社区智能远程健康监护系统设计方案

1 引言

    人口老龄化已成为当今世界的一个突出的社会问题。据联合国统计，2002年，全世界的老龄人口（60岁及60岁以上）总数已达6.29亿，占世界人口总数的10％，到2050年，将占总人口数的21％。中国是世界上老年人口最多的国家，2004年底，中国60岁及以上老年人口已达1.43亿，占总人口的10.97%。到2050年，老龄化水平将推进到30%以上，其中，80岁及以上老年人口将占老年人口的21.78%[1]。随着老年期的延长，因疾病、伤残、衰老而失去生活能力的老年人显著增加，医疗保障面临严峻挑战[2]。

     为了缓解人口老龄化带来的医疗压力，使缺乏自理能力的老年人、残疾人更好地融入家庭生活，减轻医护人员及其家人的护理负担，我们提出了一种基于视频的集护理、远程健康监护及远程诊断于一体的社区智能远程健康监护系统，并对视频远程健康监护及远程诊断工作过程中的关键技术视频编码和数据网络传输进行研究，从而推动社区远程健康监护系统的研究进展和推广应用，缓解我国越来越严重的人口老龄化问题。

2 基于视频的社区智能远程健康监护系统

    本文介绍的基于视频的社区智能远程健康监护系统以智能护理床及配套的生理参数监护仪为家庭客户端，实时检测人体生理参数，视频监控被监护对象的身体状况，通过数据自动采集、实时分析监护对象的健康状况，若出现异常情况向医疗中心报警以获得及时救助。系统能与现有医院的医疗信息系统实现信息交互和共享，形成一个覆盖城市区域的医疗、护理和疾病预控网络。另外，系统可以实现医生和被监护对象之间的远程视频会话，让患者在自己熟悉的家庭环境中进行得以诊治，这不但减少了患者的心理压力，提高了诊断的准确性，还有利于病情的恢复，同时，减轻了患者因长期住院所带来的经济负担。除了老年人，系统的主要监护对象还可以是残疾人、术后恢复病人以及高发病人群等。

2.1 系统硬件构成

    如图1所示，社区智能远程健康监护系统主要由家庭客户端和社区远程监护中心组成。家庭客户端与社区远程监护中心通过网络连接。

图1 基于视频的社区智能远程健康监护系统

    家庭客户端硬件设备由智能护理床、生理参数监护仪、一台个人微机、一个可变焦摄像头、一个可控万向云台、一个视频采集卡以及网络接口设备组成。社区远程监护中心硬件设备主要由监护服务器和网络接口设备组成。

2.2 系统的功能

   该远程智能健康监护系统主要包括对监护对象的监护、护理及远程诊断三方面的功能。

（1）监护功能：生理参数监护仪长期连续地检测出监护对象的各项生理参数，并通过网络将数据传送至远程监护中心服务器，远程中心服务器对数据进行实时处理和分析，识别出疾病的早期信号、异常情况和监护对象健康状况的变化。本系统可实现对心电、血压、血氧、脉搏、呼吸、体温六项生理参数的监测。通过视频，社区远程监护中心可以实时观察监护对象的身体状况和精神状态。

（2）护理功能：家庭客户端所使用的智能护理床是华南理工大学机器人研究室研制的集监测和护理于一体的智能护理床。可以根据键控或声控指令，完成帮助监护对象完成平躺、抬背、升降腿部、坐、翻身、排便等不同的体位变换，协助完成对监护对象的部分护理工作。

（3）远程诊断：系统采用了视频监护技术，在监护对象准许的情况下，对监护对象的身体状况进行远程观察，实时了解监护对象的身体状况，并结合其他生理参数数据，做出远程诊断。诊断过程中，医生和病人可以进行远程交互对话，大大提高了诊断效率和准确率。为了保护个人隐私权，家庭客户端可以控制视频监护系统的开关。

3 远程视频监护的关键技术

    远程视频监护的工作流程如图2所示，首先由客户端摄像头来获取视频信号，然后对获取的视频信号进行有效的视频编码，编码后的视频通过网络传输至社区远程监护中心服务器，中心服务器收到视频数据后进行解码，然后进行视频显示。此工作过程中的关键技术主要包括视频编码和视频网络传输。视频技术应用于社区智能远程健康监护中，可以实现医生和病人之间的远程交互诊断，通过视频图像的传输，医生可以实时了解患者的病情状况和精神状态。但同时视频图像信息也给网络带来了大数据量的数据传输的问题，为保证系统监护的实时性，减轻网络传输的负担，本文采用最新数字视频编码国际标准H.264/AVC对视频图像进行编码，然后通过VC++编程实现了远程监护服务器与家庭客户端视频数据的传输，接受方对压缩的视频图像进行解码，然后在给定窗口上重现视频图像，从而实现社区智能远程健康监护系统中视频信息的实时传输。

图2  远程视频监护工作流程

3.1 基于H.264/AVC的视频编码

     作为新一代国际视频编码标准。H.264/AVC具有编码效率高、网络适应性强等特点，不仅比H.263和MPEG-4节约了50％的码率，而且对网络传输具有更好的支持功能[3][4]。因此本文采用H.264/AVC对社区智能远程健康监护中产生的视频数据进行编码。H.264/AVC在视频实时通信领域首先得到了应用，如会议电视、可视电话等。它引入了面向IP包的编码机制，有利于网络中的分组传输，支持网络中视频的流媒体传输。H.264/AVC具有较强的抗误码特性，可适应丢包率高、干扰严重的无线信道中的视频传输，从而获得平稳的图像质量。而且，H.264/AVC的基本系统无需使用版权，具有开放的性质。

图3 H.264/AVC编码框架

     H.264/AVC的编码框架如图3所示。与以前的标准一样，H.264/AVC仍然遵循基于块的混合编码框架。首先将输入图像分割成宏块，利用空间或时间预测去除冗余信息，然后对预测残差进行正交变换得到一系列变换系数。变换使残差系数能量相对集中，再进行量化，按其所含的能量大小分配不同数据量来描述。最后用熵编码进行二进制编码，最大限度消除量化后数据的符号冗余度。解码过程是编码的逆过程，H.264/AVC的详细内容可参考文献[5]。

3.2 数据网络传输的实现

    家庭客户端与社区远程监护中心的数据传输基于Windows Socket来实现。Windows Socket支持两种类型的套接字，流式套节字和数据套接字。流式套接字因可靠性高而得到广泛应用。本系统采用流式套接字，中心服务器端建立一个监听套接字和一个连接套接字列队，家庭客户端建立一个通信套接字，中心服务器端先进入监听状态，当收到家庭客户端发出的连接请求后，建立一个连接套接字进行通信，如有其他客户端发来连接请求，则另建立一个连接套接字，加入到连接套接字列队，从而实现中心服务器与多个客户端的数据传输。监护数据网络传输的流程如图4所示。

图4 监护数据网络传输流程图

图5 社区智能远程健康监护系统的软件运行界面

    基于视频的社区智能远程健康监护系统的软件运行界面如图5所示，软件通过Visual C++编程实现。界面可实时显示用户的各生理参数动态曲线及客户端传来的视频信息，视频窗口可根据需要放大、缩小及关闭。

4 结论

   本文构建的基于视频的社区智能远程健康监护系统可以大大缓解由于人口老龄化所引起的医疗资源短缺问题，通过对在护理床上的老年人、残疾人健康相关的生理参数进行实时检测，社区监护中心可以及时掌握监控对象身体状况的突变并通过视频交互来进一步了解监护对象的详细情况，提出相应的医护建议，同时建立起医护对象的身体状态数据库，供医疗诊断时参考。对患者重要生理参数实施远程监护,不仅可以辅助医疗没，还能在病情突发恶化时报警。随着科技的进步，人口老龄化问题的加剧以及人民对医疗护理水平要求的不断提高，社区智能远程健康监护系统必将得到广泛的应用。