老年人社区照顾中的可穿戴心电监测系统设计及其应用*

刘敦博，何佳洁

（1.宁夏职业技术学院，宁夏 银川 750004；2.宁夏医科大学 公共卫生与管理学院，宁夏 银川 750021）

1 研究背景

随着老龄化的来临和发展，我国目前主要有社会养老和家庭养老模式，但因社会养老资源不足，家庭养老能力有限，且因为计划生育政策以及人们对于“少生优育”的认识，中国传统的大家庭结构不断解体，与此同时4-2-1 的家庭结构成为主流形式，这种小型化的家庭结构打破了传统上的四世同堂的家庭模式。另外，现代社会中老人和子女也都追求有自己的“自由空间”，于是传统的家庭养老模式遇到了前所未有的挑战，逐渐地来由家庭承担的老人赡养功能转向社会养老服务。在这个转变的过程中，独居老人成为一类社会问题而倍受关注。所以有很多老年人都会处于身边没有随时关照身体健康的人，尤其对于丧偶或长期单身老人，身体健康以及一些突发状况难以被随时关注并发现，疾病突发给独居老人带来死亡危险悲剧的不断上演，已得到社会各界的广泛关注。

据报道，2019 年2 月12 日上午，一名63 岁的独居老人被发现死于杭州环东公寓的家中。据了解，去世老人身患心脏病、糖尿病等多种疾病，没有结婚，身边也没有子女，长期独居，此次出事的原因可能便是心脏病突发，而且很有可能两天前就出事了，直到前一晚其妹妹打电话一直无人接，第二天赶过来敲门无人应答，才被发现。同样的独居老人或者独自外出老人疾病突发因救治不及时，而导致猝死甚至被发现后已死亡数日的事件不断增加，而心源性猝死是相对最常见的猝死原因，其他一些疾病的发作前兆也与心率的改变息息相关。

针对老年人的健康智能设备——心率报警手环，对老人的居家外出时的身体情况全面检测，使患有疾病或者需要疾病预防的老年人得到更加及时的关照，同时通过手环的报警信息传送，帮助在异地工作的子女及时了解在家独居父母的突发心率状态，并促进子女与父母之间的交流。当疾病突发时，GPS 系统的精确定位与自动向子女、当地社区及医院的报警，从而减少老年人突发疾病的致死率，防止因未得到及时的体检或因医疗知识缺乏而使得病情延迟治疗的严重后果的发生。

2 老年人社区照顾中的可穿戴心电监测设备的需求研究

我国60 岁以上的老年人平均每人患有3～4 种慢性疾病，老年人的患病率是普通人群的2.5～3 倍，平均住院时间是非老年人的15 倍，住院费用是非老年人的1.8倍。健康预警可以做好疾病预防，消除健康危险因素，达到节约人力资源和医疗成本的目的。

根据过去国家独生子女的政策，现代家庭多为独生子女，家庭中多数老人独自生活，空巢老人的现象增大，这样给家庭中的独生子女带来了更大的生活负担。因此，在子女因为工作或其它生活原因而无法照顾到老人时，一款简单直接的预警手环可以很大程度的缓解子女对于老人的健康的担忧。

可穿戴心电监测设备的心率传感器会实时监控老人心率变化。另外，手表因为设置了GPS 模块，可以检测佩戴者的位置，还自带报警装置，可以避免老人发生迷路，发病等情况。忙碌的子女们将减少对老人的担心和忧虑，放心让老人出门。

老人对智能健康手环的功能需求不同，其中，60～69岁的老人对检测生命体征的需求量最大，70～79 岁的老人对急救呼叫的需求量大。根据调研结果可以发现老年人的健康需求包括以下几个方面：

健康状况监测需求：老年人可穿戴心电监测设备需要实时对老人的心电图、心率、血压等数据进行监测，当数据出现异常或与日常状态差异较大时，能够发出报警信号。可穿戴心电监测设备能够采用时下最流行的老人端-子女端-医疗端数据实时传输，实现平台数据共享，以利于社区卫生服务机构开出运动与保健方面的建议书，子女也能实时掌握父母的健康状况，进而提供有针对性的关怀。

定位监测需求：老年人可穿戴心电监测设备能够准确记录老人的日常行动轨迹，可以对老年人的实时位置进行定位，避免老年痴呆症患者走失。可穿戴监测设备也可以对老年人的运动轨迹实时监控，测量步数和消耗的热量等，同时设置久坐提醒服务，如果老人久坐没有运动，智能手环就会震动提醒，并且会根据所设定的时间进行重复提示，保证老人定时运动。

紧急呼叫需求：老年人若摔倒后无人扶，错过了最佳的救治时间，会造成不可挽回的损失。一键急救功能直接将信号发送给社区和子女（或预设紧急联系人），能使老年人在发生意外时获得急救机会。

3 可穿戴心电监测系统设计

3.1 技术支撑

心电监护系统是预防和检测心血管疾病的重要手段，心血管疾病具有慢性和突发性的特点，心电监护系统具有重要的临床意义。现有技术中，对于患者在外时，难以护理，若患者在外发生心率不正常的情况，因消息传递的障碍性可能难以得到紧急施救，因此，存在改进空间。许多学者已经使用数字滤波器对心电信号进行去噪，并做了一些研究。[1]例如，平滑滤波是滤波工频干扰的最早方法。[2]它具有处理速度快、算法简单、滤波效果好等特点，但其信号衰减大，滤波通带窄。

在老年人可穿戴心电监测设备的运行中，人体组织的极化将导电离子传输到体表，在皮肤与收集电极的界面处进行电子离子交换。最后的ECG 信号由导电电极通过单导线或多导线传输。得到了前置放大滤波电路和采集处理电路。正常心电图上每个心动周期的心电波形变化是有规律的。当心脏受到损伤或发生病变时，心电图可以实时反映心脏的异常活动，表现为各频带和间隔的异常。心电信号是人类心脏周期活动的直观表现。由于人体产生心电信号的原理较为复杂，心电信号具有以下两个典型特征。一个是随机的，它不是典型的周期信号，它是根据具体情况实时发生的。目前无法使用标准的数学模型描述更改。动态心电信号是弱电信号，可穿戴织物电极对电子设备或外界环境引起的热噪声、工频信号噪声等噪声干扰非常敏感[3]。因为它不能牢固地附着在皮肤上，所以它具有低阻抗特性[4]。当用户进行日常活动时，电极被挤压、拉伸或机械变形，电极与皮肤界面之间的位置相对滑动[5]。改变皮肤与电极之间的电信号，产生运动伪影，使心电图的监测更加困难，信号被淹没甚至被噪声破坏，很大程度上干扰了心电图信号的有效性[6]。但随着科技的进步和研究的不断深入，上述问题也在逐步得到改善。通过对电信号的评估和处理，当前已经可以基本实现对于心电监测设备的技术需求。

在老年人社区照顾中，针对特殊的细化需求，要求在原有的心电监测技术上强化联网和报警功能。也就是可穿戴心电监测设备与移动电话（互联网接入点）的完美融合。根据实际情况分析，比较贴合实际使用的可穿戴心电监测设备中，运动手环与电话手表的结合运用更为符合老年人使用的习惯，也更加便捷，利于长时间的佩戴。

综上，可穿戴心率检测设备在技术上已经完全可以达到并实现所需功能要求。

3.2 监护报警系统设计

手环式心率检测远程报警手表通过以下技术方案来实现监护及报警功能：包括SIM 网络模块、心率传感器、GPS 模块、单片机、拨号控制模块、电池和声光报警模块，所述SIM 网络模块、所述心率传感器、所述GPS 模块、所述单片机、所述拨号控制模块、所述电池和所述声光报警模块均集成于可穿戴手环内，所述SIM 网络模块与所述单片机连接，所述心率传感器的信号输出端与所述单片机的信号输入端连接，所述GPS 模块的信号输出端与所述单片机的信号输入端连接，所述电池与所述单片机的电源端连接，所述拨号控制模块与所述单片机的控制输入端连接，所述单片机的报警信号输出端与所述声光报警模块连接。

SIM 网络模块用于电话功能，能够进行拨号和接电话。除此之外，SIM 网络模块也可以通过GPS 来进行地理位置与相关情况的实时语音播报，在拨号和接电话时可以自动语音播报地理位置信息和具体情况。

图1 结构原理框图

心率传感器用于监测佩戴者的心率，如果心率达到预设心率阈值（预设可人为设置，或按照年龄选择默认数值），则手表自动拨号给预设报警号码（或由声光报警模块鸣叫，也可同时兼备，可由拨号控制模块预设调节确认）。

GPS 模块用于监测佩戴者的位置，报警同时可发出佩戴者所在定位。

图2 信号传播框图

4 老年人社区照顾中的监测系统应用所需的社会支持

在本系统设计中，需要几个层面的配合协作。一是老人自身，需要配合坚持佩戴心电监测设备。坚持佩戴需要有前期的知识宣讲，并且需要习惯的养成，只有在心理上接受并了解了监测设备的重要性，才能帮助老年人逐渐养成坚持佩戴的习惯。二是老人家属或者社区责任部门需要支撑心电监测设备的购置与维护。监测设备虽然价值不高，但也是一项额外支出。对于有经济来源的老年人而言不存在较大的困难，但是对于无经济来源的老年人来说，就需要社区和社会组织给予一定的支持和帮助。三是社区医疗卫生机构，需要配备相应的监测信号接收软件或者监测人员（紧急联系人），并制定相应的紧急情况应对办法。这将对于社区医疗卫生机构的服务提出更高层次的要求，不仅需要掌握本社区独居老人的居住及健康情况，也需要对老人的身体状况，紧急情况应对措施，医疗急救的特殊需求等有更加详细的了解。同时，为了应对突发情况，社区医疗卫生机构还需要与当地的配出所有密切的联络，以备特殊情况下需要特殊支援。