魯衛(wèi)華

（中國電子工程設(shè)計院有限公司，北京 100142）

失智老人差異化的身體機(jī)能和精神行為癥狀，以及養(yǎng)老機(jī)構(gòu)中不夠友好和適老化的照護(hù)空間環(huán)境，是困擾養(yǎng)老機(jī)構(gòu)失智癥照護(hù)服務(wù)質(zhì)量和效率的關(guān)鍵問題，目前市場尚缺乏針對失智癥長者的集個性化照護(hù)與空間環(huán)境改善為一體的綜合性智能化照護(hù)服務(wù)系統(tǒng)。失智老人由于缺乏適合于自身的個性化照護(hù)服務(wù)或處于不安全、不適老、不友好的環(huán)境中而導(dǎo)致病程持續(xù)惡化、危險事件頻發(fā)，因此打造智能化、個性化、可視化的機(jī)構(gòu)失智長者照護(hù)服務(wù)與專業(yè)化的照護(hù)空間環(huán)境成為行業(yè)的研究趨勢。失智癥照護(hù)服務(wù)智能化輔助系統(tǒng)，采用基于多模態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)行為與體征數(shù)據(jù)采集技術(shù)，通過自主創(chuàng)新的人工智能算法，自動識別失智長者的異常精神行為癥狀，并結(jié)合體征信息給出個性化的照護(hù)風(fēng)險預(yù)判；自動分析照護(hù)空間環(huán)境使用情況。本系統(tǒng)通過智能化技術(shù)手段，有效提升了失智長者的生活品質(zhì)和養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的照護(hù)服務(wù)質(zhì)量，改善了養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的照護(hù)空間環(huán)境，為養(yǎng)老機(jī)構(gòu)提供了針對失智長者的綜合技術(shù)服務(wù)解決方案。

1 系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡稱IoT）是指通過各種信息傳感器、射頻識別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器和激光掃描器等裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采集其聲、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物和位置等各種需要的信息，通過各類可能的網(wǎng)絡(luò)接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯(lián)網(wǎng)是一個基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)等信息承載體，它讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對象形成互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)[1]。本系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集失智長者的位置信息、生理信息和長者所處的空間環(huán)境信息，采集的數(shù)據(jù)主要圍繞失智癥照護(hù)所關(guān)注的生理及環(huán)境信息進(jìn)行采集，其中，位置信息包括：實時位置、運(yùn)動速度和運(yùn)動加速度；生理信息包括：靜息心率、血壓、血糖、血氧、BMI、睡眠總時長、非快速眼動睡眠周期、快速眼動睡眠周期、睡眠呼吸暫停時間、睡眠中身體顫抖時間、上床時間和離床時間；長者所處空間環(huán)境信息包括：光照度、溫度、濕度、二氧化碳濃度、一氧化碳濃度、PM2.5濃度和甲醛濃度。

1.2 基于室內(nèi)定位的行為識別技術(shù)

室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)位置定位，主要采用無線通信、基站定位、慣導(dǎo)定位和動作捕捉等多種技術(shù)集成形成一套室內(nèi)位置定位體系，從而實現(xiàn)人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控[2]。隨著通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展與普及，室內(nèi)定位技術(shù)也得到了較為快速的發(fā)展。目前，常用的室內(nèi)定位技術(shù)有：紅外線、超聲波、射頻、藍(lán)牙、WIFI 和UWB 等[3]?？偟膩碚f，各定位技術(shù)都有自己的長處也有自己的不足，UWB 超寬帶定位性能最優(yōu)，但成本較高；WIFI 定位有著巨量的用戶數(shù)據(jù)源卻易受干擾；射頻定位擁有瞬時讀取雙向交互能力但傳輸距離較短等。表1 對以上幾種定位技術(shù)的優(yōu)劣點(diǎn)進(jìn)行了簡要的比較?；谏鲜黾夹g(shù)參數(shù)對比，在選擇定位技術(shù)類型時，主要參照定位精度、抗干擾能力、穿透力、功耗、傳輸距離、安全性、可靠性和成本進(jìn)行綜合評價，最終本系統(tǒng)選擇超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)（UWB）。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)對比分析 單位：m

本項目采用超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)，采集失智長者的軌跡數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣、軌跡平滑等預(yù)處理，然后進(jìn)行軌跡劃分與特征提取，構(gòu)造訓(xùn)練樣本集與測試樣本集。根據(jù)失智癥異常行為特點(diǎn)，利用LSTM 與1D-CNN 等模型算法構(gòu)建軌跡-行為分類模型，如圖1 所示?？捎行ёR別的失智癥異常行為包括：徘徊、夜間游走、駐留、進(jìn)入危險區(qū)域、聚集、跟隨和進(jìn)入他人房間，準(zhǔn)確率、精度及召回率均超過90%以上，可有效監(jiān)控、判別失智長者異常行為的發(fā)生，動態(tài)實時監(jiān)測病程進(jìn)展，為更好地制定照護(hù)方案提供了量化依據(jù)。

圖1 基于室內(nèi)定位技術(shù)的行為分析流程圖

1.3 基于多模態(tài)融合感知的照護(hù)空間環(huán)境使用分析技術(shù)

多模態(tài)融合也稱多源信息融合（Multi-source Information Fusion），或多傳感器融合（Multi-sensor Fusion）。多模態(tài)融合是指綜合來自兩個或多個模態(tài)的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的過程。多模態(tài)融合感知技術(shù)綜合利用不同傳感器獲取的信息，避免了單個傳感器的感知局限性和不確定性，形成了對環(huán)境或目標(biāo)更全面的感知和識別，提高了系統(tǒng)的外部感知能力，是未來智能感知及交互領(lǐng)域的重要研究方向。本系統(tǒng)通過位置傳感、生理信號傳感、光照度傳感、溫濕度傳感和有害氣體傳感等多模態(tài)的感知技術(shù)，依據(jù)失智長者在照護(hù)空間環(huán)境內(nèi)活動的安全性與失智核心癥狀的變化情況，智能化分析照護(hù)空間環(huán)境的使用及適用程度，為空間環(huán)境的改善與后續(xù)設(shè)計的提升提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐與客觀依據(jù)。

2 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

養(yǎng)老機(jī)構(gòu)失智癥照護(hù)服務(wù)智能化輔助系統(tǒng)以信息化、平臺化、智慧化為設(shè)計目標(biāo)，依據(jù)高開放、高復(fù)用、高可擴(kuò)展、高安全、高可管理和高可運(yùn)營的原則進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。系統(tǒng)由終端展示層、業(yè)務(wù)處理層、數(shù)據(jù)采集層、機(jī)構(gòu)網(wǎng)關(guān)層4 個層級構(gòu)成，每一層均可結(jié)合實際需求進(jìn)行裝配與擴(kuò)展。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

終端展示層支持WEB 端、智能手機(jī)、PAD 和智能一體機(jī)等不同的客戶端接入系統(tǒng)，包括但不限于基于JAVA/.NET/PHP/Python/Ruby 等開發(fā)語言研發(fā)的本地客戶端、Web 客戶端和移動客戶端等。業(yè)務(wù)處理層集成了公共平臺的主要業(yè)務(wù)，包括：基本信息管理、權(quán)限管理、長者監(jiān)護(hù)以及環(huán)境監(jiān)測。通過包的形式，對內(nèi)對外提供統(tǒng)一的服務(wù)，保證了平臺具有高開放性、高可用性和高擴(kuò)展性。每一個包均能夠通過迭代開發(fā)的模式，不斷完善相應(yīng)模塊的服務(wù)能力。數(shù)據(jù)采集層負(fù)責(zé)收集所有養(yǎng)老機(jī)構(gòu)網(wǎng)關(guān)上傳的數(shù)據(jù)，主要包括：體征數(shù)據(jù)信息、環(huán)境信息和睡眠數(shù)據(jù)信息等。解算服務(wù)層負(fù)責(zé)收集當(dāng)前當(dāng)前機(jī)構(gòu)中位置信息設(shè)備、體征數(shù)據(jù)設(shè)備、環(huán)境信息設(shè)備和睡眠數(shù)據(jù)設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)將實時數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

2.2 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

按照分層設(shè)計的原則，結(jié)合實際業(yè)務(wù)需求，本系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)設(shè)計如圖3 所示，包括接入層、交互層、應(yīng)用層、存儲層、采集層、解算層、設(shè)備層和通用層8 個不同層次，由這些層次協(xié)同工作，保證平臺能夠高效穩(wěn)定運(yùn)行。其中，接入層支持web、安卓、IOS 和Winform；交互層支持Restful API 接口和Web Socket 接口兩種協(xié)議；應(yīng)用層主要完成業(yè)務(wù)處理、權(quán)限管理、資源管理和數(shù)據(jù)分析引擎等核心業(yè)務(wù)；存儲層支持Redis、MySQL、文件系統(tǒng)FastDFS 和日志文件；采集層主要包括MQTT 服務(wù)器和卡夫卡隊列，其中卡夫卡隊列確保了數(shù)據(jù)可靠性；解算層設(shè)備支持多種設(shè)備的通信協(xié)議，通過MQTT 客戶端傳輸?shù)讲杉脚_，同時具備數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)同步功能；設(shè)備層包括位置信息設(shè)備、體征數(shù)據(jù)設(shè)備、環(huán)境信息設(shè)備和睡眠數(shù)據(jù)設(shè)備等；通用層包括前端組件、權(quán)限控制、日志記錄、數(shù)據(jù)字典和文件上傳。同時，各層的實現(xiàn)參照了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及安全保障體系。

圖3 技術(shù)架構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)的實現(xiàn)

依據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)架構(gòu)，前端開發(fā)通過Ant VUE、Hbuilder 進(jìn)行；后端開發(fā)主要涉及的技術(shù)包括：Spring、Spring boot、Spring security、Mybatis Plus、Redis、MySQL、Jwt、Apache common 和Guava 等工具類。采集端開發(fā)主要涉及的技術(shù)包括：MQTT、Kafka、Netty 和各種設(shè)備協(xié)議。系統(tǒng)中“歷史軌跡”功能界面如圖4 所示。系統(tǒng)目前已在北京市多家養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的失智照護(hù)單元示范應(yīng)用，通過智能化手段有效提高了失智照護(hù)服務(wù)的質(zhì)量和效率，改善了失智長者的生活質(zhì)量。

圖4 系統(tǒng)界面

3 結(jié)束語

當(dāng)前，隨著全球老齡化的加劇，失智癥的發(fā)病率不斷提高，如何照護(hù)好失智癥長者成為社會廣泛關(guān)注的問題。與此同時，智慧養(yǎng)老的技術(shù)也在不斷地成熟和演進(jìn)，如何利用智慧養(yǎng)老的相關(guān)技術(shù)更好地服務(wù)于失智照護(hù)也是一個值得研究的問題。本系統(tǒng)以提升失智長者的生活質(zhì)量、提高失智照護(hù)服務(wù)的質(zhì)量與效率為目標(biāo)，通過物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)，從活動監(jiān)測、生理指標(biāo)監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測等多個維度對長者進(jìn)行實時數(shù)據(jù)采集與智能化分析，長者的病程變化可通過量化的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能判斷，長者所處的空間環(huán)境風(fēng)險也實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與智能分析，本系統(tǒng)在失智癥智能化照護(hù)領(lǐng)域具有創(chuàng)新性。