根據社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統設計方案策略

1 引言

人口老齡化已成為當今世界的一個突出的社會問題。據聯合國統計，2002年，全世界的老齡人口（60歲及60歲以上）總數已達6.29億，占世界人口總數的10％，到2050年，將占總人口數的21％。中國是世界上老年人口最多的國家，2004年底，中國60歲及以上老年人口已達1.43億，占總人口的10.97%。到2050年，老齡化水平將推進到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，因疾病、傷殘、衰老而失去生活能力的老年人顯著增加，醫(yī)療保障面臨嚴峻挑戰(zhàn)[2]。

為了緩解人口老齡化帶來的醫(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)護人員及其家人的護理負擔，我們提出了一種基于視頻的集護理、遠程健康監(jiān)護及遠程診斷于一體的社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統，并對視頻遠程健康監(jiān)護及遠程診斷工作過程中的關鍵技術視頻編碼和數據網絡傳輸進行研究，從而推動社區(qū)遠程健康監(jiān)護系統的研究進展和推廣應用，緩解我國越來越嚴重的人口老齡化問題。

2 基于視頻的社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統

本文介紹的基于視頻的社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統以智能護理床及配套的生理參數監(jiān)護儀為家庭客戶端，實時檢測人體生理參數，視頻監(jiān)控被監(jiān)護對象的身體狀況，通過數據自動采集、實時分析監(jiān)護對象的健康狀況，若出現異常情況向醫(yī)療中心報警以獲得及時救助。系統能與現有醫(yī)院的醫(yī)療信息系統實現信息交互和共享，形成一個覆蓋城市區(qū)域的醫(yī)療、護理和疾病預控網絡。另外，系統可以實現醫(yī)生和被監(jiān)護對象之間的遠程視頻會話，讓患者在自己熟悉的家庭環(huán)境中進行得以診治，這不但減少了患者的心理壓力，提高了診斷的準確性，還有利于病情的恢復，同時，減輕了患者因長期住院所帶來的經濟負擔。除了老年人，系統的主要監(jiān)護對象還可以是殘疾人、術后恢復病人以及高發(fā)病人群等。

2.1 系統硬件構成

如圖1所示，社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統主要由家庭客戶端和社區(qū)遠程監(jiān)護中心組成。家庭客戶端與社區(qū)遠程監(jiān)護中心通過網絡連接。

圖1 基于視頻的社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統

家庭客戶端硬件設備由智能護理床、生理參數監(jiān)護儀、一臺個人微機、一個可變焦攝像頭、一個可控萬向云臺、一個視頻采集卡以及網絡接口設備組成。社區(qū)遠程監(jiān)護中心硬件設備主要由監(jiān)護服務器和網絡接口設備組成。

2.2 系統的功能

該遠程智能健康監(jiān)護系統主要包括對監(jiān)護對象的監(jiān)護、護理及遠程診斷三方面的功能。

（1）監(jiān)護功能：生理參數監(jiān)護儀長期連續(xù)地檢測出監(jiān)護對象的各項生理參數，并通過網絡將數據傳送至遠程監(jiān)護中心服務器，遠程中心服務器對數據進行實時處理和分析，識別出疾病的早期信號、異常情況和監(jiān)護對象健康狀況的變化。本系統可實現對心電、血壓、血氧、脈搏、呼吸、體溫六項生理參數的監(jiān)測。通過視頻，社區(qū)遠程監(jiān)護中心可以實時觀察監(jiān)護對象的身體狀況和精神狀態(tài)。

（2）護理功能：家庭客戶端所使用的智能護理床是華南理工大學機器人研究室研制的集監(jiān)測和護理于一體的智能護理床?？梢愿鶕I控或聲控指令，完成幫助監(jiān)護對象完成平躺、抬背、升降腿部、坐、翻身、排便等不同的體位變換，協助完成對監(jiān)護對象的部分護理工作。

（3）遠程診斷：系統采用了視頻監(jiān)護技術，在監(jiān)護對象準許的情況下，對監(jiān)護對象的身體狀況進行遠程觀察，實時了解監(jiān)護對象的身體狀況，并結合其他生理參數數據，做出遠程診斷。診斷過程中，醫(yī)生和病人可以進行遠程交互對話，大大提高了診斷效率和準確率。為了保護個人隱私權，家庭客戶端可以控制視頻監(jiān)護系統的開關。

3 遠程視頻監(jiān)護的關鍵技術

遠程視頻監(jiān)護的工作流程如圖2所示，首先由客戶端攝像頭來獲取視頻信號，然后對獲取的視頻信號進行有效的視頻編碼，編碼后的視頻通過網絡傳輸至社區(qū)遠程監(jiān)護中心服務器，中心服務器收到視頻數據后進行解碼，然后進行視頻顯示。此工作過程中的關鍵技術主要包括視頻編碼和視頻網絡傳輸。視頻技術應用于社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護中，可以實現醫(yī)生和病人之間的遠程交互診斷，通過視頻圖像的傳輸，醫(yī)生可以實時了解患者的病情狀況和精神狀態(tài)。但同時視頻圖像信息也給網絡帶來了大數據量的數據傳輸的問題，為保證系統監(jiān)護的實時性，減輕網絡傳輸的負擔，本文采用最新數字視頻編碼國際標準H.264/AVC對視頻圖像進行編碼，然后通過VC++編程實現了遠程監(jiān)護服務器與家庭客戶端視頻數據的傳輸，接受方對壓縮的視頻圖像進行解碼，然后在給定窗口上重現視頻圖像，從而實現社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統中視頻信息的實時傳輸。

圖2  遠程視頻監(jiān)護工作流程

3.1 基于H.264/AVC的視頻編碼

作為新一代國際視頻編碼標準。H.264/AVC具有編碼效率高、網絡適應性強等特點，不僅比H.263和MPEG-4節(jié)約了50％的碼率，而且對網絡傳輸具有更好的支持功能[3][4]。因此本文采用H.264/AVC對社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護中產生的視頻數據進行編碼。H.264/AVC在視頻實時通信領域首先得到了應用，如會議電視、可視電話等。它引入了面向IP包的編碼機制，有利于網絡中的分組傳輸，支持網絡中視頻的流媒體傳輸。H.264/AVC具有較強的抗誤碼特性，可適應丟包率高、干擾嚴重的無線信道中的視頻傳輸，從而獲得平穩(wěn)的圖像質量。而且，H.264/AVC的基本系統無需使用版權，具有開放的性質。

圖3 H.264/AVC編碼框架

H.264/AVC的編碼框架如圖3所示。與以前的標準一樣，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，利用空間或時間預測去除冗余信息，然后對預測殘差進行正交變換得到一系列變換系數。變換使殘差系數能量相對集中，再進行量化，按其所含的能量大小分配不同數據量來描述。最后用熵編碼進行二進制編碼，最大限度消除量化后數據的符號冗余度。解碼過程是編碼的逆過程，H.264/AVC的詳細內容可參考文獻[5]。

3.2 數據網絡傳輸的實現

家庭客戶端與社區(qū)遠程監(jiān)護中心的數據傳輸基于Windows Socket來實現。Windows Socket支持兩種類型的套接字，流式套節(jié)字和數據套接字。流式套接字因可靠性高而得到廣泛應用。本系統采用流式套接字，中心服務器端建立一個監(jiān)聽套接字和一個連接套接字列隊，家庭客戶端建立一個通信套接字，中心服務器端先進入監(jiān)聽狀態(tài)，當收到家庭客戶端發(fā)出的連接請求后，建立一個連接套接字進行通信，如有其他客戶端發(fā)來連接請求，則另建立一個連接套接字，加入到連接套接字列隊，從而實現中心服務器與多個客戶端的數據傳輸。監(jiān)護數據網絡傳輸的流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)護數據網絡傳輸流程圖

圖5 社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統的軟件運行界面

基于視頻的社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統的軟件運行界面如圖5所示，軟件通過Visual C++編程實現。界面可實時顯示用戶的各生理參數動態(tài)曲線及客戶端傳來的視頻信息，視頻窗口可根據需要放大、縮小及關閉。

4 結論

本文構建的基于視頻的社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統可以大大緩解由于人口老齡化所引起的醫(yī)療資源短缺問題，通過對在護理床上的老年人、殘疾人健康相關的生理參數進行實時檢測，社區(qū)監(jiān)護中心可以及時掌握監(jiān)控對象身體狀況的突變并通過視頻交互來進一步了解監(jiān)護對象的詳細情況，提出相應的醫(yī)護建議，同時建立起醫(yī)護對象的身體狀態(tài)數據庫，供醫(yī)療診斷時參考。對患者重要生理參數實施遠程監(jiān)護,不僅可以輔助醫(yī)療沒，還能在病情突發(fā)惡化時報警。隨著科技的進步，人口老齡化問題的加劇以及人民對醫(yī)療護理水平要求的不斷提高，社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統必將得到廣泛的應用。