社區智能遠程健康監護系統設計方案

1 引言

人口老齡化已成為當今世界的一個(gè)突出的社會(huì )問(wèn)題。據聯(lián)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(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(zhù)老年期的延長(cháng)，因疾病、傷殘、衰老而失去生活能力的老年人顯著(zhù)增加，醫療保障面臨嚴峻挑戰[2]。

為了緩解人口老齡化帶來(lái)的醫療壓力，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、遠程健康監護及遠程診斷于一體的社區智能遠程健康監護系統，并對視頻遠程健康監護及遠程診斷工作過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)視頻編碼和數據網(wǎng)絡(luò )傳輸進(jìn)行研究，從而推動(dòng)社區遠程健康監護系統的研究進(jìn)展和推廣應用，緩解我國越來(lái)越嚴重的人口老齡化問(wèn)題。

2 基于視頻的社區智能遠程健康監護系統

本文介紹的基于視頻的社區智能遠程健康監護系統以智能護理床及配套的生理參數監護儀為家庭客戶(hù)端，實(shí)時(shí)檢測人體生理參數，視頻監控被監護對象的身體狀況，通過(guò)數據自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)分析監護對象的健康狀況，若出現異常情況向醫療中心報警以獲得及時(shí)救助。系統能與現有醫院的醫療信息系統實(shí)現信息交互和共享，形成一個(gè)覆蓋城市區域的醫療、護理和疾病預控網(wǎng)絡(luò )。另外，系統可以實(shí)現醫生和被監護對象之間的遠程視頻會(huì )話(huà)，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，提高了診斷的準確性，還有利于病情的恢復，同時(shí)，減輕了患者因長(cháng)期住院所帶來(lái)的經(jīng)濟負擔。除了老年人，系統的主要監護對象還可以是殘疾人、術(shù)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，社區智能遠程健康監護系統主要由家庭客戶(hù)端和社區遠程監護中心組成。家庭客戶(hù)端與社區遠程監護中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接。

圖1 基于視頻的社區智能遠程健康監護系統

家庭客戶(hù)端硬件設備由智能護理床、生理參數監護儀、一臺個(gè)人微機、一個(gè)可變焦攝像頭、一個(gè)可控萬(wàn)向云臺、一個(gè)視頻采集卡以及網(wǎng)絡(luò )接口設備組成。社區遠程監護中心硬件設備主要由監護服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )接口設備組成。

2.2 系統的功能

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

（1）監護功能：生理參數監護儀長(cháng)期連續地檢測出監護對象的各項生理參數，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )將數據傳送至遠程監護中心服務(wù)器，遠程中心服務(wù)器對數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，識別出疾病的早期信號、異常情況和監護對象健康狀況的變化。本系統可實(shí)現對心電、血壓、血氧、脈搏、呼吸、體溫六項生理參數的監測。通過(guò)視頻，社區遠程監護中心可以實(shí)時(shí)觀(guān)察監護對象的身體狀況和精神狀態(tài)。

（2）護理功能：家庭客戶(hù)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)助完成對監護對象的部分護理工作。

（3）遠程診斷：系統采用了視頻監護技術(shù)，在監護對象準許的情況下，對監護對象的身體狀況進(jìn)行遠程觀(guān)察，實(shí)時(shí)了解監護對象的身體狀況，并結合其他生理參數數據，做出遠程診斷。診斷過(guò)程中，醫生和病人可以進(jìn)行遠程交互對話(huà)，大大提高了診斷效率和準確率。為了保護個(gè)人隱私權，家庭客戶(hù)端可以控制視頻監護系統的開(kāi)關(guān)。

3 遠程視頻監護的關(guān)鍵技術(shù)

遠程視頻監護的工作流程如圖2所示，首先由客戶(hù)端攝像頭來(lái)獲取視頻信號，然后對獲取的視頻信號進(jìn)行有效的視頻編碼，編碼后的視頻通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸至社區遠程監護中心服務(wù)器，中心服務(wù)器收到視頻數據后進(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)應用于社區智能遠程健康監護中，可以實(shí)現醫生和病人之間的遠程交互診斷，通過(guò)視頻圖像的傳輸，醫生可以實(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)了大數據量的數據傳輸的問(wèn)題，為保證系統監護的實(shí)時(shí)性，減輕網(wǎng)絡(luò )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(jìn)行編碼，然后通過(guò)VC++編程實(shí)現了遠程監護服務(wù)器與家庭客戶(hù)端視頻數據的傳輸，接受方對壓縮的視頻圖像進(jìn)行解碼，然后在給定窗口上重現視頻圖像，從而實(shí)現社區智能遠程健康監護系統中視頻信息的實(shí)時(shí)傳輸。

圖2 遠程視頻監護工作流程

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 )適應性強等特點(diǎn)，不僅比H.263和MPEG-4節約了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對社區智能遠程健康監護中產(chǎn)生的視頻數據進(jìn)行編碼。H.264/AVC在視頻實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域首先得到了應用，如會(huì )議電視、可視電話(huà)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，可適應丟包率高、干擾嚴重的無(wú)線(xiàn)信道中的視頻傳輸，從而獲得平穩的圖像質(zhì)量。而且，H.264/AVC的基本系統無(wú)需使用版權，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(shí)間預測去除冗余信息，然后對預測殘差進(jìn)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(jìn)行量化，按其所含的能量大小分配不同數據量來(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據的符號冗余度。解碼過(guò)程是編碼的逆過(guò)程，H.264/AVC的詳細內容可參考文獻[5]。

3.2 數據網(wǎng)絡(luò )傳輸的實(shí)現

家庭客戶(hù)端與社區遠程監護中心的數據傳輸基于Windows Socket來(lái)實(shí)現。Windows Socket支持兩種類(lèi)型的套接字，流式套節字和數據套接字。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(wù)器端建立一個(gè)監聽(tīng)套接字和一個(gè)連接套接字列隊，家庭客戶(hù)端建立一個(gè)通信套接字，中心服務(wù)器端先進(jìn)入監聽(tīng)狀態(tài)，當收到家庭客戶(hù)端發(fā)出的連接請求后，建立一個(gè)連接套接字進(jìn)行通信，如有其他客戶(hù)端發(fā)來(lái)連接請求，則另建立一個(gè)連接套接字，加入到連接套接字列隊，從而實(shí)現中心服務(wù)器與多個(gè)客戶(hù)端的數據傳輸。監護數據網(wǎng)絡(luò )傳輸的流程如圖4所示。

圖4 監護數據網(wǎng)絡(luò )傳輸流程圖

圖5 社區智能遠程健康監護系統的軟件運行界面

基于視頻的社區智能遠程健康監護系統的軟件運行界面如圖5所示，軟件通過(guò)Visual C++編程實(shí)現。界面可實(shí)時(shí)顯示用戶(hù)的各生理參數動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)及客戶(hù)端傳來(lái)的視頻信息，視頻窗口可根據需要放大、縮小及關(guān)閉。

4 結論

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