面向老年人的语音家庭医生系统

面向老年人的语音交互式家庭医生系统提案

一、引言

近年来，随着社会老龄化的发展，独居老年人的数量迅速增加[1]。如果独居老年人身体残疾，他们每天待在家中的时间会更长，与人交谈的机会大大减少。此外，即使老年人患病，他们也可能犹豫是否前往医疗机构，这可能损害其健康。因此，对于独居老年人而言，有必要拥有一个能够与其交谈并管理健康的类似伴侣的存在。为解决这些问题，我们提出一种面向老年人的家庭医生系统，该系统采用语音交互代理，使老年人能够像与熟悉的伙伴一样进行自然对话，并实现日常健康管理及提供健康建议。该语音对话代理允许用户根据个人喜好选择自己喜爱的角色。为了便于根据用户偏好更换角色，我们采用了CG（计算机图形）角色系统。此外，由于新型冠状病毒感染（COVID‐19）近期广泛传播，日常医疗保健显得尤为重要。本次我们在系统中新增了可实时检测由新型冠状病毒肺炎（COVID‐19）引起的肺炎所致健康状况恶化功能。

II. 提议的系统

图1展示了本研究提出的面向老年人的语音交互式家庭医生系统。该系统实现了自然对话、提供日常生活信息、通过语音操作家用电器以及用户健康管理等功能。在该系统中，如图1所示，处理任务分布在Windows个人电脑和树莓派3B + （以下简称RPI）上进行。RPI负责自然对话功能（语音输入、自然对话和语音合成）、人体传感器检测，以及使用ECHONET Lite对各类家用电器进行远程控制。在Windows个人电脑端，则负责切换与用户交互的2D CG角色显示。PC端的角色显示采用由Live2D和FaceRig创建的GIF动画，而RPI端的处理程序使用Python编写。此外，树莓派配备了控制CG角色的功能，当连接到树莓派的人体传感器检测到300毫米范围内有人员时，CG角色会主动与其交谈。通过麦克风和扬声器实现与用户的语音输入和输出。为了在本系统中实现自然对话，我们采用Google语音API服务进行语音识别，用户本地聊天机器人API实现自然对话，以及Open‐J Talk进行语音合成。

Windows‐PC与树莓派之间的数据通信通过RS232C串行通信实现。树莓派负责该程序的主要处理，系统在需要的时刻由树莓派向Windows‐PC发送任意请求，从而切换2D CG角色的显示。该过程使用Visual Basic 2019开发。此外，系统配备了一种可穿戴健康管理设备，用于采集三种生物信息：脉搏波、经皮动脉血氧饱和度（以下简称SpO2）和体温。随后，我们构建了一个系统，该系统根据表1中所示的健康判断标准[3]‐[10]对健康状况进行判断，并由CG角色向用户提供语音建议。本文将该系统称为家庭医生系统。该系统具备检测功能。

A. 健康管理设备的开发

如图2所示，我们开发了两种新型医疗保健设备的原型：一种是脉率和SpO2采集型，另一种是体温采集型。两者均设计为可佩戴在手臂上的手环式。微控制器单元（MCU）采用ATmega328P，与Windows个人电脑的数据通信使用基于低功耗无线通信标准IEEE802.15.4的XBee模块。脉搏波和血氧饱和度信息通过GOHOU MAX30100传感器模块从指尖获取。体温则通过GOHOU制造的配备MLX90614红外温度传感器的模块板，非接触式地从人体腋下、额头、耳孔等部位获取。

B. 如何更改CG角色

使用Live2D和FaceRig创建了多个CG角色。图3显示了本次开发的CG角色选择界面应用程序的图像。预先准备了动物（狗和猫）、男性、女性、儿童等角色，以便用户可以在屏幕上选择自己喜爱的CG角色。关于声音，我们通过根据角色调整Open‐JTalk的语音合成参数，实现了自定义语音。我们还为每个CG角色准备了两种GIF动画：对话CG动画和待机CG动画。对话CG动画包含口型动作，而待机CG动画则是没有口型动作的CG。通过根据发声情况在这两种CG动画之间切换，实现了CG角色的口型动作。

III. 评估

A. 医疗设备测量精度的评估

通过将所开发的医疗保健设备与商用脉搏血氧仪（CB‐1 / 定制）和体温计（TO‐401 / 多立智）的测量值进行比较，开展了测量精度的评估实验。受试者为二十多岁的男性，通过在左手佩戴商用脉搏血氧仪（CB‐1），在右手佩戴所开发设备的模块，对SpO2和脉搏的测量方法进行了评估。

图4展示了使用所开发设备与商用产品（CB‐1）测得的SpO2和脉搏波的对比图。如图4（a）所示，所开发设备的SpO2值为97%，商用产品（CB‐1）为99%，差异为2%，结果基本一致。如图4（b）所示，在脉搏波测量的对比中，本设备获得的结果与商用产品（CB‐1）几乎相同。此外，如表II所示，与商用TO‐401对比，体温测量结果也相同。这证实了所开发设备获得了与商用产品相同的测量结果。

表II	体温测量结果
表II	体温测量结果
------	-------------
测量部位	开发设备（°C） / 商用设备（TO-401）（°C）
腋下	36.2 / 36.2
额头	36.5 / 36.5
耳孔	36.7 / 36.7

IV. 结论

本文提出了一种面向独居老人的语音交互式家庭医生系统，作为老年人日常可交流的伙伴，帮助他们每天管理健康。我们计划在未来开展示范实验。未来，我们希望将该系统发展为可支持多人使用。

该系统结合了语音交互代理、可穿戴健康管理设备与2D CG角色显示技术，实现了自然对话、健康监测、家电控制及个性化角色交互功能。特别地，系统引入了基于体温和SpO2变化对由新型冠状病毒感染引发的肺炎进行早期风险判断的机制，能够在用户出现潜在健康恶化时及时提供语音建议，如“请前往就医”或“有肺炎/感染风险，请进行检查”。这一功能在当前疫情背景下具有重要现实意义。

通过实验验证，所开发的健康管理设备在SpO2、脉搏波和体温测量方面均表现出与商用医疗设备高度一致的结果，证明其具备可靠的生理参数采集能力，可满足家庭日常健康监护需求。同时，系统的语音交互流程顺畅，CG角色切换灵活，提升了用户体验的亲和力与自然性。

综上所述，本研究所构建的语音交互式家庭医生系统不仅有助于提升独居老年人的健康管理效率，还能在一定程度上缓解医疗资源压力，具有良好的应用前景和社会价值。后续工作将聚焦于系统在真实居家环境中的长期运行测试，并进一步优化多用户识别与个性化服务机制。