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作者:徐業良、許銘修(2006-11-14);推薦:徐業良(2006-11-14)
附註:本文發表於機械月刊,第33卷,第12期,pp. 8-20200712月。

高齡者遠距居家健康照護監測系統之開發

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能提供長期、持續性的健康監測資料。「遠距居家照護(Tele-homecare)」研究便是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。元智大學老人福祉科技研究中心團隊,成功開發出以分散式資料伺服器為核心之「可攜式遠距健康監測系統(Portable Tele-homecare Monitoring System, PTMS)」,並運用於包括日常生活行為監測、睡眠品質監測、環境品質監測、與生理訊號監測等監測照護項目。本文中針對PTMS系統及其相關應用,以及運用PTMS可能之商業運轉模式作詳細說明。

1.     高齡化社會的問題與老人福祉科技

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,依據內政部統計資料顯示,民國94年底國內總人口數為22,770,383人,而年齡在65歲以上之人口數為2,216,804人,為總人口數之9.7%

人口結構的高齡化,在全世界都是普遍的問題,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。

高齡族群(aging boomers)的快速成長所伴隨的生活支援與健康照護的需求,已經無法單純由增加照護者人數來達成。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。”

元智大學經過兩年多的籌備,也在20031月正式成立了「老人福祉科技研究中心」,研究如何應用科技輔助高齡者醫療、照護、與生活輔助等各個層面的需求,目前主要研究重點在於遠距居家照護相關技術與系統的發展。

2.     遠距居家照護系統之基本架構與特徵

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能提供長期、持續性的健康監測資料,「遠距居家照護(Tele-homecare or home tele-health)」研究便是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、日本都有遠距居家照護系統成功進行商業運轉的案例,例如美國“Health Hero Network”所建構的遠距居家照護平台,使用者操作“Buddylink”生理訊號監測裝置,量測體重、體溫、血壓、血糖等生理訊號,經由網際網路傳送至Health Hero“iCare Desktop”作儲存與分析,遠端之健康照護專業人員藉由長期性的健康資料,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,使用者亦可透過手機PDA與個人電腦查詢健康資料,系統並提供正確的保健資訊,教育使用者正確的飲食與健康觀念。此外如日本的“Sukoyaka Family 21”計畫,使用者可利用NEC提供之終端量測設備量測血壓、心電圖等生理資料,透過網際網路傳送並儲存在「居家照護服務提供者(Health Welfare Center)」,便於掌握使用者的健康狀況,使用者自己也可以下載健康資訊作為參考。其他如歐盟五國共同推動的「行動式健康照護(Mobil Health)」計畫、日本松下“Panasonic Tele-homecare system”,也都採用類似的架構,針對高齡者或慢性病患,在居家環境中提供生理訊號的監測。

1是一個典型的遠距居家照護系統示意圖,使用者在家中量測體溫、血壓等生理訊號,經過電話線、有線電視、或網際網路傳送到「居家照護服務提供者(home healthcare provider)」的資料庫儲存,並作進一步的資料管理與分析。如發現生理訊號有異常,居家照護服務提供者可轉介使用者至醫療單位作進一步診治,醫療單位也可讀取居家照護服務提供者的長期監測資料作為診斷參考。

1. 典型的遠距居家照護系統示意圖

綜合上述,此一類型遠距居家照護系統架構有如下特徵:

(1)   採用集中式資料庫(centralized database)架構,以一大型資料伺服器接收、儲存所有使用者的健康監測資料,並做進一步管理與分析。

(2)   在此架構下,居家照護服務提供者搭配醫療院所扮演遠距居家照護系統最重要角色。

(3)   此架構下之遠距居家照護系統為服務導向(service oriented)而非產品導向(product oriented),使用者必須向居家照護服務提供者訂購遠距居家照護服務,而非購買遠距居家健康監測所需之硬體產品。

遠距居家照護所需的生理訊號量測裝置,如體重、體溫、血壓、血糖等,都有成熟的商品可直接利用,因此大部分技術面的研究重點在於利用各種通訊技術,建立量測裝置到集中式資料庫之間的通訊閘(gateway)。這類技術也並不困難,然而如圖1的架構中監測資料產生的地方(居家環境中的感測器)到監測資料儲存的地方(集中式資料庫)路徑很長,過程之中可能產生不穩定或出錯的地方非常多,可靠度反而是重要考量,集中式資料庫內儲存健康資料的完整性(data integrity)不易維持。此外在使用者端的設計上,如何讓高齡者以最簡易的操作介面、操作方式,甚至是非察覺性的方式,完成量測及資料傳輸的動作,也是技術開發上的重要挑戰。

國內在2003年曾有「亞太健康遠距科技股份有限公司(Asia Pacific Telehealth Technologies)」引進加拿大“MEDCAN Health Management Inc.”FDA認證之居家生理訊號量測設備,試圖建立商業化之遠距居家照護模式。圖2為當年自該公司網站下載之整體架構圖,基本上與圖1描述之典型的遠距居家照護系統架構完全相同。亞太健康遠距科技股份有限公司仍是目前作者所知國內唯一作正式商業運轉的遠距居家照護案例,然而這個系統似乎並未獲得國內使用者接受,運作並不成功,目前已沒有繼續經營。

2. 國內亞太健康遠距科技建立之商業化遠距居家照護系統架構

儘管相關的生理訊號量測裝置、通訊技術已經相當成熟,國內在遠距居家照護方面也有非常多的研究計畫及測試計畫在進行中,然而至今卻仍然沒有成功的商業運轉案例。究其原因,前述集中式資料庫架構的遠距居家照護系統規模龐大,不同產業之間整合上十分複雜,系統建置不易。建置這類系統所需基礎建設投資較大,成本往往較高,例如前述國內亞太健康遠距科技建立之商業化遠距居家照護系統,每月服務收費新台幣4999元,日本相關系統自費的服務費用每月也需2萬元日幣,自行購買終端設備更約需30萬日幣,加上健保並不給付遠距居家照護相關費用,不易為消費者接受。

此外從隱私面來看,居家照護服務提供者是否能取得消費者信任,願意將居家健康監測資料長期傳送至居家照護服務提供者,也是一個需要考慮的問題;從消費者的心理層面來說,在目前健保制度下,前往醫院看診相對來說仍然比較便宜,額外花錢訂購遠距居家照護服務的消費模式是否能被國內消費者所接受,也需要進一步探討。

遠距居家照護的必要性與優勢早已無庸置疑,而遠距居家照護的研究在技術層面開發的同時,應作「如何建立一個可行的商業運轉模式(workable business model)」、更整體性的思考,包括資訊流和服務流的設計,成本如何分攤、利潤如何產生等等。

3.     可攜式遠距居家健康監測系統架構

元智大學老人福祉科技研究中心在國科會整合型計畫支助下,發展出了「可攜式遠距健康監測系統(Portable Tele-Monitoring System, PTMS)」(如圖3),試圖為遠距居家照護提出一個創新的系統架構。

PTMS基本上採用分散式資料儲存的架構,是一個小型化(scale down)、低成本的遠距居家健康監測系統。系統「可攜式(portable)」的概念不僅只於硬體設計的可攜,整體架構與軟體的設計都以可攜式為原則,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。PTMS系統產品定位在讓使用者能在居家環境下自行作健康資料長期監測,並能夠便利、適時提供照護者健康監測資料,而不以提供醫師診斷依據為主要目的。

如圖3所示,PTMS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,感測器擷取的健康監測訊號經過運算處理後,以「分散式資料伺服器(Distributed Data Server, DDS)」在每一個家庭中分散儲存。後端資料的分析與管理和前述採用集中式資料庫之遠距居家照護系統十分相似,子女或照護者可以透過應用程式或網路瀏覽器讀取DDS中儲存的歷史資料,DDS察覺到有異常訊號時,也可以設定透過手機簡訊或網際網路email主動發訊。如果仍有以集中式資料庫儲存、管理資料的需求時,可以將DDS設定主動將量測資料上傳,或由集中式資料庫定時以批次方式讀取DDS內儲存資料。

3. 元智大學老人福祉科技研究中心發展之PTMS架構圖

PTMS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DDSDDS為一具有獨立IPweb server,有接收感測訊號、運算處理、資料儲存、網路通訊等功能,已不僅是資料記錄器(data logger)或網路通詢閘道。與一般個人電腦相較,DDS運算資源比較有限,然而有體積小、成本低、不易中毒、資料安全性高、可長期運作不需維護等優點。DDS硬體外觀如圖4所示,實驗室原型外型尺寸137mm×85mm×21mm,材料成本約2,000元。

4. 分散式資料伺服器硬體外觀

與圖1之典型的遠距居家照護系統架構相較,PTMS架構有以下不同的特徵:

(1)       PTMS是一個產品導向、個人化的系統,使用者可以很便利地在居家環境中依其需要自行裝置、使用此系統,不必然要向居家照護服務提供者訂購相關服務。

(2)       健康監測資料僅被儲存在家庭中的DDS而並沒有外流,經過授權的照護者才可以讀取資料,使用者的隱私有更好的保障。

(3)       從技術面來看,PTMS架構中從產生資料的感測器到儲存資料的伺服器之間路徑很短,且都在居家環境之中,資料傳輸的過程可有比較好的掌控,可靠度較高,監測資料完整性也較有保障。

4.     PTMS相關應用及專利佈局

PTMS的技術軸線上,更換不同的感測器和DDS中不同的演算法,便可以創造各種不同的應用。元智大學老人福祉科技研究中心從高齡者遠距居家照護的需求出發,以鑲嵌在居家環境中「無所不在的運算(ubiquitous computing)」的概念思考,開發了一系列的應用。圖5是元智大學老人福祉科技研究中心發展PTMS相關應用的專利佈局,核心專利是單晶片網路伺服器、分散式資料伺服器相關技術及方法,周邊相關應用說明如下。

5. 元智大學老人福祉科技研究中心發展PTMS相關應用的專利佈局

(1)   環境監測

連接溫濕度感測器,PTMS便可成為環境監測系統,這也是PTMS最典型、最基本的應用。除了居家環境的監測外,這套環境監測系統也可以應用在博物館、圖書館、展覽館等之環境監測。圖6所示本中心與故宮博物館合作開發之環境監測系統的監測畫面,畫面左方為即時監測訊息,可以同時監看4DDS上的環境資訊。使用者也可以點選畫面上方日曆以下載歷史資料、進行資料分析,如計算平均溫度、繪出趨勢線等。

6. 本中心與故宮博物館合作開發之環境監測系統之監測畫面

(2)   日常生活活動(Activities of Daily Living, ADL)監測

ADL是指像是睡覺、洗澡、吃飯、穿衣等,每個獨立生活的個人都要執行的日常生活基本活動。PTMS架構下的ADL監測系統,目的是藉由長期監測判別日常生活活動模式的改變,希望藉以察覺高齡者從健康獨立的狀態到生病、依賴狀態的微妙變化,從而提醒照護者作必要、即時的處置。

在這個系統中,各種特殊設計的感測器相嵌在居家環境中,以非察覺性的方式監測高齡者吃飯、洗澡、上廁所、臥床、和看電視等等活動,感測訊號以無線的方式傳送至DDS。除了固定裝置在居家環境中的感測器外,本系統也包含一個隨身攜帶式的感測器,內含一三軸加速規,可以察覺使用者姿態的變化,例如走路、坐、站等。照護者可以用類似圖6的監測介面讀取即時感測器訊號、下載歷史資料、進行各種分析、或設定事件驅動緊急訊息(當某些感測器被啟動時傳送手機簡訊或email)。

(3)   結合RFID之開放式門禁

PTMS為基之開放式門禁系統整合了無線射頻辨識系統(Radio Frequency Identification, RFID)的讀取器和光電感測器,當一位配戴RFID標籤的使用者穿越此門禁系統時,RFID讀取器讀取此標籤,辨識其ID,將此ID傳送至DDS。和光電感測器傳來的訊號作綜合判斷,DDS可以判別配戴RFID標籤的使用者是進入還是離去。這個事件便會被記錄在DDS中,如果一個特定事件被察覺(例如一個特定的使用者穿越此門禁系統)時,也可設定傳送email或手機訊息至特定照護者或管理者。這個系統可以被用在居家高齡者ADL監測,也可應用在養護之家,醫院或幼稚園。

(4)   睡眠品質監測

很大比例的高齡者有睡眠問題,PTMS為基的睡眠品質監測系統以特殊設計的感測器偵測使用者的外在行為,如體溫、身體活動、呼吸頻率、打呼等,傳送至DDS中,DDS中的演算法便可以判別睡眠品質相關指標,如臥床時間、睡眠時間、睡眠潛伏期、夜間覺醒次數等,來評估其睡眠品質。這些感測器監測使用者睡眠時的外在行為而非生理訊號(如腦波),且都以無束縛、非察覺性的方式進行感測,可以在居家環境中進行長期睡眠品質監測。

(5)   生理訊號監測

市售生理訊號監測設備如血壓計、血糖計也可與DDS整合,以作生理訊號監測。如圖7所示,市售血壓計、血糖計等可直接透過RS232介面將量測資料傳輸並儲存在DDS上,子女或照護者可以透過手機、PDA個人電腦等各種介面直接從DDS中讀取量測資料,或接收警示訊息等。對於比較複雜的資料管理需求,本研究中也建置了一個應用伺服器(application server),使用者可以透過應用伺服器讀取DDS中的資料,並作更複雜的分析與處理。

7. PTMS為基之生理訊號監測系統架構

(6)   遠端臨場機器人

大多數已開發國家正面對人口老化的問題,高齡者生理及心理健康照護,是相當急迫的課題。特別是許多高齡者傾向在宅老化,更需要發展方法和工具使高齡者能以合理的成本安全地住在家裡,許多希望幫助老人進行日常生活活動、改善其生活品質的服務型機器人應運而生。

如圖8所示,本研究中也以DDS為核心,以“mobile DDS”的概念開發了一個遠端臨場機器人TRIC(Telepresence Robot for Interpersonal Communication)。子女或照護者可以透過網際網路和進端的無線區域網路,登入TRICDDS,從遠端傳送指令,控制機器人行走等動作,同時透過網路攝影機的影音傳輸,使子女和照護者能在居家環境下與高齡者進行遠距互動溝通。「遠端臨場」技術是結合虛擬實境、人機介面、通訊技術與機械人的新興研究領域,運用遠端臨場機器人進行遠距溝通,複製了人們三度空間真實面對面接觸的經驗,兩端的人有同處同一空間的真實感,是一個截然不同的遠距溝通方式。

TRIC被定位成一個低價位、輕型機器人,能像家電產品一般很容易在家中使用,期待TRIC可以成為子女或照護者與高齡者遠距互動溝通、表達關切的方便工具,也是一個遠距居家照護的工具。

8 遠端臨場機器人TRIC

5.     PTMS可能之商業運轉模式

PTMS分散式的資料儲存架構,以及個人化、產品導向的特性,使其有可能發展出與典型遠距居家照護系統完全不同的商業運轉模式(business model)。如圖9是一個最小可能的模式,PTMS的製造商直接供貨給零售商販售,高齡者的家人或照護者向零售商購買PTMS系統,並且可以很便利地在居家環境中依其需要自行裝置後,高齡者健康監測資訊流經由PTMS提供給家人或照護者,家人或照護者也依其需要提供服務留給高齡者,而不必然要向居家照護服務提供者訂購相關服務。

許多研究者認為遠距居家照護必須與醫療服務結合,如圖10是一個PTMS與醫療服務結合的可能模式。製造商可透過醫師將PTMS提供給經診斷與處方有需求的高齡者(例如醫師要求高齡者必須每天測量血壓)。此時高齡者健康監測資訊流經由PTMS同時提供給家人或照護者以及醫師,除了家人和照護者提供的服務外,醫師也可視需要適時提供醫療服務,居家照護服務提供者也可能扮演整合角色。

9. 個人化模式

10. 與醫療服務結合模式

我國人口高齡化現象十分明顯,高齡者照護需求日趨沈重,遠距居家照護技術的研究非常多,但仍始終沒有一個能迅速產品化、成本低廉、能普遍應用的系統可以使用。本研究技術發展與產品開發的成果外,更重要的意義是為遠距居家照護系統提供一項可攜式、個人化、小型化的創新營運模式,能夠更普遍提供安養院、獨居老人、乃至於一般家庭高齡者照護工具,減輕高齡者照護沈重的人力需求,進而開創全新的民生電子用品產業,對相關產業的提升也有莫大助益。