社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計方案

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(jù)聯(lián)合國統(tǒng)計，2002年，全世界的老齡人口（60歲及60歲以上）總數(shù)已達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?cè)丝诘?0.97%。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(tǒng)，并對視頻遠程健康監(jiān)護及遠程診斷工作過程中的關(guān)鍵技術(shù)視頻編碼和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸進行研究，從而推動社區(qū)遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)的研究進展和推廣應(yīng)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(tǒng)

本文介紹的基于視頻的社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)以智能護理床及配套的生理參數(shù)監(jiān)護儀為家庭客戶端，實時檢測人體生理參數(shù)，視頻監(jiān)控被監(jiān)護對象的身體狀況，通過數(shù)據(jù)自動采集、實時分析監(jiān)護對象的健康狀況，若出現(xiàn)異常情況向醫(yī)療中心報警以獲得及時救助。系統(tǒng)能與現(xiàn)有醫(yī)院的醫(yī)療信息系統(tǒng)實現(xiàn)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(yù)控網(wǎng)絡(luò)。另外，系統(tǒng)可以實現(xiàn)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(fù)，同時，減輕了患者因長期住院所帶來的經(jīng)濟負擔。除了老年人，系統(tǒng)的主要監(jiān)護對象還可以是殘疾人、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)智能遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)連接。

圖1 基于視頻的社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)

家庭客戶端硬件設(shè)備由智能護理床、生理參數(shù)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(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備組成。社區(qū)遠程監(jiān)護中心硬件設(shè)備主要由監(jiān)護服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備組成。

2.2 系統(tǒng)的功能

該遠程智能健康監(jiān)護系統(tǒng)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(shù)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(shù)，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至遠程監(jiān)護中心服務(wù)器，遠程中心服務(wù)器對數(shù)據(jù)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(tǒng)可實現(xiàn)對心電、血壓、血氧、脈搏、呼吸、體溫六項生理參數(shù)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(xué)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?jù)鍵控或聲控指令，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(xié)助完成對監(jiān)護對象的部分護理工作。

（3）遠程診斷：系統(tǒng)采用了視頻監(jiān)護技術(shù)，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(jié)合其他生理參數(shù)數(shù)據(jù)，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(quán)，家庭客戶端可以控制視頻監(jiān)護系統(tǒng)的開關(guān)。

3 遠程視頻監(jiān)護的關(guān)鍵技術(shù)

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(wǎng)絡(luò)傳輸至社區(qū)遠程監(jiān)護中心服務(wù)器，中心服務(wù)器收到視頻數(shù)據(jù)后進行解碼，然后進行視頻顯示。此工作過程中的關(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)智能遠程健康監(jiān)護中，可以實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)帶來了大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，為保證系統(tǒng)監(jiān)護的實時性，減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢摀?，本文采用最新?shù)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(xiàn)了遠程監(jiān)護服務(wù)器與家庭客戶端視頻數(shù)據(jù)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(xiàn)視頻圖像，從而實現(xiàn)社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)適應(yīng)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(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對社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護中產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)進行編碼。H.264/AVC在視頻實時通信領(lǐng)域首先得到了應(yīng)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(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具有較強的抗誤碼特性，可適應(yīng)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(zhì)量。而且，H.264/AVC的基本系統(tǒng)無需使用版權(quán)，具有開放的性質(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(yù)測去除冗余信息，然后對預(yù)測殘差進行正交變換得到一系列變換系數(shù)。變換使殘差系數(shù)能量相對集中，再進行量化，按其所含的能量大小分配不同數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的符號冗余度。解碼過程是編碼的逆過程，H.264/AVC的詳細內(nèi)容可參考文獻[5]。

3.2 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

家庭客戶端與社區(qū)遠程監(jiān)護中心的數(shù)據(jù)傳輸基于Windows Socket來實現(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(wù)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(xiàn)中心服務(wù)器與多個客戶端的數(shù)據(jù)傳輸。監(jiān)護數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D4所示。

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

圖5 社區(qū)智能遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)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(tǒng)的軟件運行界面如圖5所示，軟件通過Visual C++編程實現(xiàn)。界面可實時顯示用戶的各生理參數(shù)動態(tài)曲線及客戶端傳來的視頻信息，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)智能遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)可以大大緩解由于人口老齡化所引起的醫(yī)療資源短缺問題，通過對在護理床上的老年人、殘疾人健康相關(guān)的生理參數(shù)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(yīng)的醫(yī)護建議，同時建立起醫(yī)護對象的身體狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，供醫(yī)療診斷時參考。對患者重要生理參數(shù)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(tǒng)必將得到廣泛的應(yīng)用。