智能家具助力老年健康

基于个性化智能室内单元的智能家居解决方案以促进老龄化社会的活动与个性化医疗

背景

世界’人口正在以前所未有的速度老龄化。老龄化社会是一场全球范围内的危机，包括德国和日本等发达国家以及中国等新兴经济体均面临这一问题。根据《2017年世界人口展望》修订版，全球老年人口（60岁及以上）的比例从1994年的9%上升到2017年的13%，并预计到2050年将达到21%（联合国 2017）。这一现象给全球医疗保健系统带来了巨大压力。例如，据预测，到2050年，欧盟的卫生支出将比同期仅180%的经济增长高出350%（Espinoza 2011）。经济与金融事务总局报告称，由于人口老龄化，长期护理（LTC）的提供尤其将对欧盟公共财政的可持续性构成日益严峻的挑战（Lipszyc等人。2012）。显然，许多与年龄相关的疾病是由缺乏身体、认知和社会活动所导致的。提高老年人的活动水平具有诸多益处，可以改善其独立性（McPhee等人。2016）。显然，迫切需要开发解决方案以应对这些挑战，同时也存在巨大的市场潜力。

在接下来的章节中，本文提出了一种基于智能家具的创新性智能家居解决方案，旨在促进老龄化社会中的活动参与和个性化医疗。在简要回顾最新研究进展的基础上，阐述了研究问题，并介绍了本研究开发所采用的方法。此外，还展示了智能家具开发的结果以及部署方案的概念。

相关工作与研究目标

近年来，由于老龄化社会、资源有限以及对生产力和效率持续增长的需求等社会挑战带来的压力，智能家具和智能家居的话题变得越来越热门。

已经证明，智能家具在一定程度上可以集成感知与干预功能（Linner等，2015）以及建筑技术的元素。在这方面，研究特别关注了智能椅子（Erdt等，2012）、智能浴室家具（Manoel等，2017）、智能厨房（Yan等，2007；Beetz等，2008）、智能家居工作空间（Linner等，2016）和智能床（Spillman等，2004；Van der Loos等，2003）的开发。上述家具方案的一个显著缺点是，大多数为独立设备，未集成到更大的框架中（即它们未与其他组件连接，也不构成一个更大分析框架的一部分，无法充分利用此类过程可能产生的大量信息），或无法对所处区域进行全面监测。另一个弱点是缺乏模块化以及系统提供的功能有限。

已提出若干智能感知解决方案，例如智能家庭（Kidd等人 1999）和机器人房间（Sato等人 2004）。它们都是实现智能环境的雄心勃勃的提案（即配备感知功能以采集大量数据、干预模块和机器人功能的建筑或房间）。上述所有示例均使用传感器网络用于智能机器人（Murakami等人 2008），并取得了积极成果。这些示例令人鼓舞，但同时又极为专业化，特别是由于高成本以及需要对环境架构进行根本性修改，难以将此类环境整合到普通家庭或家庭护理环境中。此外，由于未考虑模块化，这些系统的安装过程复杂且耗时。再者，由于这些系统并非高度专业化和统一，它们仅基于自身能力运行，无法在功能上相互补充，常常对相似方面进行两次或多次监测，导致高冗余和高成本。

将建筑转变为智能家居（Intille等 2006；Hsu 2012）、面向老年人的辅助环境（Wichert和 Mand 2017）或机器人环境（Sugano和 Shirai 20061996；Kurazume等 2017；Pyo等 2015）目前正处于学术界和工业界研究与开发的焦点。然而，许多尝试已将分布式感知和激励功能嵌入建成环境中，以支持对老年人更健康、更独立生活的监测与护理’（Intille 2002；Intille2004；Pyo等 2014；Sakamura 1996；Sato等 2004）。此外，尽管这些技术提供了诸多机遇，但其实际部署往往需要对实体建筑进行侵入性改造，并且在很大程度上受到其复杂性、所需时间和装备成本的限制。

因此，本文旨在通过提出一种方法论方法来解决上述不足，以开发一种模块化服务解决方案，将临床和护理环境转变为个性化感知、预防和干预系统，鼓励老年人通过身体和心理活跃来保持健康。

方法

基于个性化智能的智能家居解决方案开发

触点与引擎概念

在该项目中，开发了一种实验性的跨学科感知‐监测‐干预系统，可不显眼地安装于老年公民的各种护理场所和生活环境之中。该系统旨在：1）利用多种传感器检测特定的生命体征、行为模式和健康状况；2）预测未来的健康状况、风险或事件；以及3）预先提供一系列支持和促进身体活动的定制化健康产品和服务。因此，老年人的健康生命年数（HLY）将得以增加，其在长期护理机构中的停留时间也将减少（Bock2017）。为此，研究团队提出了“触点与引擎”概念，作为该项目系统架构的综合解决方案。该概念进一步指导项目各子系统之间的详细结构关系。基于“触点与引擎”概念，REACH的产品‐服务‐系统架构被划分为六个可管理的研发集群：四个触点集群（即每个专注于项目内特定主题的工作组，包括触点1：个人移动设备，触点2：主动环境，触点3：社交与营养监测/干预，以及触点4：游戏与训练系统），代表用户（例如老年人、护理人员、医生等）与REACH系统之间的有形连接；一个“引擎”集群，即作为项目大脑的基于云的数字平台；以及一个“接口”集群，包含一组允许触点及其他产品和服务与引擎交互的手段。每个集群均由来自项目联盟成员的专职且独立的研发团队负责（见图1）（Linner等 2017）。

确定设计需求

为了确保开发过程的成功，在设计过程开始之前进行需求分析至关重要。我们对目标用户（包括用户环境）以及与用户相关的实体进行了描述和分析。采用了多种方法来描述和分析REACH系统的这些关键组成部分，包括描述用例、定义人物角色、创建体验地图以及分析利益相关者（Schäpers et al. 2017）。随后，基于这些分析得出了四个触点的主要假设。例如，在触点2中，假设表述如下：基于配备传感系统的智能家具元件的REACH系统，能够帮助患者缩短住院时长，减少出院后功能衰退，降低再入院风险，并能够在减少专业护理人员支持的情况下完成日常生活活动（ADLs）。

智能家具的迭代开发

个性化智能室内单元(PI2U) 是一种特殊类型的智能家具，能够将所需的概念和功能无缝集成到不同的用例场景中。本文聚焦于项目团队在触点2（即项目中的“活跃环境”工作组）开发的一系列PI2U。相关PI2U包括PI2U‐SilverArc、PI2U‐MiniArc、PI2U‐SilverBed和PI{v32}U‐iStander。设计迭代是产品设计中的常见做法，根据以往研究（Ren等，2016），已被证明是高效且适用于原型开发的方法。因此，PI{v40}U的开发过程遵循硬件和软件层面的迭代设计原则，使项目团队能够通过原型制作、测试、分析和优化来改进产品（Cockburn，2008）。如图2所示，项目团队已完成相关PI{v51}U第一或第二代原型的开发和功能测试。下一代PI{v54}U目前正在开发中，未来将针对老年用户进行可用性和性能方面的测试。

结果

在以下章节中，报告了触点2中PI2Us的设计和原型迭代，并详细展示了基于PI2Us的功能测试活动的结果。

PI2U‐SilverArc

PI2U‐SilverArc专为大型厨房或用餐空间（例如社区厨房）使用而开发。它在厨房内设有一个交互式投影区域，可显示食谱和游戏。此外，它还配备了一个可折叠投影区域，用于显示训练程序（见图3）。圆形造型、木质材料和明亮色彩赋予PI2U‐SilverArc温暖且具有亲和力的外观。

PI2U‐SilverArc的初步设计不适合直接转化为原型。例如，原型的材料和最终产品差异很大。经过评估，决定采用迈泰克’的模块化铝型材系统来构建原型。迈泰克有限公司提供广泛的模块化型材、配件以及多种连接方式（http://www.maytec.com.de/）。通过使用铝型材方案，可在首次测试后快速进行简单修改。同时，为了降低成本，原型中的曲线结构被省略，因为它们主要起美观作用，对功能测试并非必要。然而，重要的是，在后续的迭代版本中应按照初步设计所提出的形状和材料进行制造，并针对老年人对PI2Us的可用性和性能进行测试。

为了使系统更便于老年人使用，项目团队开发了一种直观且用户友好的图形用户界面（GUI），该界面可应用于PI2U‐SilverArc和PI2U‐MiniArc。该图形用户界面（GUI）的主要功能包括但不限于时间、日历、天气、预约提醒、电子邮件、游戏中心和照片库（见图5）。根据不同的使用场景（如桌子、投影屏幕和墙壁），图形用户界面（GUI）的尺寸可进行调整。用户可以轻松地使用指尖作为鼠标来操作程序。

PI2U‐MiniArc

PI2U‐MiniArc 可以被视为 PI2U‐SilverArc 的一种灵活的小型变体，旨在协助住院或居住在较小公寓中的老年人进行训练和移动。该设备配备超短焦投影仪可根据需要将用户界面投影到其可折叠桌面上或单独的桌面上。此外，集成了一台动作感知摄像头（微软Kinect），用于检测用户的’手势，从而实现交互式游戏功能。设备顶部还配有另一台投影仪，可将补充信息投影到墙上。该原型配备了轮子，因此具有移动性。图6和图7分别展示了PI2U‐MiniArc的初步设计和最终原型版本。

PI2U‐SilverBed

如图8所示，PI2U‐SilverBed 的第一版设计类似于一张供私人使用的普通床。其特殊之处在于，一个弧形框架覆盖了整个床身，便于集成传感器和各类技术，例如用于呼吸检测的热成像相机以及投影仪。床的高度可调节：一方面，这一功能使护理人员能够根据自身身高在舒适的高度进行操作；另一方面，床的最低高度有助于将患者从床上转移到轮椅等其他功能设备上。该床可调节至坐姿和直立位置：坐姿有助于在床上完成进食等任务，为患者和护士提供支持；而直立位置特别适用于重症监护室（ICU）中的患者，帮助其实现从卧位到直立位的转换。通过站立架实现的被动站立，旨在改善呼吸功能和心血管健康，提高意识水平、功能独立性和心理幸福感，并降低谵妄风险以及长期不动带来的不良影响（Stiller 和 Phillips2003）。

为了使床系统适应每位患者’的需求，设计中集成了模块化对接系统。提供如厕所、物理训练、转移和移动性等附加功能的模块可对接在床架的不同位置，并且具有对称性和自导引特性。例如，使用腿弯举训练模块（见图8），患者可以俯卧，并用双腿将重量上下移动。肌肉训练对于完成日常任务的性能至关重要。

为了验证PI2U‐SilverBed的概念，使用上述铝型材系统规划并制造了一个原型。图9展示了所制造的PI2U‐SilverBed原型的最终设计。在对原型进行测试后，项目团队发现该版本存在一些缺陷，尽管在实验室测试期间其功能方面的大部分假设已得到满足。例如，体位调节机构的负载能力与专业医疗病床相比并不理想。此外，大量使用铝材料使其难以吸引老年人，尤其是在休息空间中使用时。

因此，项目团队修改了设计，采用了不同的方法：在Sara组合器周围配备一个基于木工的激活座舱。Sara组合器是由REACH合作伙伴Arjo开发的一种结合了椅子和倾斜床的功能设备，能够以舒适且安全的方式使行动不便患者实现坐姿、站姿或仰卧位的转换（McWilliams等，2017）。该激活驾驶舱是此版本PI2U‐SilverBed的另一个关键要素。它扩展了Sara组合器的功能，为行动不便的老年人提供了一个不仅可以睡眠，还能以积极方式度过白天的环境。通过这一新版本的PI2U‐SilverBed，体育锻炼与娱乐相结合，激励用户变得更加活跃。更重要的是，还可集成健康功能，如生命体征监测（后文将详细描述）和直接获取饮用水。此外，还可以包含与其他康复设备的对接功能，使用户能够在Sara组合器和PI2U‐iStander之间安全转移。该系统高度模块化，因此可以为每个个体量身定制特定的附加组件和插件，并以无限可能的组合形式集成到激活驾驶舱中。由于具有高度适应性，激活驾驶舱既适用于家庭也适用于医院使用（见图10）。

PI2U‐iStander和ActivLife游戏平台

The PI2U‐iStander由项目合作伙伴Alreh医疗开发，旨在激活日常活动水平下降的老年人的身体和心理活动。该设备用于预防老年人跌倒，并通过结合身体与认知训练有效支持认知过程（Kozak等，2017）。由于其灵活性以及尺寸与小型跑步机相当，该系统可轻松部署于客厅和卧室等空间（见图11）。该装置配备有助老年人站立并进行踝关节、膝盖和髋关节运动训练的装置。特殊束身衣和座椅可确保在通过抬腿锻炼背部和腹部肌肉时的安全性。同时，它还能让用户保持安全的直立站姿，并进行平衡训练。主要针对俯卧睡眠患者的频率监测（见图15）以及微移动监测，这两项功能均在实施中。此外，项目团队目前正在探索通过该传感器进行心率监测的可能性。

使用图像识别算法，热成像相机主要针对两个目标：1）在仰卧睡眠期间对鼻孔进行呼吸频率监测；2）身体眼部温度检测/监测（见图16）。在实验室首次实现这些模块时，结果表明：可通过鼻孔实现呼吸频率监测，且已实现体温监测（通过眼睛进行体温监测自然仅在患者入睡之前可行）。已实现的原型存在一个小限制：由于当前热成像相机的分辨率限制，仅能在距离患者面部约50厘米范围内监测这些因素’。因此，必须将热成像相机安装在距面部适当距离的位置，或更换为更高品质的热成像相机。

集成在PI2U‐MiniArc和PI2U‐SilverArc中的Kinect传感器用于通过识别用户的手部动作实现手势识别（见图17）。Kinect使用微软提供的标准库进行编程。由于Kinect库与其他操作系统不兼容，因此必须继续使用微软 Windows作为操作系统。Kinect手势识别的控制程序使用Visual Studio编写，并独立于图形用户界面（GUI）进行开发。此外，安装在PI2U‐MiniArc上的Kinect的软件开发工作已最终完成，包括可调节性，用于在两个不同距离（即站立桌面高度和坐姿桌面高度）识别手势。

此外，还计划为Alreh医疗设备实施一种活动感知系统（见图18）。该活动感知系统与Alreh医疗设备当前的游戏界面相融合，以实现与游戏的下肢交互。在首次试验中，实现了肌电图（EMG）传感器并进行了测试。肌电图是一种用于评估和记录肌肉产生的电活动的电诊断医学技术。该技术原计划作为腿部的控制器接口，使用户能够通过手势（例如，通过Kinect传感器）和腿部运动来操控训练或康复游戏。在实验室完成初步实现和功能测试后，结果表明，无论是通过直接皮肤接触还是通过衣物读取肌电信号，都会产生大量噪声。这可能会严重干扰与游戏化功能的接口。因此，决定考虑其他不同的活动与游戏化接口方法（例如，使用触摸传感器）。之后，此类输入可用于通过脚部手势来操控训练或康复游戏，从而进一步有利于研究的早期检测、监测和激活方面。

因此，开发了这种起立计数传感器以部分替代上述肌电图传感器。该起立计数传感器设计并实现为“电池供电”和“即插即用”模式，并以特定方式安装在Alreh医疗设备上，从而不会影响该设备的临床认证（见图19）。该传感器可记录“起立”事件的次数，并通过Wi‐Fi将计数值传输至本地服务器。此外，该传感器在设计时特别考虑了其超低功耗特性，采用内置电池供电，无需充电即可连续运行三个月以上。

使用PI2Us的主要感知、监测和分析活动

如前几节所述，一系列 PI2U 在触点2中开发。PI2U 原型已在实验室制造、部署并用于主要的感知、监测和分析活动（见图13）。这些活动的功能测试结果如下所示，清楚地展示了由于模块化和可定制性，各种传感器和功能如何集成到 PI2U 中。

心电图（ECG）传感器2嵌入在PI’U‐SilverBed中，可为医护人员提供患者在睡眠期间的心脏活动数据。此外，这一方面可支持研究的早期检测需求。图14展示了PI2U‐SilverBed上的传感器集成情况，其中第二幅图像（图14中）显示了可使用的ECG测量信号。为了实现此类传感器，采用了柔性塑料材料以提高患者舒适度和测量效果（图14右）。该ECG实现使用两个电极来产生更准确的ECG信号（Pehr等，2019）。

在考虑行动不便患者护理时，一个重要问题是压疮或褥疮的预防与管理。为了在PI2U‐SilverBed中实现研究的早期检测与预防功能，决定集成一种压力感应床垫。该床垫可监测躺在床上的人体峰值压力点。利用这些数据，引擎能够监控峰值压力点，并在患者形成压疮之前通知护理人员调整患者体位。

快速实施解决方案

如前一节所述，在触点2材料中开发的PI2Us将项目概念和功能无缝地融入到不同的用例场景中。基于触点2以及所有其他触点的当前成果，项目团队提出了一种模块化智能家居解决方案，即全房间辅助护理套件（TRACK）概念，该概念整合了REACH中的所有PI2Us和关键技术，为老年用户创建完整的室内生活与护理环境。由于其模块化特性，TRACK的选定部分可以轻松适应并在欧洲及更广泛地区的不同用例场景中快速部署，从而帮助项目开展一系列测试活动。TRACK概念的提出及其在REACH项目一个用例场景中的示范性部署如下所述。

TRACK概念的应用

通过实施无障碍设计原则，TRACK概念可以轻松地适应并部署到各种生活空间中，例如社区厨房、活动房间和病房，涵盖了老年人的大部分生活场景。在这些生活空间中，触点1的康复设备、触点2的智能家具、触点3的社会化营养解决方案以及触点4的游戏/训练设备无缝集成，为用户创造了REACH平台的全面体验（见图20）。

社区厨房

社区厨房是最重要的日常活动之一——烹饪与用餐的关键场所。它为技术提供了一个理想的应用空间，特别是来自触点3（即“社交与营养监测）干预”项目的工作组）。社区厨房的老年用户可在先进技术支持下共同烹饪和用餐。如图21所示，PI2U‐SilverArc（或替代方案PI2U‐MiniArc）将投射出一个交互式烹饪桌，使老年人能够以智能且互动的方式进行烹饪。此外，鼓励在厨房中的老年人使用一系列智能手机应用程序。另外，由Biozoon开发的健康定制食品（Michail 2016）可提供给使用该厨房的老年人。因此，老年人有望因使用社区厨房而在社交活动性和营养健康方面得到提升。

活动室

该研究的主要目标之一是鼓励老年人增加锻炼水平。因此，活动室为老年人提供了灵活的空间，使其在身体和心理上更加活跃。在该房间中，将实施ActivLife游戏平台和Alreh医疗开发的PI2U‐iStander训练设备、PI2U‐MiniArc（包括桌面模式和移动模式）以及Playware Moto Tiles（Liu等，2019），为老年人提供一个活跃环境，以改善其身心健康（见图22）。

病房

在病房中，老年人可以使用PI2U‐MiniArc独立生活、锻炼并进行认知游戏。同时，当患者躺在PI2U‐SilverBed上休息时，床铺可通过热成像相机监测使用者的体温和呼吸频率，通过压力床垫测量身体压力，并利用床上的心电图传感器监测心电数据（见图23）。

图24显示了一种病房的变体，其中PI2U‐SilverBed升至垂直位置，帮助用户轻松站立并转移到PI2U‐iStander中，无论是否有护理人员协助。PI2U‐iStander既可作为站立训练的训练设备，也可作为移动性设备，帮助用户轻松移动到其他区域（例如浴室、厨房、活动房间等）。

用例场景中的定制化实施

本节将介绍一个实例，以展示如何应用TRACK概念快速实施PI2作为现有建筑环境中的定制化智能家居解决方案。上述TRACK概念在丹麦灵比丹麦技术大学（DTU）举行的2019年积极健康老龄化会议的展览环节中发挥了重要作用，该会议是REACH项目中的一个用例场景（Andersen和Ehrari 2019）。REACH项目中开发的技术在展览中心展出，同时还有来自丹麦及以外地区的众多医疗技术开发者、供应商和服务提供商，共同在DTU的奥蒂康大厅展示他们的解决方案。基于TRACK概念，项目团队提出了一个集成式双房间解决方案，分别代表社区护理环境和医院护理环境。该方案提交至DTU管理部门进行消防安全审查，并在少量修改后获得批准。展览分为两个主要部分：1）社区护理环境，以及2）医院与康复护理环境。详细的展览与演示计划如下所示（见图25），以及在这两个场景中展示的各种技术列表（见表1）。

由于应用了TRACK概念，项目团队得以在展览前一天搭建好两个护理环境及相关PI2Us没有任何障碍。在展览当天，所列技术向参观者（包括但不限于当地老年居民、学者、欧盟官员和企业家）进行了展示（见图26）。总体而言，展览获得了参观者和顶级研究人员的积极反响和反馈，进一步验证了本研究中提出的概念的有效性。在此过程中获得的经验可用于在其他情境中进行类似的应用，并在下一开发阶段中进一步优化和完善相关技术。因此，此次展览可被视为基于PI2U的TRACK概念定制化与材料化的成功应用之一。

编号	环境	REACH 展览中的技术
1	社区/家庭护理环境	面向老年人的 ActivLife 康复设备，Alreh医疗
2		MiranaBot，日内瓦大学医院
3		Moto Tiles，丹麦技术大学
4		HealthyTogether 应用，埃因霍温理工大学
5		个性化与3D食物打印机，Biozoon
6		活动追踪器展示，哥本哈根大学
7	医院/专业护理环境	REACH引擎中的CARP平台，技术大学的 慕尼黑
8		PI2U‐MiniArc，慕尼黑工业大学
9		PI2U‐SilverBed（压力映射），慕尼黑工业大学 慕尼黑
10		PI2U‐SilverBed（Sara组合器），Technical University of Munich+ Arjo
11		活动识别演示，弗劳恩霍夫IAIS
12		REACH内的标准化 , Deutsches Institut für Normung
13		医疗级可穿戴设备演示，SmartCardia

讨论与结论

根据当前的研究和开发成果，可以应用若干见解来进一步改进PI2U原型，最终将其推向市场。

首先，在未来原型的设计迭代中，工作重点将集中在与老年人共同提升PI2Us的用户体验上。为了满足老年人的真实需求，将采用诸如说服原则可应用于这一过程（Valk等，2017）。此外，PI2Us的美学需在形状和材料方面加以改进，以吸引老年用户。同时，需要开展涉及老年测试个体的试点研究来实现这一目标。

其次，设备在响应性、耐久性和可扩展性方面的性能需要进一步精细调整。这一步骤对于确保原型在进入市场时具有竞争力至关重要。

第三，需要对在不同护理环境（例如家庭、医院、护理院）中应用的PI2Us组合解决方案进行多种成本效益分析（CBA），以验证所提出方案的市场可行性，并说服潜在用户和投资者。关于PI2Us的CBA的详细见解将在后续研究论文中披露。

总之，本文报告了研究的整体方法。特别是，详细描述了个性化智能室内单元PI2Us及其原型的开发过程。同时，报告了使用PI2U原型进行的主要测试、感知、监测和分析活动。基于对PI2Us的功能验证，提出了一个综合性的TRACK概念，该概念整合了REACH项目中所有相关的PI2Us和技术，之后可针对各种用例场景（例如家庭护理、护理院、社区厨房、老年活动中心、医院等）进行定制。该概念在丹麦灵比举行的2019年积极健康老龄化会议的展览环节成功实施，并利用展览反馈进一步优化了系统。上述在实验室进行的功能测试主要由年轻健康个体完成。本研究产生的知识和经验将为利用智能家具设计和实施智能家居解决方案以促进老龄化社会中老年人的健康和生活质量提供有价值的参考。