一种应用于阿尔茨海默症患者的智能项圈

李富，付璇，喻丛兵，何永涛，熊莹，覃建宁，吴磊

（无锡学院，江苏无锡，214105）

0 引言

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease,AD）是以进行性认知功能障碍为主要临床症状的神经退行性疾病。根据《中国阿尔茨海默病报告2021》显示，我国60 岁及以上人群AD 患者高达983 万例，已成为严重危害我国人群健康的重大疾病和社会问题[1]。

《2021 年世界阿尔茨海默病报告》显示，目前全球约有5000 万AD 患者，而随着老龄化的加剧，到2030 年预计将达到7800 万人，其患者还有年轻化的趋势[2]。65 岁以后属于阿尔兹海默病的发病高峰期，快速增长的老龄人口和沉重的照护负担，是当下社会不得不面对的紧迫问题[3]。阿尔茨海默病在临床上表现为记忆障碍、失语、失用、失认、视空间技能损害、执行功能障碍以及人格和行为改变等全面性痴呆表现，病因迄今未明。主要表现为记忆减退，对所处地理位置定向困难，难以独立进行室外活动。AD 病人家庭经常面临着病人走失、生活难以自理等各种各样的问题。病人的身体基本健康指标采集不便，导致我们无法实时掌握病人的身体状况。

物联网技术是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种所需的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。

针对AD 病人及家属面临的上述问题，目前市场上尚未发现相关的产品来解决这些问题。所以我们基于现有的成熟物联网技术，提出了一种阿尔兹海默症患者用智能项圈（以下简称“智能项圈”）。从专业方面来看，智能项圈在现有技术基础上进行集成，理论上是可以实现的，它的问世将为AD 患者的生活带来极大的便利，具有很高的社会价值。从实际发展来看，智能项圈体现了社会对于AD 患者的关怀，为医疗器械行业的发展注入新的生机，加快了物联网技术在医疗行业的布局。

1 内置装置

1.1 中央处理模块

中央处理模块为集成芯片，内置基于Cortex-M3 内核的32 位微控制器的芯片，并嵌入用于模块和移动控制端的通信及数据传输芯片。将各传感器采集的信息上传至云端和移动端,便于家人实时了解阿尔兹海默症患者的具体情况。

1.2 人脸识别模块

人脸识别模块包括双目摄像头、视觉传感器及红外补光灯，位于项圈本体前方，拍摄人物画面，识别所拍摄的人物信息。用于识别人物信息，帮助阿尔兹海默症患者唤醒记忆，帮助患者缓解失认的问题。

1.3 室内外定位模块

室内外定位技术实现借助GPS 的室外定位和RFID 室内定位技术，可以得到用户或物体在某时刻的位置所在，同时将室内外定位技术相结合，可以降低障碍物对用户或物体定位的影响，减少在传输数据过程中的传输损耗，更快更精准地得到用户或物体的位置[4]。室内外定位模块由GPS 定位模块和RFID 模块组成；其中，GPS 定位模块提供位置信息由中央处理模块发送至移动控制端；RFID 模块对应贴于药物上的标签，利用RFID 技术识别并提醒患者药物位置。

1.4 TTS 语音交互模块

TTS 语音交互模块是将收集到的信息转化为语音信息的实用技术。TTS 语音交互模块内置芯片，通过语音编解码模块将音频数据编码上传或者解码播放。将人脸识别的人物信息、药物存放地址和使用方式进行播报，帮助患者回想起家人和按时吃药。

1.5 健康指标数据检测模块

该模块采用高灵敏度光感IC 以及低噪声采用Zig Bee技术来实现对AD 患者健康指标的实时监控。健康指标数据检测模块包括现有的光电心率传感器、体温监测传感器及电容式加速度传感器，信息均由中央处理模块发送至移动控制端，便于家人了解患者的基本身体状况。

1.6 数据采集模块

数据采集模块是指接收 AP 信号，获得 AP 信号度量指标的移动终端（如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等）的天线和无线网卡等[5]。智能项圈上的数据采集模块内置SIM卡，从中央处理模块上传及下载信息，实现与其他模块的信息交互。

1.7 供电模块

供电模块由交流电经AC/DC 转换，获得12V 或6V 电压给系统进行供电。本体采用卡扣连接，卡扣闭合处设置电源开关，通过卡扣闭合实现供电模块开启。

2 外置配置

2.1 物联网平台

物联网平台采用阿里云Iot 物联网平台，因为阿里云物联网平台能为设备提供安全可靠的连接通信能力，向下连接海量设备，支撑设备数据采集上云；向上提供云端 API，服务端通过调用云端 API 将指令下发至设备端，实现远程控制[6]。可接入各种主流协议的设备，管理运维亿级并发规模的设备，处理分析EB 量级的设备数据，提供7×24 小时的安全风险检测和预警。

2.2 数据库

数据库采用SQLite 数据库，它是一个进程内的轻量级嵌入式数据库。SQLite 数据库就是一个文件，实现了自给自足、无服务器、零配置的、事务性的SQL 数据库引擎。所以，SQLite 不需要在系统中进行配置，直接可以使用。且SQLite 不是一个独立的进程，可以按应用程序需求进行静态或动态连接。 SQLite 可以直接访问存储文件。资源占用率非常低，在嵌入式设备中，一般只需要几百K 的内存就够了。能够支持Windows/Linux/Unix 等等主流的操作系统，同时能够跟很多程序语言相结合，比如 C#、PHP、Java 等，此外，它的处理速度很快。

2.3 移动控制端

移动控制端采用移动设备APP，APP 目前广泛应用于各种移动终端。它之所以受大众青睐，原因在于它可以实现完整功能，灵活性强。界面内容丰富，运转速度快，系统流畅。各种功能更加细化、个性化和功能化。在对于网络安全愈发重视的现在，其安全性能得到很大的保障。

3 整体设计

3.1 工作原理

本智能项圈系统由移动端、阿里云Iot 物联网平台、中央处理模块、人脸识别模块、室内外定位模块、健康指标监测模块、TTS 语音交互模块和电池模块构成。移动端主要功能是显示中央处理模块上传的数据，并进行人脸信息的录入，系统使用的日志记录，从而帮助患者亲属更好地了解患者情况。阿里云Iot 物联网平台主要功能是对移动端的数据进行云备份，同时对数据进行分析，即时反馈给APP。中央处理模块主要功能是实现对各功能模块的控制与判断，并通过数据采集模块获取人脸识别模块、室内外定位模块、健康指标监测模块和电池模块的数据，对其进行梳理并上传至APP，同时与TTS 语音交互模块和APP 进行信息交互。人脸识别模块主要功能是实现人脸信息的搜集，帮助中央处理模块甄别是否为患者亲属，并通过TTS 语音交互模块反馈给患者。通过双目摄像头、红外补光灯和视觉传感器来实现不同环境下的人脸识别。健康监测模块主要是监测患者的心率、体温和行进速度，分别通过光电心率传感器、体温传感器和电容式加速度传感器来实现相关指标的测量。室内外定位模块主要功能是在对室外的患者进行定位，对室内的药物进行定位。前者通过GPS 技术得以实现，后者则通过RFID技术进行实现。TTS 语音模块主要功能是及时将某些信息反馈给患者，通过语音指令控制中央处理模块。供电模块主要功能是保证各模块处于正常工作状态，并将电量信息反馈给数据采集模块。各功能模块相互配合，各司其职就实现了完整的系统功能。

3.2 实验结果验证

系统基本功能开发完成后，针对系统的主要功能，进行了功能测试，经过测试主要的功能能够达到设计之初的预期。各项功能测试用例如表1 所示。

表1 系统测试用例表

4 具体技术方案

如图1 和图2 所示的智能项圈，包括内置装置和外置配置。参阅图1，阿尔兹海默症患者用智能项圈，包括设于项圈前方中部的中央处理模块2，中央处理模块2 一端连接的人脸识别模块1，人脸识别模块1 精准识别出家人信息，帮助唤醒AD 患者记忆，解决失认问题；在人脸识别模块1的另一端还有共电路连接TTS 语音交互模块4，播放相关信息等；与TTS 语音交互模块4 连接的健康指标数据检测模块5 能够对患者生命体征进行检测，便于监护人实时了解患者身体情况；与中央处理模块2 另一端相连的是室内外定位模块，包括GPS 定位模块3 和RFID 模块7；GPS 定位模块3 提供位置信息由中央处理模块发送至移动控制端；RFID 模块7 对应贴在药物上的标签，利用RFID 技术识别并提醒患者药物位置，能够进行实时精准室外定位，防止患者走失；与GPS 定位模块3 还有共电路连接数据采集模块6，内置SIM 卡，实现与终端的数据传输；在项圈远端尾部位置采用卡扣9 连接，正常使用时，可以通过调整卡扣来调整项圈大小，不会对患者颈部造成压迫感，卡扣闭合处设置电源开关，通过卡扣闭合实现供电模块8 开启。项圈所有模块均通过电路板实现电路连接，均采用现有技术。项圈表层采用柔软、防水性好、无害的TPE 材料包裹。

图1 智能项圈实体结构图

图2 整体设计框架图

图3 系统流程图

图4 智能项圈模块连接图

使用本发明装置前，为了确保项圈佩戴后使用的功能健全，其中的人脸识别需要录入可响应的信息，人脸识别的前提条件就是人脸信息要先注册到服务器后台的人脸库中，即通过APP将项圈的佩戴者的可信任人员进行人脸信息录入，同时也同步了项圈内置的人脸信息存储，从而使得项圈可以自动识别和匹配可信任人脸，并通过与后台数据库的特征脸比对后由语音播报出备注。

人脸识别模块1 包括双目摄像头、视觉传感器及红外补光灯，位于项圈本体前方，拍摄人物画面，识别所拍摄的人物信息，利用实现人脸识别技术精准识别出家人信息，与TTS 语音交互模块4 协同工作，芯片内部的语音编解码模块把采集到的音频数据进行编码并通过UART 接口实时传送给上位机，或者对上位机传送来的音频数据进行解码并实时播放出来，播放出所识别人物的相关信息，帮助唤醒AD 患者记忆。

对于患者而言，在室外活动时，会出现迷路，走失的问题，在项圈中的室内外定位模块包括GPS 定位模块3 和RFID 模块7。所述GPS 定位模块3 利用GPS+LSB 基站卫星定位技术进行实时精准室外定位，将位置信息由中央处理模块2 发送至移动控制端，实时监测患者行踪，利用电子围栏技术，将根据用户自定义选择电子围栏范围，患者超出范围立即报警，防止患者走失，家属第一时间能够找到患者。

RFID 模块7 对应贴于药物上的标签，利用RFID技术识别并提醒患者药物位置，并与TTS 语音交互模块4 协同工作，语音播报药物所在位置和使用情况，帮助患者按时服用药物。

健康指标数据检测模块5 包括光电心率传感器、体温监测传感器及电容式加速度传感器，光电心率传感器和体温监测传感器分别实时监测患者心率和体温，电容式加速度传感器检测患者的正常行走，判断是否发生摔倒等情况，信息均由中央处理模块2发送至移动控制端。

针对使用者外出时经常忘记携带手机、钥匙等随身物品的情况进行语音提醒而推出了忘物提醒功能。本功能基于上述的语音寻物的基础上新增了范围内定位检测，首先在常需移动的重要物品贴上RFID 电子标签，并通过对电子标签的移动位置设置固定范围，采用室内定位技术可以精确达到10 ～20cm 范围内，可有效防止佩戴者移动超过设置范围。在一定可允许误差范围内，项圈会判断贴有标签的物品的位置是否和佩戴者相近一致，若没有则视为佩戴者忘记带这些物品出门，从而智能项圈执行语音播报提醒程序，及时的提醒患者，在一定程度上可以有效解决阿尔兹海默症患者外出忘带物品的问题。

5 结束语

随着计算机技术和通信技术的发展，物联网技术的发展日新月异，在越来越多的行业中充当着重要的角色，为传统产业转型升级，提供强大的技术支持。本文提出的智能项圈是物联网技术在医疗器械行业发展的一个缩影，应用先进的物联网技术解决人们生活中的各种现实问题，使人们的生活向着更加智能化，多样化，舒适化的方向发展。本文提到的智能项圈，我们在实现其系统功能后，对各功能模块进行了测试用例，测试结果符合预期。在之后的工作中，我们会逐步完善系统，使其发挥应有的价值。