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作者:徐業良(2005-07-13);推薦:徐業良(2005-07-19)
附註:本文發表於國科會工程技術發展處出版,第八十四期「工程科技通訊」。

建立高齡者生活品質之智慧型維護系統

一、摘要

「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。本計畫建立了一套「可攜式遠距健康監測系統(Portable Tele- Monitoring System, PTMS)」之架構,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,軟硬體設計均以可攜式(portable)為原則,僅需基本家庭網路環境(如ADSL),便能依個人需求彈性、客製化裝置於居家環境中。產品定位類似體重計,使用者能在居家環境下自行長期檢測,但除了使用者本身外,更以能夠便利、適時提供照護者健康監測資料為主要目的,所監測資訊並能夠進一步整合智慧屋(smart house)之應用。

二、計畫說明

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。

以高齡者為例,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。從一些日常行為模式的監測,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,這也是本計畫提出建置「建立高齡者生活品質之智慧型維護系統」之動機。

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。

1. 本研究發展之PTMS架構圖

因此本研究提出「可攜式遠距健康監測系統(Portable Tele-Monitoring System, PTMS)」之架構(如圖1),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。在此架構下搭配不同感測器,即能建立不同的健康監測項目。

三、健康監測項目

DDS能夠接收各感測器傳送過來的健康監測資料(如圖1中綠色箭頭)。本研究目前發展的健康監測項目包括行為模式監測、睡眠品質監測、環境品質監測、與生理訊號監測四大類。

行為模式監測主要目的在於行為模式改變的判讀(behavior pattern recognition),相關研究研究顯示,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,日常行為模式改變可能代表了潛在疾病或生理機能退化的早期徵兆。行為模式監測所使用感測器種類很多,佈建範圍廣,因此感測訊號均以無線方式傳送至DDS,原始感測資料經DDS中軟體處理後儲存。圖2為本研究開發之DDS與無線感測器。

2. 本研究開發之DDS與無線感測器

睡眠品質監測則藉由打鼾、呼吸頻率、身體移動、和體溫等外在訊號,作「活動推論(activity inference)」,推論目前使用者清醒還是入睡,甚至深眠或淺眠,進而推導出臥床時間、睡眠潛伏期、睡眠效率、夜裡覺醒次數等睡眠品質指標,監測、評估使用者之睡眠品質。

本研究中環境品質監測項目包括溫度、濕度、二氧化碳、噪音、照度等項目,並據以推論出環境舒適度指標。PTMS中行為模式、睡眠品質、環境品質監測均為非侵入性(non-invasive)、非察覺式(non-conscious)監測,完全不改變使用者之居住環境與生活作息。

生理訊號監測則根據慢性病患生理需要,長期監測其生理訊號,目前本研究生理訊號監測發展項目為心電圖、血壓等心血管疾病患者所需長期監測之項目。睡眠品質監測、環境品質監測感測器位置較固定,生理訊號監測則是以監測站形式存在,因此PTMS中這些項目的感測訊號均以有線方式傳送至DDS,原始感測資料經DDS中軟體處理後儲存。

四、健康監測資料讀取

如圖1中紅色箭頭所示,DDS中所儲存單一家庭、經過初步處理之健康監測資料,被動地接受子女、照護者、醫生、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。PTMS中最基本的健康監測資料讀取方式,是經由客製化的VB程式讀取DDS上儲存的資料,在client端電腦上由VB程式作進一步處理、分析、與資料呈現。

經由客製化的VB程式讀取DDS上儲存的資料,缺點是client端電腦必須先安裝此VB程式,才能讀取資料。因此本研究將相關資料處理、分析、呈現、乃至於DDS本身權限管理、系統程式維護與更新所需之應用程式,建置於一Application Server,如此client端電腦便能利用IE瀏覽器經由Application Server讀取、分析、呈現DDS上儲存的健康監測資料。除了DDS上儲存的健康監測資料外,客製化的VB程式或IE瀏覽器也都能呈現感測器擷取的即時感測資料。

如果仍然有以集中式資料庫儲存、管理資料的需求(如醫院、安養中心、或社區),PTMS的架構仍有擴充彈性,如圖1,集中式資料庫可定時以批次方式逐一向各家庭之DDS索取資料儲存,client端電腦便能利用IE瀏覽器經由Application Server向集中式資料庫索取所需資料。

五、事件驅動訊息傳送與智慧屋應用

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1中藍色箭頭)。當感測訊號發生事先設定之異常狀況(如高溫),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,DDS即會以E-mail或手機簡訊,發送特定對應訊息給指定電子郵件住址或手機電話號碼。

此外PTMS還可以進一步連結其他“智慧屋”應用(Smart House Applications)DDS判讀感測器訊息,驅動家庭中空調、門窗、燈光、警鈴等開啟或關閉,使PTMS除了健康監測外,更有促進安全、舒適、便利生活的意義。此部分主要透過「遠端遙控照護機器人」來達成。圖3為本研究開發之遠端遙控照護機器人,基本上是一具行動式DDS,透過網際網路遠端遙控,能作雙向影音溝通,並整合智慧屋應用功能。

3. 本研究開發之遠端遙控照護機器人

六、結論與未來工作

本計畫提出了PTMS之可攜式遠距居家健康監測系統,並已開發完成所需系統工具,包括感測器、感測訊號傳輸及儲存架構、通訊架構及介面軟體等,及雛形系統之建置。

遠距居家照護研究技術層次並不複雜,最重要且最困難的地方,是作完整的系統整合,提出合理的應用情境(scenario)並經過實際測試,從而建構一證實可行的營運模式(business model),使研究成果真正能夠應用於人們的生活中,實際為高齡者服務。

因此本計畫成果已與許多單位及公司合作,目前正持續在各種不同應用情境中實際建置,測試系統的應用性,並在各個不同應用情境中開發各類演算法,以闡釋監測訊號,做出有效之判讀與回應,達成「智慧型維護系統」的期望,這也是此系統未來能夠逐漸成熟並達成商品化應用必須完成的工作。