2021年2月25日
褥疮多见于长期卧床不起或者坐轮椅的患者，是老年病人临床最常见的并发症之一，发病率高，病程发展迅速，难以治愈，治愈后极易复发。为避免长期人员因长时间保持同一坐姿而引发的各种问题，提升他们的护理体验，本文提出了一种基于压力垫的自动老人护理系统，压力垫里含着压力传感器，通过压力传感器可以收集坐轮椅的老人在垫子上的受力分布。通过数据分析手段学习规则，通过图像处理比较不同数据生成的坐垫等压图，判断坐姿变化情况，及时提醒老人活动，减少长期坐卧所产生的健康问题。
关键词：压力垫 压力传感器 受力分布 护理
近年来，随着中国经济的高速发展，人口老龄化问题已经逐渐凸显，逐步上升成为制约我国社会民生、经济发展的主要问题。据权威统计，2012 年底全国老龄（超 60 岁）人口已经达到 1.94 亿；2013 是中国的“养老元年”，因为这一年，中国老龄人口总数突破了 2 亿；预计 2025 年将达到 3 亿人；2050 年将到达 4.8 亿，也就是全国平均三个人中，就有一个老龄人。[1]
如今中国超过两亿的老年人，有一半是空巢老人，有三千多万是失能半失能老人。20 年后，中国将会出现 7 亿人口供养 6.7 亿老人的格局，同时“空巢”家庭比例将飙升至 70% 以上，养老问题将从单纯的家庭问题演变成复杂的社会问题。目前中国的养老方式，主要有机构养老、社区养老和居家养老等几种。其中“机构养老”意为入住养老院或类似公办的、民办的养老机构；“社区养老”是指由政府主导或政府支持社会组织开展的，为社区老年人提供公益或半公益的便民服务，例如日间照料、爱心送餐、陪伴就医、心理关怀等，让老人就近获得社区的养老服务；而老年人在家庭安度晚年的养老方式最为传统，这种方式就是居家养老。从比例来说，目前我国居家养老占到 90% 以上的比例，机构养老和社区养老目前覆盖能力尚不足 3% 和 7%。无论是何种养老方式，在提供给老人养老服务的同时，又都具有各自的缺点。例如，社区养老、机构养老可能存在着“一床难求”、费用高昂的问题；而居家养老的老人又可能会因独居、行动不便、护理不及时等原因引发心理与生理上的各种问题。
旧有的养老模式已不再适应形势发展，正面临严峻挑战。或者可以说，当代养老模式的实现，需要一套服务体系来提供预防和服务。这种体系，就是正在推行中的智能养老体系。
智能养老从无到有信息技术的发展，特别是物联网技术和移动通讯技术的发展，为养老体系重新焕发活力给予了巨大的支持。最近几年，很多地方在尝试通过信息技术和互联网来提高养老的服务能力，取得了不错的效果，智能养老的概念也就应运而生。智能养老是指利用互联网、云计算和物联网等先进技术，通过智能感知设备、互联网服务等手段，最大限度地实现老人的位置信息、生理健康指标、活动量等各类传感器和互联网、数据中心随时随地实时连接，让监护人 ( 子女或家人 )、服务机构和志愿工作者等，能远程自动实现对老人的安全看护、健康监测、精神关爱和生活服务等。可以看出，智能养老的实现离不开传感网、3G 移动通讯、云计算、WEB 服务、智能数据处理等 IT 手段的应用，也正是这些手段，将老人、政府、社区、医疗机构、医护人员等紧密联系起来。
本项目希望将智能养老的目标关注于限制行为能力的长期坐在轮椅的老人身上。褥疮多见于长期卧床不起或者坐轮椅的患者，是老年病人临床最常见的并发症之一，发病率高，病程发展迅速，难以治愈，治愈后极易复发。久治不愈的褥疮还易并发骨髓炎、败血症和低蛋白血症。这些并发症不仅使治疗更加困难，至因此而导致死亡，并且还会严重地影响生活质量。[2]
因此，本项目旨在开发一种基于压力垫的自动老人护理系统，压力垫里含着压力传感器，通过压力传感器可以收集坐在轮椅的老人在垫子上的受力分布。当这些受力分布情况传递到计算机端的自动老人护理系统后，可以通过数据分析手段来自动学习规则，例如通过压力数据生成的等压图在一定时间内均保持不变或极少变化，系统提醒老人或其看护人员，对老人进行及时挪动或活动，减少长期坐卧所产生的健康问题，比如褥疮。
本项目研究的课题是基于压力垫的自动老人护理系统，该系统工作流程如图1.2.1所示。因此，针对于本项目的研究内容主要在于三方面：1）了解压力垫的工作原理 2）将压力垫与计算机互连，实现压力数据传输 3）针对压力数据特点，开发一款自动老人护理预警软件。
图1.2.1 基于压力垫的自动老人护理预警系统流程
各研究内容的研究方案如下：
1）了解压力垫的工作原理
压力传感器是压力垫工作的核心，因此在实际展开研究之前，应当充分了解压力垫的工作原理，了解其如何感应压强。
2）将压力垫与计算机互连，实现压力数据传输及分析
本项目是基于物联网技术的自动老人护理系统，因此只有当压力垫的数据能够传输到计算机进行处理时，这套系统才能够发挥其作用。在了解压力垫工作原理之后，需要探究该压力垫怎样才能够与计算机互连，使计算机能够读取到压力垫获取的压力数据、压力分布等内容。
3）针对压力数据特点，开发一款自动老人护理预警软件
自动老人护理预警软件是本项目的核心，这款软件应当具有数据收集模块、数据处理模块和预警通知模块三大模块，当这些受力分布情况传递到计算机端的自动老人护理系统后，可以通过数据分析手段来自动学习规则，并将坐姿分为“坐直”“向后倾斜”“向左倾斜”“向右倾斜”四类，若通过压力数据生成的等压图在一定时间内均保持不变或极少变化，则说明老人长时间保持同一类型坐姿，超过一定时间阈值以后，系统提醒老人或其看护人员，对老人进行及时翻身或活动。
褥疮，是由于局部组织长期受压，发生持续缺血、缺氧、营养不良而致组织溃烂坏死。因此，只要避免长期坐卧人群长时间保持同一卧姿不动，就可以有效预防褥疮的产生。因此，本项目所提出的自动老人护理系统的实现需要使用到能够实时监测老人坐卧姿势对卧床平面的压力的智能压力垫。
图2.1.1 智能压力垫
这款智能压力垫由柔性材料制成，其中蕴含的压力传感器分别感应智能压力垫的多个位置受压产生的压力信息和压力变化变化信息；通过柔性电路板收集和传送所采集的压力信息和压力变化信息；对所述压力信息和压力变化信息进行处理分析。压力垫利用柔性电路板的柔性，容许压力垫可以随着压力的施加产生一定的弯曲，从而不影响智能压力垫的弯折性能；可实现智能地监测、分析、输出压力垫的每个点的压力变化情况，从而获取压力垫的使用者的习惯姿势、健康隐患等。
图2.2.1 压力垫反馈数据产生等压图和坐姿分析的matlab界面
由2.1节可知，智能压力垫可以实时地获取长期坐卧人员与压力垫之间的受力情况，在将压力垫与计算机相连之后，可以通过专用软件实时获取压力垫反馈的压力数据，生成立体等压图。
在该系统中，我们运用matlab绘制立体等压图，并且通过压力数据分析每个时刻的坐姿属于“1（坐直）”“2（向后倾斜）”“3（向左倾斜）”“4（向右倾斜）”哪一类型，并按照时间轴生成柱状图，界面中将展示该时间段内保持时间最长的坐姿状态的等压图，若长时间处于同一姿态，则出现提示信息“注意活动”。
通过对等压图的阅读我们可以清晰地推测出压力垫上坐卧人员的卧姿，压力点的数值越大，代表压强越大，该压力点如果长时间受到较大压强，则会造成该压力点对应的皮肤组织坏死，从而产生褥疮。
基于这个原理，我们可以设计出一套能够收集压力垫反馈数据并进行分析、预警的自动老人护理系统。该系统应当具有以下几大模块：
1）数据收集模块
该模块通过与压力垫相连，获取压力垫反馈的压力数据分布情况，并暂存于数据库中。
2）数据处理模块
该模块通过读取一段时间内数据库中暂存的压力数据分布情况，生成立体等压图，并且通过压力数据分析每个时刻的坐姿属于“1（坐直）”“2（向后倾斜）”“3（向左倾斜）”“4（向右倾斜）”[3]哪一类型，并按照时间轴生成柱状图，界面中将展示该时间段内保持时间最长的坐姿状态的等压图。
3）预警通知模块
该模块通过读取数据处理模块的处理结果，当老人坐姿超过一定时间没有变化时，则出现提示信息，提醒老人或相关护理人员对老人进行活动，避免褥疮生长。
本项目着眼于解决长期卧床老人长褥疮的这个养老问题，并利用物联网技术尝试给出解决方案。智能养老是指利用互联网、云计算和物联网等先进技术，通过智能感知设备、互联网服务等手段，最大限度地实现老人的位置信息、生理健康指标、活动量等各类传感器和互联网、数据中心随时随地实时连接，让监护人 ( 子女或家人 )、服务机构和志愿工作者等，能远程自动实现对老人的安全看护、健康监测、精神关爱和生活服务等。本项目适应了“智能养老”的潮流，具有一定的创新性。
在项目实现上，创新性地提出利用“压力垫”来实时监测长期坐轮椅人员与坐垫之间的受力情况及受力等压图，从而间接推断出卧床人员是否长时间保持同一姿势不动，受力等压图一定时间内变化较小或毫无变化时，能够发出警报提醒相关人员对坐轮椅人员进行活动操作，思路新颖。
[1]燕丽红.基于物联网的智能居家养老看护系统设计[J].自动化技术与应用,2019(3):160-163.
[2] 施新菊. 老年长期卧床褥疮患者的综合护理干预体会[J]. 临床医药文献杂志(电子版), 2016.
Wan, Q.; Zhao, H.; Li, J.; Xu, P. Hip Positioning and Sitting Posture Recognition Based on Human Sitting Pressure Image. Sensors 2021, 21, 426. https://doi.org/10.3390/s21020426
[4]李洪均,孙婉婷,周泽,李超波,张士兵.基于映射节点级联宽度学习的人体坐姿识别[J].南通大学学报(自然科学版),2020,19(03):28-33+89.
[5]裴嘉晖,薛哲彬,沈雷.针对颈椎疾病的坐姿监测及理疗内衣设计[J].上海纺织科技,2020,48(09):30-32.