境下之遠距照護研究架構,前端感測系統研究基本可分為「非侵入式生理訊號監測」(包括血壓、心電圖、呼吸頻率、體溫、血氧濃度、和腦波訊號等六項)、「生活品質相關健康數據監測」(包括活動力睡眠品質代謝模式環境品質等四項)、以及「遠端遙控照護機器人之開發」等三個方向,感測系統採用單晶片微電腦(PIC)為基礎之嵌入式架構作為A/D擷取、訊號處理與運算、生理特徵與環境狀況的特徵判別,以無線室內資料傳輸或網際網路傳輸的介面,整合於家庭伺服器或單晶片伺服器以網際網路方式傳輸至後端資料庫,資料傳輸架構規劃為如圖27單一家庭使用規模,以及圖28安養院多戶規模、和圖29ISP資訊服務規模等三種規模。經由儲存、處理、探勘、智慧型生活品質評估等資訊處理機制,以網際網路方式呈現高齡者各項生命品質指標,提供子女與照護者即時關懷家中父母的管道。

27. 元智大學在居家環境下之遠距照護研究架構

28. 單一使用者架構

29. 安養院多戶架構

30. ISP資訊服務規模

在可見的未來,遠距照護有極大的市場需求,相關產業與科技發展在國外已有蓬勃發展,遠距照護產業與網際網路、無線通訊等產業結合已是重要趨勢,是高齡化社會型態下非常適合網路、通訊業者提供之加值服務。相對的,國內通訊相關產業相當發達,競爭激烈,產業亦多以降低價格或提供各項加值服務,期望擴大市場佔有率,但結合遠距照護與無線通訊相關之技術發展與應用,在國內卻仍在起步階段目前元智大學在居家環境下之遠距照護系統發展,在感測訊號的傳遞與後續資料傳輸上,也均以有線方式傳輸為主,且傳輸平台侷限在網際網路。

在居家環境的遠距照護上,要能夠普及於一般家庭,感測系統的建置以及訊號與資料的傳輸,需要能夠低成本、高彈性、和高移動性,資料傳輸平台更需要能夠擴大到一般手機。在此項應用上,使用無線網路的優點是顯而易見的,包括不需施工佈線與線路規劃,可節省成本、縮短網路建構時間,且容易維護,並可以快速變更網路架構。

本計畫希望能進一步結合元智大學在無線通訊方面的研究團隊,結合感測技術與無線通訊技術,應用於居家環境下之高齡者遠端照護系統之開發。本計畫架構如圖31所示,藉由居家環境下非侵入式生理監測系統與非察覺式健康監測系統,長期性、全方位地蒐集、評估高齡者之生理訊號(包括血壓、心電圖、呼吸頻率、體溫、血氧濃度、和腦波訊號等六項)與生活品質相關健康數據(包括活動力睡眠品質代謝模式環境品質等四項),感測系統訊號以無線方式傳輸至網際網路伺服器或家人、照護者之手機,以提供家人或照護者更完整、長期的監測資訊,並作即時預警。同時並將應用無線通訊技術發展一遠端遙控照護機器人,在平時能提供子女與高齡者動態溝通的平台,並能提供緊急狀況告知和即時的照護。

31. 本計畫架構


(三)研究方法、進行步驟及執行進度

1. 研究方法

1為本計畫之技術架構,本計畫主要包括兩個研究構面,一是前端感測系統之開發,即前述「非侵入式生理訊號監測」(包括血壓、心電圖、呼吸頻率、體溫、血氧濃度、和腦波訊號等六項)、「生活品質相關健康數據監測」(包括活動力睡眠品質代謝模式環境品質等四項)、以及「遠端遙控照護機器人之開發」等三個方向,在這三個方向上本計畫均已有基礎之研究成果。本計畫第二個構面重點則在於如何將相關感測技術與無線通訊技術之整合,建立室內各項健康監測系統無線資料傳輸架構以及跨平台的資料傳輸與緊急通知架構,預期提供子女與照護者網頁介面、手機與E-mail等資料呈現與緊急通知的即時平台。

1. 本計畫之技術架構

l     前端感測系統之開發

本計畫在前端感測系統之開發及研究方法分別敘述如下。

(1) 非侵入式生理訊號監測的基本原理

a.       心電圖(ECG)

心臟收縮是由右心房上竇房結(SA node)於一分鐘內產生約60次微小電脈衝訊控制,所以一般心臟細胞有所謂極化、去極化及再極化的過程,而所形成的動作電位變化,便可經由心臟周圍導電組織與體液反應至身體表面,因此將電極放置在體表面紀錄出來之心電變化圖形即是心電圖(Electrocardiogram, ECG)。心電圖乃是反映整各心臟興奮的產生、傳佈和恢復過程的電位差變化,但並不反映心臟的機械收縮活動。另外由於心臟訊號屬低頻範圍(0.01Hz~500Hz),其振幅約0.5mV~5mV,故在心電圖擷取量測上,便需接上濾波與放大裝置。ECG濾波頻率的最佳範圍介於1.06Hz~106.1Hz之間,本計畫將配合ECG的振幅及頻率範圍,製作出可以量測ECG的放大及濾波電路。

b.      血壓(Blood pressure)

測量血壓的方法可分為直接測量法或稱為侵入式及間接測量法或稱為非侵入式兩種,直接測量法主要是將動脈導管接在感測器部份的前端,經排氣及對大氣歸零後,將動脈導管直接插入動脈血管,再利用壓電轉換感測器的轉換而得到血壓;間接測量法則以各種非侵入式量測為主。大部份間接式量測法是利用壓脈袋量測血管,再利用聽診器或其他感測器(如麥克風、超音波感測器、壓力感測器)來量得血壓。依操作方式,亦可分為手動式及自動式。依儀器分類又可分成水銀血壓計及無液式血壓計或稱為錶式血壓計。由量測方式可分為觸診法聽診法及貫注法,而自動式依量測方法可分為聽診法、共振法超音波法,及紅外線法。本計畫將採用共振法,量測裝置包括腕部用的壓脈袋、加壓馬達、洩氣閥與壓力感測器。量測方法是在壓脈袋內打入一定壓力後,當血管受到壓脈袋擠壓時血管產生脈動,再利用靈敏的壓力感測器來感測壓脈袋內部壓力的微小訊號,經過慮波、放大等程序擷取連續脈波訊號,可提供即時腕部脈波的變化,經過轉換後可以得到收縮壓、舒張壓及平均壓。

c.       腦波EEG(electroencephalogram)

由於腦神經細胞所散發出的電位不高,加上頭皮、顱骨及三層腦膜的隔絕,因此記錄到的電位很小。EEG所記錄到的電位大約是5-30μV的電位變化在0.5-60Hz的交流成分。然而腦波用於臨床上疾病的判別主要是根據其波紋的變化而非電位的大小。藉著頻率的不同可將腦波劃分成四種基本波:Beta(β)Alpha(α)Theta(θ)Delta(δ)(如圖2)。其所處的頻率分別為:Beta大於13HzAlpha介於813Hz之間,此兩種都是歸類於「快波」部分,而Theta介於48Hz之間,Delta小於4Hz之間,此兩種都是歸類為「慢波」,利用這些特徵我們可以知道一個正常人的精神狀態,例如清醒、睡眠、興奮、麻醉等,所呈現的腦波都不相同。

2. EEG基本波形[Aston, 1990]

因腦波的電位很小,且有很大的直流電位。腦電圖(EEG)所記錄的則是在此電流電位中5~200μV的交流成分,因此我們需使用高倍電壓放大電路配合有效的濾波電路將腦波放大至數位電路所能擷取的範圍。其放大倍率可依儀表放大器外加電阻而改變Gain5x105~106,頻寬則介於0.48~40Hz之間。電路中採取多級濾波放大的策略,一方面防止外部的雜訊放大及直流電壓造成訊號飽和,另一方面也有利於檢測各級電路是否達到該有的效能。

d.      呼吸頻率和體溫

3“Elastic resistive transducer”,是一種隨著伸縮的長度不同,電阻值就不一樣的材質,本計畫將利用此感測器,藉由使用者吸氣和吐氣時胸腔會擴大及收縮而造成電阻值不同,然後再配電路產生不同分壓,就可以感測出呼吸頻率。體溫則將利用thermistors來量測,當使用者的體溫不同時該感測器裡的電阻值就會不同,再配合分壓定律而使該感測器量測到不同溫度就有不同電壓值的改變[15]

3. Elastic resistive transducer[Enderle et. al, 2000]

e.       血氧濃度

血氧濃度指的就是在血液中所含氧的濃度,圖4所示,本計劃是利用一種俗稱金手指的感測器來感測血氧濃度,該感測器是利用血液在紅外光照射時血氧濃度不同時所反射回來的波長不同而近一步求的血氧濃度是多少。

4. 以金手指感測血氧濃度[Enderle et. al, 2000]

(2)   生活品質相關健康數據監測

a.       活動力

活動力指標(mobility index)的建立係以人體紅外線感測器作人體活動之感測,以電流感測器作電器使用之感測,另外並利用光電開關、極限開關作出入、使用電話之感測,藉這些活動的監測,來建立高齡者活動力指標,並作活動模式分析,期望在高齡者活動力指標下降,或活動模式異常時,系統能夠做出預判,提醒子女與照護者做及時處理與關懷照顧。

b.      睡眠品質

高齡者的睡眠品質不良是一個普遍性存在的重要問題,不良的睡眠對生理與心理均會造成不良的影響。一般睡眠品質評估的方式可以區分為三種:自我主觀評量、客觀儀器測量、以及睡眠觀察三類。主觀評量法藉由主觀的事後問卷調查受試者睡眠總時間、睡眠品質與睡眠困擾等問題,依據主觀的感受作為評估依據,測試結果因受試者主觀意見而影響,許多睡眠中的疾病與現象無法藉由主觀評量而得知;客觀儀器測量最常使用多重生理記錄器(PSG, polysomnography),這是目前最詳細準確的測試方式,包括心電圖、腦波、眼電圖等項目,受測者必須在特定的實驗室進行睡眠測試,身上大量的感應電極與訊號線妨礙睡眠並且十分不便;睡眠觀察則是藉由醫護人員或實驗人員從旁觀察受試者的睡眠狀態,好處是儀器不會因儀器妨礙原本的睡眠行為,但需要大量的人力與時間進行觀察與紀錄,也可以藉由攝影記錄的方式減少人力負擔,但是睡眠觀察所耗費的人力頗大,所觀測的結果僅能作為總睡眠時間、睡眠活動與某些特定睡眠疾病的觀察,相對而言十分不符合效率。

隨著睡眠研究領域以及感測技術的進步,更精巧、更輕量化配戴式的睡眠感測裝置是設計上的一個趨勢,為了不影響睡眠的進行,許多學者致力於非察覺性睡眠監測裝置的設計。對睡眠監測而言,能夠在原本居家環境中的睡眠場所進行睡眠監測,是最適合的地點,許多研究的訴求便是希望能建立適合居家環境下使用的睡眠監測系統,藉此取代在實驗室陌生的入睡環境,以及不舒服的大量電極與訊號線,非察覺性的設計可以在不影響睡眠的前提下進行睡眠監測。本中心所發展之「睡眠品質監測與評估系統」,設計概念上以產品面角度思考,“非察覺性”以及“外掛式”為主要的設計考量,使用者不需改變原先的睡眠環境,僅需在床墊與枕頭下藏設外掛式的附加感測裝置,在不影響睡眠環境的前提下以非察覺性的方式感測睡眠時監測臥床時間、肢體活動、呼吸頻率、打鼾頻率、與體溫五項外顯生理訊號,來判定當時睡眠狀態,進而評估睡眠品質。系統並與網路連結,子女與照護者可藉由網路即時關懷家中父母的睡眠品質情形。

從相關文獻可以歸納六項評估睡眠品質的指標,包括(1)總睡眠時間、(2)睡眠潛伏期、(3)睡眠效率差、(4)夜裡覺醒次數、(5)REM與深眠階段時間、(6)其他影響睡眠因素(如睡眠疾病)。本研究所發展的睡眠品質監測與評估系統架構如圖5所示,目前智慧型評估系統架構規劃包括身體活動監測系統、呼吸監測系統與體溫監測系統三項系統,監測臥床時間、肢體活動、呼吸頻率、打鼾頻率、與體溫五項生理特徵,藉此我們可以辨別(1)清醒與睡眠、(2)不同睡眠階段(REMNREM與深眠階段)兩項睡眠狀態,藉著兩種睡眠狀態辨別以及其他影響睡眠的因素,可以作為上述六項指標的依據。

5. 睡眠品質監測與評估系統架構

c.       代謝模式

代謝模式為監測被監測者生理新陳代謝的情形,亦即排泄的情形,包括排泄物之質量、成分、與排泄的時間規律等,目的在藉由排泄的情形分析被監測者之的生理狀況,了解被監測者是否有不正常之代謝情形。

常見的數種癌症的早期徵兆均與代謝與飲食模式改變有關,而容易誘發心臟病的腎臟病與糖尿病均是造成尿液成分的異常,因此心臟病的檢查中尿糖、尿酸與尿蛋白也是進行風險評估的項目。若能掌握代謝模式變化的早期徵兆,對於健康與疾病更能進行先期的預防與診治,提升健康與生活的品質。

d.      環境品質

環境品質不但影響生活與健康品質,不良的環境品質更是多種疾病的誘因,Anderson等人[1996]進行長達六年的研究中發現,不良的空氣品質會造成氧氣不足以及提升心臟病的機率,Peters[2002]的研究中指出,交通工具的排氣中含有很多會引起心臟病危險的污染物,例如微塵、柴油油煙,以及氮氧化物,這些污染物會導致心血管以及呼吸系統的問題。香煙中的尼古丁會造成心跳加快、血壓升高、血管內膜受傷等影響,會提升心臟病的風險約三倍【胡偉明,2002】。

此外環境寒冷的溫度會造成血管痙攣、血流緩慢造成循環混亂以及心肌梗塞,過低的氣壓會造成缺氧,這些都是會造成心臟病發的危險因子,洗澡時的水溫過高會使血流速過快,尤其冬天冷熱溫度變化過大會造成心臟大量的負擔,也是十分值得注意。

本計畫考慮的室內環境因子包括:溫度、相對濕度、照度、噪音、二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、二氧化氮(NO2)、總揮發性有機物(TVOCs)、酸鹼度(pH)、總溶解固體物和導電度等十一項;其中前五項(溫度、相對濕度、照度、噪音、二氧化碳)代表環境舒適度指標(Environmental Comfort Index, ECI)之參數;一氧化碳、二氧化氮和總揮發性有機物代表空氣品質指標 (Air Quality Index, AQI)之參數;而酸鹼度(pH)、導電度和總溶解固體物則代表水質指標 (Water Quality Index, WQI)之參數,整體性地評估環境品質指標。

(3)   遠端遙控照護機器人

本計畫研究團隊應用「遠端臨場(Telepresence)」的概念,進行「遠端遙控照護機器人」的開發。目前已完成核心技術開發,實現在遠端遙控照護機器人之雛形載具「遠距照護車(T-Carer)」上。T-Carer結合“Tele-“遠傳、“Car”行動載具、“Care”照護、“-er”人性化等意涵,藉由網際網路涵蓋全球以及802.11無線通訊行動自由的特性,從世界上任何一個有網路的角落,都得以從遠端控制機器人在高齡者的身邊自由行動,控制照護車前進、後退、轉彎等動作,並可控制照護車上的攝影機作拍攝、對焦、轉動等功能。除了能透過影音即時的溝通,讓高齡者能感受到貼心的關懷之外,也能擷取相關的生理或環境訊號,實現即時的照顧或通報,並且有溝通、保全的意義。隨著網路與無線通訊技術的快速普及,這再也不是遙不可及的高貴科技了。

6所示為遠端遙控照護機器人之雛形載具遠距照護車T-Carer,目前獲邀在九十二年資訊月主題館全國巡迴展出一個半月。主題館內「遠距看護」展示區設計成縮小比例家庭場景(如圖7),民眾在現場設置的四個操作台上,操控遠距照護車的方向盤、油門和煞車踏板在家庭場景中遊走觀看,並準備十道關卡,如失火、昏迷、淹水、電線走火等題目,讓民眾駕駛遠距照護車一一過關,體驗遠距看護的應用。經過資訊月長達一個半月的展期,每天有超過500人試駕,足以證明T-Carer已有產品級的成熟度。遠距照護車目前已在申請專利中。

6. 遠端遙控照護機器人之雛形載具-遠距照護車T-Carer

7. 2003年資訊月主題館內「遠距看護」展示區

遠距照護車整體系統架構如圖8,遠端的使用者透過方向盤、油門控制遠距照護車的移動能力,也可控制網路攝影機的動作,而網路攝影機所拍攝的影像透過網路回傳至使用者的電腦螢幕上,在遠距照護車這端,只要此環境可連接網路,使用者的控制指令便可透過無線基地台以無線區域網路802.11b,傳輸指令至遠距照護車上的無線橋接器後,經由集線器後進入單晶片網路伺服器,便可執行使用者的控制指令。

8. T-Carer系統架構

T-Carer採用八位元單晶片微控制器做為其控制系統的核心,並自行研發一套「韌體乙太網路驅動程式(Firmware Ethernet BIOS)」,不僅使單晶片擁有各種網路通訊與伺服器的功能,也大幅簡化應用程式的開發流程,提升系統的彈性、可靠度與普及性。只要設定一組IP位址,連上網路後,使用者便可透過網路與此單晶片伺服器進行雙向溝通,繼而控制遠距照護車的伺服馬達而達到自由移動能力。

遠距照護車上裝有一台網路攝影機,給予網路攝影機一組IP位址,便可透過網路傳輸控制指令來操控網路攝影機進行拍攝影像、對焦、鏡頭移動等功能。使用者可透過網路傳輸控制指令操控遠距照護車移動,並將攝影機所拍攝的影像回饋給使用者,並可設定及時預警模式,當遠距照護車上的感測器偵測到現場有異常狀態時,及時發訊給使用者,發訊方式包括E-mail、手機、電話等。本計畫中將進一步將此遠距照護車具體化。

l     將相關感測技術與無線通訊技術之整合

本計畫研究的第二個構面,是將相關感測技術與無線通訊技術之整合,主要在依照感測訊號及居家環境之特性,選擇合適之無線通訊技術作感測或控制資料之傳輸,以及將資料傳輸及緊急通知平台擴展至一般手機。

首先對無線通訊技術作一初步瞭解。無線傳輸技術大約可分為三種:

(1)微波(Microwave)

微波主要用於大樓間LAN網路連接,這須要使用到碟形天線,且天線必需位於視線範圍(Line-of-sight)

(2)展頻(Spread Spectrum)

展頻是目前Wireless LAN使用最廣泛的傳輸技術,最先是由軍方發展,用來避免信號的擁擠與被監聽,其中又可分兩種展頻技術

(a)    Frequency Hopping Spread Spectrum(FHSS)

信號透過一系列頻率範圍廣播出去,傳送裝置會先去傾聽(listens)頻道(channel),當此頻道處於閒置狀態,信號會利用此頻道傳送出去,若此頻道已經在使用,傳送端便會跳躍(hops)到另一個頻道,因此接收端必須知道傳送端的跳躍程序,且傳送端與接收端必須同步切換頻道才可正常收送資料。

(b)   Direct Sequence Spread Spectrum(DSSS)

對每一信號加入多餘資料位元,這些資料稱為“chips”,每一筆資料必須加入至少10chips,如此接收端才可以根據這些編碼正確接收資料。目前這種展頻技術被應用在大多數的無線基地台上。

另外,近來發展出另一種無線電技術WDS(Wireless Distribution System),一樣是建構在HFSSDSSS底下,可讓基地台與基地台間得以溝通,比較不同的是有WDS的功能是可當無線網路的中繼器,且可多台基地台對一台,目前有許多無線基台皆有WDSWDS把有線網路的資料,透過無線網路當中繼架構來傳送,藉此可將網路資料傳送到另外一個無線網路環境,或者是另外一個有線網路。因為透過無線網路形成虛擬的網路線,所以有人稱為這是無線網路橋接功能。嚴格說起來,無線網路橋接功能通常是指的是一對一,但是WDS架構可以做到一對多,並且橋接的對象可以是無線網路卡或者是有線系統,所以才會稱為是架構。所以WDS最少要有兩台同功能的AP,最多數量則要看廠商設計的架構來決定。

(3)紅外線(Infrared ray)

使用紅外線傳送資料,又可分為兩種型式

(a)    散射式(Diffused)紅外線一種非直線式傳輸方式,只要在一定區域內,可藉由物體表面反射方式,達到傳送資料目的。

(b)   直射式(Directed)紅外線以直線形態傳輸資料,若途中遇到任何障礙,接收端將無法收到資料,因此網路環境必須是視線範圍(Line-of-sight)

無線區域網路的標準以IEEE 802為主,為「電機電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE)」所推動的標準,此標準是定義區域網路中的第一層實體層(physical layer)及第二層資料連結層(data-link layer)在網路上的存取控制。簡單的說,IEEE 802所定義的標準,就是網路上資料存取的方法(Access Method),也就是如何將資料放在纜線上傳輸、如何從纜線上取得資料的遊戲規則。IEEE 802包含下列規範:

802.1                 高層介面、網路互連

802.2                 邏輯鏈結控制(LLC)

802.3                 CSMA/CD乙太網路(Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection)網路

802.4                 權杖匯流排(Token bus)網路,也有人稱記號匯流排網路

802.5                 權杖環(Token ring)網路,也有人稱記號環網路

802.6                 都會網路(MANMetropolitan Area Network)

802.7                 寬頻區域網路(Broadband LAN)

802.8                 光纖區域網路(Fiber Optic LAN)

802.9                 多媒體傳輸(Multimedia traffic),整合聲音與網路資料

802.10             網路保全(Security)

802.11             無線網路(Wireless network)

802.12             需求優先存取區域網路(100BaseVG-AnyLAN)

802.13             有線電視通訊網

自從1997年無線區域網路IEEE802.11確立之後,原本各自為政的無線區域網路產品,才有了共通的標準。而現在最熱門的藍芽(bluetooth)HomeRF等等,都是在IEEE 802.11的標準下衍生出來的。以下將對IEEE 802.11以及藍芽(bluetooth)HomeRF做簡單的介紹。

(1) IEEE 802.11

IEEE1997年公布了無線區域網路相關的標準,輸出功率為1W,天線增益至少6db,並以跳頻展頻(Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS)、直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)、或紅外線傳輸等技術來從事2.4GHz頻帶中1~2Mbps之數據傳輸,該標準並可支援同步及非同步之語音、數據傳輸。目前IEEE 802.11規格已逐漸被承襲直接序列展頻技術的IEEE 802.11bIEEE 802.11g,以及奠基於跳頻展頻技術的IEEE 802.11aIEEE 802.15等規格所取代。

19999月制定,源自IEEE 802.11直接序列展頻技術,別名IEEE 802.11 HR(High Rate)IEEE 802.11b標準,其傳輸速度依調變方式分為1Mbps(BPSK)2Mbps(QPSK)5.5Mbps11Mbps(CCK)四種,迅速席捲全球無線區域網路市場,究其原因,除了與IEEE 802.11技術相近有關外,成立推動組織與促進產品互通性更是關鍵所在。3ComAironetIntersilLucentNokia、與Symbol等公司在19998月共同發起成立「無線網路相容聯盟WECA(Wireless Ethernet Compatibility Alliance)」,致力於教育與推廣IEEE 802.11b無線區域網路應用、協助解決產品相容問題,並且研擬WiFi(Wireless Fidelity)互通標準。目前參與WECA會員約80家業者。

(2) 藍芽(Bluetooth)

關於藍芽的名稱,有個趣味的說法,在西元十世紀的挪威,有個維京國王名叫哈拉德藍芽(Harald Bluetooth),因為統一丹麥而留名後世。藍芽取了這個名字,是否也有一統無線霸業的野心呢?也因為藍芽技術還在起步階段,所以翻譯成「藍芽」而不是「藍牙」。

Bluetooth的發展計劃中,是將其定位為低成本、低功率、涵蓋範圍小的跳頻(Frequency Hopping)RF系統,其設計適用於連結電腦與電腦、電腦與周邊以及電腦與其他行動數據裝置,如行動電話、呼叫器、PDA等。隨著網路用戶逐漸由學術單位、集團企業而漸漸走入家庭和個人市場,提供用戶方便上網且簡單易用的無線網路產品需求與日俱增,而Bluetooth的誕生便是針對此一個人無線區域網路市場。Bluetooth所掀起的熱潮,可從其SIG(Special Interest Group)會員廠商規模近2,200家且橫跨資通訊等產業可見。Bluetooth 1.0版標準的頻寬可達1Mbps,但傳輸速度較慢,而且易受訊號干擾,則是Bluetooth的缺點。新的Bluetooth 2.0版標準採用的技術將使速度提升至12Mbps

(3) HomeRF

HomeRF是建構在Share Wireless Access protocol(SWAP)的技術上,主要是應用於家庭網路的無線上網需求。它不只是資料的傳送,更整合了語音傳輸的能力,所以可以將電腦網路與電話網路結合,提供一個更完整的解決方案。HomeRF目前的頻寬大約是1~10Mbps。但是,仍有訊號干擾的問題存在。與其他技術不同的是,HomeRF的目標非常明確,主要鎖定在家庭電腦與消費性電子產品(IA)的無線區域網路串連上。因為目標明確,也吸引了將近100家的資訊與通訊產品廠商加入。

(4) HiperLAN

HiperLAN(High Performance Radio LAN)是由歐洲通訊標準協會(ETSI)制訂的無線區域網路傳輸協定,傳輸速度可達24MbpsHiperLAN也有分成兩個版本,新的Type II版本採用Wireless ATM的技術,使傳輸速度更高達54Mbps,也是全球首先納入行動通訊協定GPRSUMTS實體界面的無線區域網路標準,以配合語音與數位相互整合的無線網路架構。以致力於發展HiperLAN產品與應用的組織H2GF(HiperLAN2 Global Forum)會員結構來看,在47家參與業者當中絕大多數均屬於行動通訊產業上下游相關廠商。

隨著無線通訊技術的發展,已從單純的資料傳輸擴展到家庭應用的層面,各大廠商推出各式Wi-Fi架構下的家電與相關資訊產品,本計畫所建構的遠端居家照護系統也是以Wi-Fi無線通訊架構為系統核心技術,各項監測系統均是以無線技術作為資訊傳輸的介面連結至網際網路伺服器,後端提供Web介面、E-mail以及手機訊息等跨平台的資料傳輸與緊急救援架構,提供子女、照護者、醫療與救援中心照護與救援的即時管道。

2. 進行步驟與執行進度

9為本計畫之進行步驟,本計畫的執行流程分為三個年度執行,第一年度首先藉由相關文獻的研討與生理感測技術的評估以及元智大學老人福祉科技研究中心先前開發的各項技術為基礎,擬定初步設計概念,第一年度的主要工作目標便是建立非侵入式生理訊號監測系統、生活品質相關健康監測系統、遠端遙控照護機器人三項系統與後端的遠端資料傳輸與資料庫架構,提供子女與照護者照護與關懷管道。開發過程中除感測技術外,也將結合無線通訊技術,使在居家環境的遠距照護上,使感測系統的建置以及訊號與資料的傳輸,能夠達成低成本、高彈性、和高移動性的需求。

第二年度的主要工作目標便是開發無限通訊架構,以跨平台的資料傳輸架構藉由網頁介面、E-mail、手機簡訊、語音訊息等跨平台資料傳輸與緊急通報架構,提供子女、照護者、醫護人員以及緊急救援中心照護關懷與救援的即時管道。

第三年度首先將實際設置系統於元智大學老人福祉科技研究中心高齡者模擬住宅中進行實際測試,並依據測試結果進行測試與修正,完成系統最後測試。測試完成後將實際設置於高齡者住宅與安養機構中運作,進行高齡者照護的相關研究並發表各項技術與研究成果。

9.計畫執行流程

 (四)預期完成之工作項目及成果

本計畫「無線通訊技術在居家環境下遠距照護」結合感測技術與無線通訊技術,應用於居家環境下之高齡者遠端照護系統之開發。元智大學在居家環境下之遠距照護,已有完整研究團隊,本計畫希望能進一步結合元智大學在生醫感測與無線通訊方面的研究團隊,整合感測技術與無線通訊技術,應用於居家環境下之高齡者遠端照護系統之開發。

本計畫藉由居家環境下非侵入式生理監測系統與非察覺式健康監測系統,長期性、全方位地蒐集、評估高齡者之生理訊號(如血壓、心電圖、呼吸頻率、體溫、血氧濃度等)與生活品質相關健康數據(如活動力睡眠品質代謝模式環境品質等),感測系統訊號以無線方式傳輸至家庭伺服器,並連結後端網際網路伺服器以Web、家人、照護者之手機與E-mail等跨平台介面,提供家人或照護者更完整、長期的監測資訊,並作即時預警。同時並將應用無線通訊技術發展一遠端遙控照護機器人,在平時能提供子女與高提供子女、照護者與醫療救援單位即時動態溝通照護與緊急救援的平台。

本計畫預期完成之實質成果如下:

第一年度:

    居家環境下非侵入式生理健康監測系統

    居家環境下生活品質相關監測系統

    遠距遙控照護機器人

    室內無線資料傳輸技術

第二年度:

    網際網路資料傳輸與資料探勘系統

    跨平台無線資料呈現與緊急通報架構

    網際網路資料儲存與探勘系統

    智慧型生命品質估系統

第三年度:

    實際設置於高齡者住宅進行各項研究

    實際設置於安養中心進行高齡者行為模式與生活品質的各項研究

    發表各項計數與研究成果

本計畫的研究成果不但拓展了無線通訊技術的應用層面,各項生活與健康監測系統在高齡者照護與臨床醫學研究上均能帶來實際的貢獻,結合網際網路的跨平台資料呈現與緊急通報架構,更能提供子女、照護者、醫療與救援單位關懷、溝通、照護的即時管道,打造全方位的遠端醫療與照護系統,提升國內高齡者照護與遠端醫療照護的水準。

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