社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1 引言

人口老齡化已成為當(dāng)今世界的一個(gè)突出的社會(huì)問(wèn)題。據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)，2002年，全世界的老齡人口（60歲及60歲以上）總數(shù)已達(dá)6.29億，占世界人口總數(shù)的10％，到2050年，將占總?cè)丝跀?shù)的21％。中國(guó)是世界上老年人口最多的國(guó)家，2004年底，中國(guó)60歲及以上老年人口已達(dá)1.43億，占總?cè)丝诘?0.97%。到2050年，老齡化水平將推進(jìn)到30%以上，其中，80歲及以上老年人口將占老年人口的21.78%[1]。隨著老年期的延長(zhǎng)，因疾病、傷殘、衰老而失去生活能力的老年人顯著增加，醫(yī)療保障面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2]。

為了緩解人口老齡化帶來(lái)的醫(yī)療壓力，使缺乏自理能力的老年人、殘疾人更好地融入家庭生活，減輕醫(yī)護(hù)人員及其家人的護(hù)理負(fù)擔(dān)，我們提出了一種基于視頻的集護(hù)理、遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)及遠(yuǎn)程診斷于一體的社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，并對(duì)視頻遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)及遠(yuǎn)程診斷工作過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)視頻編碼和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行研究，從而推動(dòng)社區(qū)遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的研究進(jìn)展和推廣應(yīng)用，緩解我國(guó)越來(lái)越嚴(yán)重的人口老齡化問(wèn)題。

2 基于視頻的社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

本文介紹的基于視頻的社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)以智能護(hù)理床及配套的生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀為家庭客戶端，實(shí)時(shí)檢測(cè)人體生理參數(shù)，視頻監(jiān)控被監(jiān)護(hù)對(duì)象的身體狀況，通過(guò)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)分析監(jiān)護(hù)對(duì)象的健康狀況，若出現(xiàn)異常情況向醫(yī)療中心報(bào)警以獲得及時(shí)救助。系統(tǒng)能與現(xiàn)有醫(yī)院的醫(yī)療信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交互和共享，形成一個(gè)覆蓋城市區(qū)域的醫(yī)療、護(hù)理和疾病預(yù)控網(wǎng)絡(luò)。另外，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生和被監(jiān)護(hù)對(duì)象之間的遠(yuǎn)程視頻會(huì)話，讓患者在自己熟悉的家庭環(huán)境中進(jìn)行得以診治，這不但減少了患者的心理壓力，提高了診斷的準(zhǔn)確性，還有利于病情的恢復(fù)，同時(shí)，減輕了患者因長(zhǎng)期住院所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。除了老年人，系統(tǒng)的主要監(jiān)護(hù)對(duì)象還可以是殘疾人、術(shù)后恢復(fù)病人以及高發(fā)病人群等。

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

如圖1所示，社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要由家庭客戶端和社區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心組成。家庭客戶端與社區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接。

圖1 基于視頻的社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

家庭客戶端硬件設(shè)備由智能護(hù)理床、生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀、一臺(tái)個(gè)人微機(jī)、一個(gè)可變焦攝像頭、一個(gè)可控萬(wàn)向云臺(tái)、一個(gè)視頻采集卡以及網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備組成。社區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心硬件設(shè)備主要由監(jiān)護(hù)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備組成。

2.2 系統(tǒng)的功能

該遠(yuǎn)程智能健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要包括對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象的監(jiān)護(hù)、護(hù)理及遠(yuǎn)程診斷三方面的功能。

（1）監(jiān)護(hù)功能：生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀長(zhǎng)期連續(xù)地檢測(cè)出監(jiān)護(hù)對(duì)象的各項(xiàng)生理參數(shù)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心服務(wù)器，遠(yuǎn)程中心服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，識(shí)別出疾病的早期信號(hào)、異常情況和監(jiān)護(hù)對(duì)象健康狀況的變化。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)心電、血壓、血氧、脈搏、呼吸、體溫六項(xiàng)生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)。通過(guò)視頻，社區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心可以實(shí)時(shí)觀察監(jiān)護(hù)對(duì)象的身體狀況和精神狀態(tài)。

（2）護(hù)理功能：家庭客戶端所使用的智能護(hù)理床是華南理工大學(xué)機(jī)器人研究室研制的集監(jiān)測(cè)和護(hù)理于一體的智能護(hù)理床?？梢愿鶕?jù)鍵控或聲控指令，完成幫助監(jiān)護(hù)對(duì)象完成平躺、抬背、升降腿部、坐、翻身、排便等不同的體位變換，協(xié)助完成對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象的部分護(hù)理工作。

（3）遠(yuǎn)程診斷：系統(tǒng)采用了視頻監(jiān)護(hù)技術(shù)，在監(jiān)護(hù)對(duì)象準(zhǔn)許的情況下，對(duì)監(jiān)護(hù)對(duì)象的身體狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程觀察，實(shí)時(shí)了解監(jiān)護(hù)對(duì)象的身體狀況，并結(jié)合其他生理參數(shù)數(shù)據(jù)，做出遠(yuǎn)程診斷。診斷過(guò)程中，醫(yī)生和病人可以進(jìn)行遠(yuǎn)程交互對(duì)話，大大提高了診斷效率和準(zhǔn)確率。為了保護(hù)個(gè)人隱私權(quán)，家庭客戶端可以控制視頻監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)。

3 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)護(hù)的工作流程如圖2所示，首先由客戶端攝像頭來(lái)獲取視頻信號(hào)，然后對(duì)獲取的視頻信號(hào)進(jìn)行有效的視頻編碼，編碼后的視頻通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至社區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心服務(wù)器，中心服務(wù)器收到視頻數(shù)據(jù)后進(jìn)行解碼，然后進(jìn)行視頻顯示。此工作過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括視頻編碼和視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸。視頻技術(shù)應(yīng)用于社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)中，可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生和病人之間的遠(yuǎn)程交互診斷，通過(guò)視頻圖像的傳輸，醫(yī)生可以實(shí)時(shí)了解患者的病情狀況和精神狀態(tài)。但同時(shí)視頻圖像信息也給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題，為保證系統(tǒng)監(jiān)護(hù)的實(shí)時(shí)性，減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，本文采用最新數(shù)字視頻編碼國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)H.264/AVC對(duì)視頻圖像進(jìn)行編碼，然后通過(guò)VC++編程實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)器與家庭客戶端視頻數(shù)據(jù)的傳輸，接受方對(duì)壓縮的視頻圖像進(jìn)行解碼，然后在給定窗口上重現(xiàn)視頻圖像，從而實(shí)現(xiàn)社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中視頻信息的實(shí)時(shí)傳輸。

圖2  遠(yuǎn)程視頻監(jiān)護(hù)工作流程

3.1 基于H.264/AVC的視頻編碼

作為新一代國(guó)際視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.264/AVC具有編碼效率高、網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，不僅比H.263和MPEG-4節(jié)約了50％的碼率，而且對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸具有更好的支持功能[3][4]。因此本文采用H.264/AVC對(duì)社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)中產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。H.264/AVC在視頻實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域首先得到了應(yīng)用，如會(huì)議電視、可視電話等。它引入了面向IP包的編碼機(jī)制，有利于網(wǎng)絡(luò)中的分組傳輸，支持網(wǎng)絡(luò)中視頻的流媒體傳輸。H.264/AVC具有較強(qiáng)的抗誤碼特性，可適應(yīng)丟包率高、干擾嚴(yán)重的無(wú)線信道中的視頻傳輸，從而獲得平穩(wěn)的圖像質(zhì)量。而且，H.264/AVC的基本系統(tǒng)無(wú)需使用版權(quán)，具有開(kāi)放的性質(zhì)。

圖3 H.264/AVC編碼框架

H.264/AVC的編碼框架如圖3所示。與以前的標(biāo)準(zhǔn)一樣，H.264/AVC仍然遵循基于塊的混合編碼框架。首先將輸入圖像分割成宏塊，利用空間或時(shí)間預(yù)測(cè)去除冗余信息，然后對(duì)預(yù)測(cè)殘差進(jìn)行正交變換得到一系列變換系數(shù)。變換使殘差系數(shù)能量相對(duì)集中，再進(jìn)行量化，按其所含的能量大小分配不同數(shù)據(jù)量來(lái)描述。最后用熵編碼進(jìn)行二進(jìn)制編碼，最大限度消除量化后數(shù)據(jù)的符號(hào)冗余度。解碼過(guò)程是編碼的逆過(guò)程，H.264/AVC的詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[5]。

3.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)

家庭客戶端與社區(qū)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中心的數(shù)據(jù)傳輸基于Windows Socket來(lái)實(shí)現(xiàn)。Windows Socket支持兩種類型的套接字，流式套節(jié)字和數(shù)據(jù)套接字。流式套接字因可靠性高而得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)采用流式套接字，中心服務(wù)器端建立一個(gè)監(jiān)聽(tīng)套接字和一個(gè)連接套接字列隊(duì)，家庭客戶端建立一個(gè)通信套接字，中心服務(wù)器端先進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，當(dāng)收到家庭客戶端發(fā)出的連接請(qǐng)求后，建立一個(gè)連接套接字進(jìn)行通信，如有其他客戶端發(fā)來(lái)連接請(qǐng)求，則另建立一個(gè)連接套接字，加入到連接套接字列隊(duì)，從而實(shí)現(xiàn)中心服務(wù)器與多個(gè)客戶端的數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D4所示。

圖4 監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸流程圖

圖5 社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件運(yùn)行界面

基于視頻的社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件運(yùn)行界面如圖5所示，軟件通過(guò)Visual C++編程實(shí)現(xiàn)。界面可實(shí)時(shí)顯示用戶的各生理參數(shù)動(dòng)態(tài)曲線及客戶端傳來(lái)的視頻信息，視頻窗口可根據(jù)需要放大、縮小及關(guān)閉。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建的基于視頻的社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以大大緩解由于人口老齡化所引起的醫(yī)療資源短缺問(wèn)題，通過(guò)對(duì)在護(hù)理床上的老年人、殘疾人健康相關(guān)的生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，社區(qū)監(jiān)護(hù)中心可以及時(shí)掌握監(jiān)控對(duì)象身體狀況的突變并通過(guò)視頻交互來(lái)進(jìn)一步了解監(jiān)護(hù)對(duì)象的詳細(xì)情況，提出相應(yīng)的醫(yī)護(hù)建議，同時(shí)建立起醫(yī)護(hù)對(duì)象的身體狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，供醫(yī)療診斷時(shí)參考。對(duì)患者重要生理參數(shù)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù),不僅可以輔助醫(yī)療沒(méi)，還能在病情突發(fā)惡化時(shí)報(bào)警。隨著科技的進(jìn)步，人口老齡化問(wèn)題的加劇以及人民對(duì)醫(yī)療護(hù)理水平要求的不斷提高，社區(qū)智能遠(yuǎn)程健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)必將得到廣泛的應(yīng)用。