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作者:王坤池(2005-03-29);推薦:徐業良(2005-04-01);最近更新:徐業良(2005-05-18)

可攜式遠距居家行為模式監測系統之研發

1.     居家環境下行為模式監測

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行為模式監測系統,可提供長期、持續性的監測資料,並可藉由監測資料做進一步的行為模式分析,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的微妙變化。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加以判讀,我們可以及早預防疾病與生理機能更加惡化的可能。

在許多研究計畫中都利用居家環境中各式開關或是感測器等,來監測受測者的行為活動,進而推論出受測者的日常行為模式。如Bhattacharya[2002]所建構的Smart Room即是採用此一概念,如圖1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等學者[2002]也在居家環境中設計了類似的裝置,用以記錄日常生活模式與居家設施的使用情形(如圖2)。

1. Smart Room[Bhattacharya, 2002]

2. 居家生活模式的監測[Ogawa et. al, 2002]

除了監測居家生活模式,許多學者也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等學者[1995]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。

麻省理工學院建築系和媒體實驗室合作設立了“PlaceLab”,研究在居家環境中健康照護、能源使用、溝通、商務、娛樂、工作等狀況。在PlaceLab的架構下,研發了數種可攜式感測工具(Portable Place-Based Research Tools),並配合固定式感測器用來擷取人類的各種情境訊號,而發展了人類活動力分析的演算法。Stephen[2003]PlaceLab架構下,設計在一個普通造型的衣櫃中,建立了包含微處理機、光感測器、溫濕度感測器、濃煙感測器、紅外線感測器、二氧化碳感測器、喇叭、麥克風、影像擷取等眾多感測器,如圖3所示,衣櫃外觀及監測資訊畫面如圖4所示。

3. 衣櫃中的感測器[http://architecture.mit.edu/house_n/]

4. 衣櫃外觀及監測畫面[http://architecture.mit.edu/house_n/]

2.     可攜式遠距健康監測系統架構

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,近年來有許多「遠距居家照護(Tele-homecare)」相關研究,希望結合資訊與通訊科技,使能在被照護者的家中便利、有效地提供個人健康管理與保健服務。在歐洲、北美、日本也已經有許多遠距居家照護系統已開始作商業運轉,國內也有許多相關研究計畫在進行中。大部分的系統都以慢性病患為對象,長期監測生理訊號並透過網際網路傳送至集中式資料庫(centralized database)儲存、管理,以作為醫療院所診斷之依據。然而這樣的系統架構規模龐大,系統核心是醫院及資訊服務供給者(ISP),所需基礎建設投資大而較缺乏商品化的彈性。此外這樣的架構在國內現行醫療體系、健保制度下似乎也較不可行。

因此,元智大學「老人福祉科技研究中心」提出「可攜式遠距健康監測系統(Portable Tele-Monitoring System, PTMS)」之架構(如圖5),以每一家庭(household)為健康監測資料傳送、儲存、與分析的基本單位,軟硬體設計均以模組化、可攜式(portable)為原則,僅需基本家庭網路環境(如ADSL),不需專用伺服器主機,便能依個人需求裝置於居家環境中。子女、照護者、乃至醫生都可以透過網際網路進入系統中,查詢健康監測資料。

本研究即在建構PTMS架構下之「可攜式遠距居家行為模式監測系統」,如圖5中紅色虛線所示,包含了行為感測器、無線數位感測訊號傳輸模組、分散式資料伺服器(Distributed Data Server, DDS)、遠端使用者VB程式、以及事件驅動警示訊息發送等5個子系統,能在居家環境下彈性安裝感測裝置,全天候記錄受測者的生理活動狀況,並進一步做行為模式判讀,藉以發現行為模式的改變,並能在緊急狀況時適時發送警示訊息。

5. 可攜式行為模式監測系統架構圖

3.     可攜式遠距居家行為模式監測系統功能

本研究發展之可攜式遠距居家行為模式監測系統包含5個主要子系統,功能需求分別敘述如下:

(1) 行為感測器

本研究在行為模式監測上均採用非侵入性(non-invasive)以及非察覺式(non-conscious)監測方式,完全不改變使用者之居住環境與生活作息,亦無需額外的操作或啟動程序,自然地量測到受測者的活動訊號。主要感測項目包含人員位置、電器使用、門窗開關、燈光開關等,使用感測器將選擇如人體遠紅外線感測器、壓力感測器、霍爾電流感測器、磁簧開關、光感測器等市售感測器,感測訊號均為數位訊號,並儘量以不需外接電源為主。

(2) 無線數位感測訊號傳輸模組

本系統中感測訊號透過無線傳輸模組以無線射頻(Radio Frequency)方式傳送至DDS處理後儲存。無線傳輸模組採用市售TG-11無線電收發模組及編碼IC,配合單晶片控制,希望在單一頻率下傳輸多組感測器訊號,而每一感測器均有特定ID。無線數位感測訊號傳輸模組要求在居家有牆壁、家具遮蔽的環境中,仍有15公尺以上的傳輸距離,同時電池電力可維持半年以上。

(3) 分散式資料伺服器

可攜式遠距居家行為模式監測系統的核心是一個以微控制器搭配網路晶片架構,直接連結網際網路環境的「分散式資料伺服器(Distributed Data Server, DDS)」,有體積小、成本低、不易中毒、資料安全性高的優點,十分適合本研究可攜式系統需求。如圖5中紅色箭頭所示,DDS中所儲存單一家庭、經過初步處理之行為模式監測資料,被動地接受子女、照護者、或其他經授權人員的資料索取要求,經由網際網路讀取資料。

(4) 遠端使用者VB程式

子女、照護者、或其他經授權人員client端電腦使用客製化的VB程式,經由網際網路來讀取DDS上儲存的監測資料,行為模式判讀的演算法也寫在VB程式中,對監測資料作進一步處理、分析、與資料呈現。

(5) 事件驅動警示訊息發送

除了被動地接收監測資料及接受讀取資料外,DDS也有由事件驅動(Event Driven)主動傳送訊息的功能(如圖5中紫色箭頭)。當感測訊號發生事先設定之異常狀況,或DDS長期監測資料顯示異常模式(如長時間沒有動作發生),甚至被照護者在意外發生時主動按鍵傳呼,系統會以電子郵件或行動電話簡訊,發送特定對應訊息給指定電子郵件住址或手機電話號碼,達到及時預警的效果。

參考資料

Bhattacharya, S.S., 2002, “Intelligent monitoring systems: smart room for patient's suffering from somnambulism”, Microtechnologies in Medicine & Biology 2nd Annual International IEEE-EMB Special Topic Conference, Page(s): 326 –331, 2-4 May 2002.

Celler, B.G., Earnshaw, W., Ilsar, E.D., Betbeder-Matibet, L., Harris, M.F., Clark, R.,Hesketh, T., Lowell, N.H., 1995. “Remote monitoring of health status of the elderly athome. A multidisciplinary project on aging at the University of New South Wales,”International Journal of Biomedical Computing, v 40, p 147-155.

Kenneth, B., Daniel, B., Mark, L., 2000. “Clinical Investigation – Nursing Assistants Detect Behavior Changes in Nursing Home Residents That Precede Acute Illness: Development and Validation of an Illness Warning Instrument,” Journal of the American Geriatrics Society, v 48, n 9, p 1086-1091. no.5. 85-97.

Ogawa, M.; Suzuki, R.; Otake, S.; Izutsu, T.; Iwaya, T.; Togawa, T., 2002, “Long term remote behavioral monitoring of elderly by using sensors installed in ordinary houses”, Microtechnologies in Medicine & Biology 2nd Annual International IEEE-EMB Special Topic Conference, 2-4 May 2002 , Page(s): 322 –325

Stephen. S. Intille, K. Larson, and E. M. Tapia, "Designing and evaluating technology for independent aging in the home," in Proceedings of the International Conference on Aging, Disability and Independence, 2003.

Suzanne, M.D., Robert, B., 1997. “Do behavior changes herald physical illness in adults with mental retardation?” Community Mental Health Journal, v 33, Iss. 2, p85-97.