关于医院和养老院的智能医疗手表的设计与研究

高晶晶 王子涵 张天然 张蓓蓓 姜雪 陈琼子

摘要：根据市场调研机构IDC最新发布的《全球健康医疗行业2021年预测—中国启示》这一报告显示：预计2021年全球第一季度的可穿戴医疗设备发货量将不断增长。此外，伴随着社会人口的老龄化，老年住院患者的数量也将大幅增加。因此，老年人的身体健康问题显得愈发重要，急需更完善的保障。而与现状形成矛盾的是，目前市场已存在的智能医疗手表均存在无法实时监测、功能单一、数据精确度较低和数据无法实时共享等功能短板。本文从老年人和住院患者的角度出发，旨在设计一款用于医院和养老院的智能医疗监测手表，不断改善老人、各大医院就诊患者、住院患者的就医住院体验，且融合UWB技术实现室内精准定位，以方便医院、养老院对患者或老人的身体状况实时监测。

关键词：住院患者;老年人;实时监测

中图分类号：TP311      文獻标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）06-0085-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

目前，市场上已存在类似的智能监测设备，但功能都有所欠缺，例如监测数据无法达到医疗级标准，与医疗系统脱离;或配备众多辅助设备，未考虑到病患群体、老年人群体不善于操作复杂设备的缺点等。

为使功能更加完备、数据监测更加精准，本文将生命体征的众多监测指标（心率、心电、血氧、体温、血压）集成于一块智能医疗手表中，内部设置多种传感器和主控芯片STM32精准获取各项指标的医疗级动态数据，通过这些数据可以进行综合分析，从而真正实现实时监测数据。

佩戴者的生命体征等数据会被传送至医疗监测平台，方便医生实时或定期了解数据并进行诊断治疗。此外，为防止老人摔倒等突发状况发生，本团队在手表内部增加了三轴加速度传感器与UWB定位技术，若老人摔倒将立刻获得具体摔倒位置，将信息传送给监控人员并及时报警。

1 设计方案

设计目标从以下三个方面考虑：

1） 设备的特色功能。设备的特色功能是在手表硬件基础上的软件延伸，手表主要是为医院和养老院提供管理便捷，和市场一众的智能手表最根本区别是可以接入医院和养老院系统内部，而不是只针对佩戴者推出的终端设备。此外，本手表兼具心率、心电、血氧、体温和血压这五种生命体征的实时监测功能，另外通过加速度传感器实现摔倒监测功能，利用UWB技术实现室内精准定位和数据的快速传输。

2） 设备易用性。复杂的操作会降低使用效率，对于医院和养老院来说，使用本设备其中一个主要原因就是提高管理效率;对于老人来说，简单的操作更是必要的需求。为此，提供可触摸屏幕和一个实体按键，佩戴者通过屏幕即可以完成所有信息查看，实体按键专为紧急报警设计，以保证在紧急情况下佩戴者方便操作。为降低充电频率，内部主板层叠设计为电池留出更大空间，同时使用OLED屏幕保证节电。

3） 工业设计。对于一个产品来说外观设计是取得市场地位的主要力量之一，产品的造型除了能给人美的感受以外还能够体现产品的功能特点。此外，考虑到本产品的佩戴群体的特殊性，患者和老年人更加需要保持良好的心情，外观设计则更要充分考虑美学艺术。

首先是表盘，为方便佩戴者观看，选择直径显示面积更大的方形表盘，可以一定程度减少通过复杂操作才能获取信息的步骤。产品其他形态设计以简洁为主，手表边框与表盘和底部做弧形过渡设计以保证设计一体性。腕带设计为可拆卸式，借鉴市面上运动手环腕带设计再结合此产品整体设计理念，腕带边缘为圆弧过渡，减少了佩戴时的锋利感。为方便佩戴和减轻手表重量，腕带固定方式为按扣式。

材料的选择不仅会影响产品外观的细节和质感更直接决定佩戴舒适度，对长时间使用本产品的老人和病人来说材料选择尤其重要。7系铝合金是一种高强度可塑性高的材料，设备表壳使用7系铝合金既减轻了重量又保证了表体的硬度，同时相对其替代品不锈钢加工难度和物料成本都更低，在外观处理上做电镀氧化使产品外观更美观。表带材料使用氟橡胶，由氟橡胶材质制成的表带，触感顺滑细腻、质地柔软，更适合人体皮肤。面板采用的材质是蓝宝石玻璃，蓝宝石玻璃由人工合成，其主要成分是三氧化二铝，具有较高的抗磨损性能，因为此设备会长时间循环使用，佩戴情况复杂，更耐磨的材质可以延长手表使用寿命。

2 技术方案

利用多种传感器作为实时监测佩戴者各种生命体征的硬件支撑，利用UWB技术实现精确的室内定位功能，同时在医院场景下推出特色的输液检测功能。以上各种信息最终借助第三方云平台实时反馈到管理方终端，方便工作人员进行统一集中管理。

2.1 UWB室内定位

当患者突发疾病时，患者一键报警，管理者通过UWB定位系统找到患者，及时开展救援;当患者处于危险状态（如昏迷）而无法主动报警，静止不动的时间超过了设定的时长，系统会发出预警信息，提醒管理者及时救援，防止未及时发现而错失救援最佳时机的情况发生。

2.2 生命体征监测

生命体征采集模块的主控制芯片使用的是STM32芯片，其负责采集患者生命体征信号（心率、心电、血压、体温、血压），并且将初步处理后的生命体征信息通过无线传输模块发送至监控终端进行数据汇总与具体分析。以便及时发现常规心电图中难以发现的心律失常和心肌缺血再经由无线传输模块将生命体征信号传输至监控中心处理服务器，如果数据偏离预设正常值，中央端如若监测到数据异常立马启动报警，从而实现对患者生命体征状况的实时监测。

（1） 心率监测

因为单导联监护模块具有功耗较低，效率较高，较为简单方便且准确度高等性能优点，所以采用单导联心率测量的方式对心率数据进行采集。单导联监护模块会对佩戴者的生物电信号进行集成及提取，并且过滤一些较为微弱的生物电信号，以此确定佩戴者的动态心率数据。

（2） 心电监护

手表内置测量心电数据的电极，可以利用电极来实时捕获心脏在兴奋的过程中产生的生物电信号，信号会先通过缓冲电路，再由前置放大电路将生物电信号进行放大，经由高通滤波电路，主放大和低通滤波电路后，最终得到心电波形，内置的STM32芯片则将进一步对心电数据初步分析和处理。

（3） 血氧监测

手表内置血氧饱和度探头，血氧探头能够监测到血液对红外光吸收的变化量，并且血氧饱和度探头能够计算出血红蛋白的浓度以及血氧饱和度，从而实现对佩戴着的血氧数据进行监测。

（4） 体温采集

本手表内置温度传感器收集电平信号，不再进行AD转换，而是直接将温度信号转化为数字信号，利用 STM32的IO口进行数据的传输与读取。

（5） 血压监测

使用PWTT算法（结合心电图和脉搏波测量血压），通过脉搏波信号PPG与心电信号ECG获得脉搏信息传输的时间，并且与一些常规的身体参数（如身高、体重）相结合得出脉搏波传递速度演算出血压值。

2.3 摔倒监测

将三轴加速度传感器与UWB技术相结合，当佩戴者摔倒时，三轴加速度传感器会对加速度信息进行初步判定，再结合 UWB定位模块判定佩戴者的位置信息，并且将位置信息上传至远程监护平台，发出摔倒警报，以便把握救援时间进行救援。如果判定佩戴者在摔倒后的预定时间内没有任何反应，将会自动拨打急救电话，并向你的紧急联系人发送信息。

3 结论

综上所述，本文设计了一款针对老年人和住院患者的生命体征数据实时监测的智能医疗手表，并将这些数据与手机以及医院监测端同步，通过数据实时监测被监测对象的身体健康状态，从而方便患者接受医治、预防重大疾病的發生、减轻医院管理人员的工作负担。较现有的商业智能医疗手表而言，该智能医疗手表的设计使用更便捷、对数据采集更及时和医疗指导功能更强大。未来还可以进一步改善电池的寿命问题，力求能够在高可靠性和高传输效率完成数据实时通信的同时保障手表拥有较高的续航能力，从而为佩戴者提供质量和准确度更高，指导性更强的治疗意见。

4 结束语

综上，本文所设计的智能医疗手表可以实时监测老人所在的位置、体态状况、生命体征情况，不仅能够防止老年人出现安全意外，还能对老人的健康实时追踪，与医疗系统挂钩，对于老人长期的健康护理有着莫大的作用。

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