李輝 福建醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院設(shè)備與醫(yī)用材料管理處 （福建 福州 350004）

內(nèi)容提要： 文章概念設(shè)計了一種家庭化的智能裝置，可以提醒老年人按時吃藥，并與其他親屬綁定。該裝置充分考慮受眾需求和人文關(guān)懷，為新時代的醫(yī)療保障提供了智能化的新型思路。

隨著我國人口老齡化趨勢，以及慢性疾病患者數(shù)量的增長，家庭用藥安全直接影響患者的治療效果。尤其是老年人，身體功能逐漸衰退，患病率大幅升高，往往需要長期用藥，而與此同時老年人的記憶力也日漸衰退，常常忘記按時服藥[1,2]。基于此，本裝置針對老年群體特點，結(jié)合老年群體需求，實現(xiàn)定時、定量提醒老人吃藥，并設(shè)置藥柜消毒、服藥記錄、未服藥通知、藥品過期通知等功能，并可多用戶同時使用，具有操作簡單、快捷實用、安全衛(wèi)生等特點[3,4]。

1.設(shè)計目標(biāo)

通過本裝置，達(dá)到提醒用戶按時、按量服藥的目標(biāo)，充分考慮老人和其他家人的需求。提示數(shù)字明顯易讀，提示音清晰明朗，操作簡單便捷，以人性化服務(wù)保障安全用藥，督促用戶正常作息。設(shè)計目標(biāo)見圖1。

圖1.家庭化智能安全用藥提醒裝置的設(shè)計構(gòu)思示意圖

2.報告概述

本報告對“家庭化智能安全用藥提醒裝置”（主要面向家中老人）的各項需求進(jìn)行了概念設(shè)計，提出了相應(yīng)的技術(shù)實現(xiàn)方法和手段，為進(jìn)一步的技術(shù)設(shè)計提供指導(dǎo)。

3.技術(shù)實現(xiàn)方案

3.1 針對定時提示的功能

裝置需要在特定時間進(jìn)行提醒，獲取時間的方法有3種：①利用單片機內(nèi)部晶振進(jìn)行定時。單片機內(nèi)部置有晶振，通過編寫程序，實現(xiàn)數(shù)字時鐘的功能。優(yōu)點：無需外部元件。缺點：需要通過鍵盤等手動設(shè)置時間，且單片機為單線執(zhí)行，計時過程占用單片機資源，在執(zhí)行其他較復(fù)雜功能時，計時可能出現(xiàn)偏差。②利用時鐘芯片獲取時間。集成的時鐘芯片能夠顯示出年、月、日、星期、時、分、秒7個基本時間單位。優(yōu)點：接口簡單、成本低、使用方便。缺點：屬于外部接入芯片，增加電路復(fù)雜度。③通過WiFi獲取網(wǎng)絡(luò)時間。通過WiFi模塊從NTP server獲取網(wǎng)絡(luò)時間。優(yōu)點：時間精準(zhǔn)，出現(xiàn)誤差的概率較小。缺點：需要網(wǎng)絡(luò)[5]。

綜合考慮，本項目采取時鐘芯片與WiFi模塊相結(jié)合的方法，以時鐘芯片進(jìn)行定時，每天在閑時（比如：深夜）通過WiFi模塊對時間進(jìn)行校準(zhǔn)，實現(xiàn)精準(zhǔn)定時。

3.2 針對定量提示的功能

本裝置需要對服藥的數(shù)量進(jìn)行提示，有以下3種方法：①語音提示。通過語音播報提示各種藥品的服藥數(shù)量。優(yōu)點：直接表述、易于理解。缺點：聽力不好的老人可能難以獲取信息；服藥種類多時，語音太長，難以在長時間內(nèi)保持注意力高度集中。②LCD顯示。在LCD上顯示各藥品的服藥數(shù)量。優(yōu)點：可反復(fù)閱讀，顯示清晰。缺點：成本高，閱讀時間長。③數(shù)碼管顯示。在各個隔間外部放置數(shù)碼管，顯示該隔間藥品需服的數(shù)量。優(yōu)點：成本低，顯示直觀，易于理解。缺點：需要多組數(shù)碼管實現(xiàn)各個隔間的提示[6]。

綜上分析，本裝置采取在各個隔間上放置數(shù)碼管顯示該隔間藥品應(yīng)服數(shù)量，以實現(xiàn)定量提醒用戶服藥的功能。

3.3 針對可提前取藥的功能

在外出時，需要提前取出藥品。解決方案：①App操作；②按鍵。給出指令后提醒下一次應(yīng)服藥的時間、各藥品的數(shù)量。本裝置結(jié)合以上2種方法，方便用戶操作。

3.4 針對提醒的功能以及音量大、提示清晰的性能

檢測到達(dá)特定時間后通過特定方式提醒用戶服藥，有以下方法：①蜂鳴器提醒。優(yōu)點：成本低。缺點：聲音單一尖銳，易引起反感。②揚聲器播放語音。優(yōu)點：可根據(jù)情境播放不同語音，具有多樣性；更加人性化。缺點：實現(xiàn)較為復(fù)雜。③LED提示燈。到達(dá)特定時間后，需要服藥的隔間LED提示燈更換顏色（例如：黃色），并同步閃爍，判斷已服藥后，LED停止閃爍，并更換顏色（例如：綠色）。優(yōu)點：視覺刺激，提示明顯。缺點：實現(xiàn)較為復(fù)雜。

綜上，本裝置采用揚聲器和LED相結(jié)合的方式，通過語音和提示燈提示用戶服藥[7]。

3.5 針對檢測是否服藥的功能

檢測到用戶已經(jīng)服藥后，停止語音提示，切換LED提示模式，并記錄服藥時間。有以下2種實現(xiàn)方案：①重量檢測。服藥后隔間的藥品重量降低，通過重量判斷是否服藥。優(yōu)點：準(zhǔn)確。缺點：不同藥品的單位重量不同，對每個隔間的壓力進(jìn)行實時監(jiān)控，算法復(fù)雜度高。②檢測隔間開合。當(dāng)隔間被拉開后合上則認(rèn)為，該藥品已被服用。優(yōu)點：原理簡單，算法簡單。缺點：拉開抽屜未必服用了藥物，存在操作性問題[8]。

具體的實現(xiàn)方法有如下幾種：光電傳感器檢測光強變化判斷隔間開合；壓力傳感器判斷隔間開合；通過紅外發(fā)射管以及紅外傳感器檢測抽屜開合。其中，光電傳感器的檢測原理最簡單，算法簡單，無需額外的光源，位置較為自由，但在無光條件下，將無法工作；而壓力傳感器算法較為復(fù)雜，容易誤判斷；紅外檢測原理復(fù)雜，算法復(fù)雜。

綜上，無光操作環(huán)境發(fā)生概率較低，本裝置采用光電傳感器實現(xiàn)用戶是否服藥的判斷。

3.6 針對藥柜消毒功能

非接觸式消毒目前有兩種方法，如下：①紫外消毒。紫外線消毒是通過抑制各種病原體、病菌、真菌的DNA復(fù)制，從內(nèi)部進(jìn)行破壞，從而讓有害物質(zhì)致死。優(yōu)點：無臭無味；缺點：穿透性差。②臭氧消毒。臭氧具有很強的氧化作用，通過氧化細(xì)菌內(nèi)部的酶，破壞其新陳代謝最終導(dǎo)致死亡。優(yōu)點：彌散整個空間，無死角，消毒能力強。缺點：會產(chǎn)生濃重的臭氧味道，裝置需要很高的密閉性。

綜上，本裝置采用紫外進(jìn)行消毒，針對其穿透性差的缺點，裝置內(nèi)的隔間后部可采用透明式或架空設(shè)計，使得紫外線對藥柜充分消毒。

3.7 針對裝置與手機客戶端的通訊設(shè)計

本裝置能夠通過手機App進(jìn)行設(shè)置，因而需要在手機端與硬件設(shè)備端進(jìn)行通訊，主要通訊手段有2種：①藍(lán)牙通訊。優(yōu)點：低成本，低功耗。缺點：通信距離短，通訊速度慢。②WiFi通訊。優(yōu)點：通訊距離長，速度快，連接WiFi后可通過服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊。缺點：成本高，功耗大，需要單獨網(wǎng)卡，需要路由器或接入點設(shè)備[9]。

綜上，為實現(xiàn)裝置與手機端（家人）的遠(yuǎn)程控制和通訊，本裝置采用WiFi模塊。

3.8 針對設(shè)定需服藥品、頻率/時間、服藥記錄查詢、未服藥提醒、藥品過期提醒等功能

通過軟件設(shè)計實現(xiàn)，設(shè)計面向Android用戶和IOS用戶的App。

3.9 針對提示字大、對比明顯、按鍵簡單舒適、指示清晰、外觀簡潔舒適、App操作簡單等性能，藥盒卡住的風(fēng)險

屬于工程設(shè)計問題，在產(chǎn)品外觀設(shè)計和軟件界面設(shè)計時充分考慮這些因素。

3.10 針對觸電、藥品受潮污染、紫外輻射的風(fēng)險

裝置采用絕緣、隔水性好、防輻射的材料進(jìn)行設(shè)計。

3.11 針對無衛(wèi)生死角的性能、用戶磕碰受傷的風(fēng)險

放置藥品的隔間和裝置外均采用圓角設(shè)計。

3.12 針對網(wǎng)絡(luò)連接穩(wěn)定的性能、喇叭、LED故障的風(fēng)險

采用質(zhì)量高的通訊模塊、揚聲器、LED，做好售后服務(wù)，可在App上一鍵報修。

3.13 針對網(wǎng)絡(luò)連接失敗的風(fēng)險

算法實現(xiàn)，無需另加芯片。設(shè)置單獨的信號燈提示網(wǎng)絡(luò)連接情況，并在App內(nèi)反饋提醒與藥盒的實時連接情況。

3.14 針對App與藥盒配對錯誤的風(fēng)險

增加自測功能，App和設(shè)備聯(lián)合測試并修正配對情況。例如：編寫程序，使得App端控制設(shè)備順序顯示隔間信號燈，以及隔間上的數(shù)碼管顯示特定數(shù)字，觀察App與設(shè)備配對是否正確。

3.15 針對法律法規(guī)

設(shè)計時嚴(yán)格按照法律法規(guī)執(zhí)行。

4.系統(tǒng)構(gòu)成及工作過程

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本裝置包括：由絕緣、防輻射、防水、食品級材料構(gòu)成的外殼和隔間，中央處理器（Central Processing Unit，CPU），時鐘芯片，WiFi，揚聲器，彩色LED燈，數(shù)碼管，光電傳感器，紫外殺菌燈管，“電源”鍵和“提前取藥”按鍵，電源，以及與裝置相對應(yīng)的Android和IOS的App等。原理框圖見圖2[10]。

圖2.家庭化智能安全用藥提醒裝置的原理框圖

4.2 系統(tǒng)工作過程

整個系統(tǒng)采用220V交流電源供電，以CPU為主體，基于WiFi無線傳輸功能，實現(xiàn)App終端設(shè)置，機體按鍵輔助操作，控制LED、揚聲器等器件，以實現(xiàn)提醒用戶按時定量服藥的功能，具體工作過程見圖3。

圖3.家庭化智能安全用藥提醒裝置的系統(tǒng)工作過程圖

5.系統(tǒng)操作

電源供電：220V交流供電。接通電源后，打開機體上電源鍵，機體上所有燈光閃爍兩次，代表啟動成功。

配對設(shè)置：家用WiFi與機體配對后（此操作只需要在初次使用時完成即可），打開手機客戶端App，設(shè)置不同置藥隔間的各項信息，包括：存放藥品名稱，生產(chǎn)日期和保質(zhì)期。建立服用人姓名或代號，確定該人所服藥品、服用時間以及服用數(shù)量。設(shè)置完成后，機體燈光將閃爍三次，以表示設(shè)置成功。

定時播報：系統(tǒng)時間到達(dá)設(shè)定的時間后，系統(tǒng)將調(diào)用語音包，提醒用戶（設(shè)定的名字或代號）服藥。與此同時，對應(yīng)隔間的LED燈開啟并閃爍，盒外數(shù)碼管顯示大字號的一個數(shù)字，代表服藥數(shù)量。服藥完成后，手動推回隔間，LED燈變換顏色（例如：綠色），當(dāng)所有隔間都服藥完成后LED燈熄滅[11]。

應(yīng)急機制：每次播報次數(shù)為3次，3次過后，若沒有完成服藥，將間隔5min再次提醒，若30min后依然沒有完成全部服藥，系統(tǒng)將發(fā)送信息于手機客戶端上，提醒家人查看。此外，若機體與網(wǎng)絡(luò)斷開連接，系統(tǒng)在保持最新設(shè)定的前提下，會發(fā)送信息于手機客戶端予以提醒。

用戶和家人的主要操作流程見圖4、圖5。

圖4.家庭化智能安全用藥提醒裝置的主要操作流程?管理用戶端/家人端?

圖5.家庭化智能安全用藥提醒裝置的主要操作流程?服藥用戶端/老人端?

其他情況：①多名用戶同時服藥：語音提示包含稱呼，裝置上顯示現(xiàn)在的用戶名稱。前1人服藥完成后，才進(jìn)行下一個人的提醒工作。在“提前取藥”模式下，需先選擇取藥的用戶；②用戶未服藥：0.5h內(nèi)未服藥則停止語音提醒，發(fā)相應(yīng)提示信息給綁定設(shè)備；③用戶要長時間出門：按“提前取藥”鍵即可語音提示服藥時間，顯示取藥量，并取消下一次提醒；④對藥柜消毒：按下“消毒”鍵，即可對藥柜進(jìn)行消毒；⑤家人查詢服藥記錄：在App內(nèi)查閱服藥時間、種類記錄[12]。

6.報告總結(jié)

本報告對“家庭化智能安全用藥提醒裝置”的功能、性能和風(fēng)險等因素提出了相應(yīng)的解決方案，建立了系統(tǒng)框架，明確了系統(tǒng)工作流程和操作步驟，為下一步的技術(shù)實現(xiàn)提供了指導(dǎo)。以面向家中老人的需求為例，給予了相關(guān)裝置設(shè)計上的人文關(guān)懷與科研思路。