智慧家庭技術與應用--老年癌症存活者照護與創新情境式智慧節能

輔具之友 36. 31. 智慧家庭技術與應用-老年癌症存活者照護與創新情境式智慧節能. 國立台灣大學資訊工程系教授1、國立政治大學資訊科學系助理教授2. Intel-台大創新研究中心助理研究員3、國立台灣大學資訊工程系研究助理4. 傅立成1、廖峻鋒2、吳兆麟3、陳雅虹4. 力，因此如何運用智慧家庭科技提升癌. 症存活老人生活品質實為台灣在本世紀. 所要面臨最重要的課題。又例如近年來. 反核意識高漲、未來將進入高電價的時. 代，因此對一般智慧家庭居住者來說，. 如何兼顧足夠舒適的前提下，也能透過. 智慧調控的方式來節省家庭電力的消耗. 也是近年來另一十分受到關切的議題。. 本文主旨即在於簡介我們近年來針對上. 述二項議題之研究成果與應用。. 貳、促進老年癌症存活者. 優質生活的照護環境. 在台灣，隨著高齡化與生活型態改. 變等因素，癌症已蟬聯十大死亡原因第. 一名，長達28年。不僅罹患癌症的人數. 增加、存活期變長，更有超過一半以上. 壹、前言. 科技的目的是提升人類的生活品. 質，近年來資通訊技術已經成為現代生. 活不可缺的一部份，許多新穎的資通訊. 如：嵌入式系統、資訊家電、家電控制. 網路等已為人類生活帶來各式各樣的嶄. 新應用，而人與電腦的互動也不再限制. 於螢幕、鍵盤與滑鼠，而是整個環境。. 智慧家庭的概念正是基於此一想法，提. 供居住者更好的生活品質。近年來隨著. 智慧家庭技術的日漸成熟，產學研的主. 要研究方向也漸從智慧家庭基礎建設轉. 向研發因應重要社會議題的特定領域應. 用服務。隨著我國經濟發展迅速，生活. 與教育水準提升，醫療保健普及，國民. 平均壽命延長，但老年癌症存活者仍須. 面對疾病本身和治療所帶來的不適和壓. 36實務應用單元. 32. 的存活者是老年患者。儘管醫療科技已. 大幅躍進，癌症治癒率與存活率已較過. 去大幅提升，但癌症存活率的提升並不. 保證其能回復原有的生活品質。除了一. 般老化變化外，癌症與其治療所帶來的. 生理不適，身體心像改變及對復發的恐. 懼和焦慮，不但影響老年癌症存活者的. 生活品質，更會威脅其人際互動。. 有鑑於此，我們建構了一個友善的. 居家長期照護環境，藉以正確、即時地. 將醫師所需要的資訊進行搜集，並研發. 非侵入式的感測器及相關活動辨識演算. 法，藉由所搜集的資訊，進一步解析而. 得出健康警戒情境（HAC），提供給. 醫護人員作為判斷治療計畫無效的早期. 症狀的參考[1,2]。癌症及其治療所導致. 活動功能障礙，常引發生活品質下降。. 治療完成後亦有高比例老年癌症存活者. 的身體活動功能降低，因此，我們將藉. 由非侵入式的感測器及相關活動辨識演. 算法，搜集、記錄並分析老年癌症存活. 者的身體活動，來鼓勵或協助其進行安. 全的活動與運動，藉以減輕癌性疲憊，. 增加心肺功能、肌耐力來維持日常生活. 機能，並減少過度臥床、不活動的發生. 率。. . （a）（b）（c）. 圖1 藍芽訊號發射節點、荷重元與藍芽握力偵測球. 為求得到病人的一天的活動資訊，. 感測平台是不可或缺的，為求達到「無. 接縫」的觀測病人生活目標，我們搭配. 「環境感測器」與「可攜式感測器」. 來觀測病人的一天生活，其中居家活動. 是最具生活代表性的室內活動，因為其. 包含了睡覺、飲食、如廁頻率等重要資. 訊。我們建造了一個智慧家庭環境，並. 將下列感測器佈建於此：藍芽訊號發射. 節點、荷重元、電流感測器、藍芽握力. 偵測球。藍芽訊號發射節點（圖1a）：. 安裝於位於室內的每個房間中，發出的. 藍芽訊號源，讓系統能根據手錶接收到. 的訊號強度與分布情形來推算使用者所. 在的房間。荷重元（Load Cell）（圖. 1b）是一種重量感測器，佈建於被照. 護者四個床腳下，被照護者躺在床上. 睡眠時，感測平台會蒐集其體重變化. 以及分析睡眠品質。藍芽握力偵測球. （圖1c）：內建空氣壓力感測器與三軸. 輔具之友 36. 33. 加速度計，被照護者只要握住藍芽球，. 感測平台即可蒐集其握力值。另一類活. 動即為室外活動，為人身體活動最頻繁. 的時候，也因此是評估生理狀態的關鍵. 時刻，考量輕便性，我們選用了智慧型. 手錶與手機。智慧型手錶主要利用其內. 部的三軸加速度來估測病人的肢體活動. 程度，並推算其一天的總卡路里消耗、. 走路速度，並利用接收到的房間藍芽訊. 號來判別被照護者位置。此外我們也利. 用其內部三軸加速度來判斷使用者的腿. 部的行為，進而推算走路速度，手機也. 作為資訊呈現的平台與手錶對外的閘道. （Gateway），將資料藉由手機以3G訊. 號轉發至資料庫，以利後續分析。. 生活韻律（Living Rhythm）與虛弱. 指標（Frailty Indicator）是健康的重要. 指標，藉由兩者的綜合評估，我們可以. 提早察覺病人身體健康的變化，並透過. 長期的記錄病人的健康狀態，讓醫生能. 獲得更精準的病人狀況，進而調配適合. 的醫療方針。因此，我們所設計的「智. 慧情境推論系統」乃藉由病人的「生活. 韻律」與「虛弱變化」來分析病人的健. 康狀態，以生活韻律的偏離程度，來作. 為虛弱下降的警戒等級，並綜合為一個. 分數，作為健康狀況情境的依據。「虛. 弱特徵」與「生活規律特徵」的特徵擷. 取，虛弱特徵主要由五個子指標決定，. 分別是能量消耗、握力、體重變化、. 走路速度及自我疲憊。「活動韻律」. （Activity Rhythm）則是以不同的房間. 位置作為不同的特徵向量區分，不同的. 房間代表著不同的功能性，如廚房可能. 與飲食相關的活動，客廳大多為休閒活. 動等，藉以區分不同的性質的活動規. 律。第二部份是生活規律評估，分別對. 不同房間的活動韻律與單一的睡眠韻律. 建立一個Support Vector Data Description. （SVDD）模型，在目標資料周圍建立. 一個最佳的封閉超球體，球體以內的特. 徵向量定義為正常，以外則為異常，. 藉以觀察病人與平常生活規律地偏離情. 況。接著利用特徵向量與超球體邊界的. 距離，得出偏離等級。第三部份是健康. 狀況評估，綜合「生活規律偏差程度」. 與「虛弱下降幅度」算出整體的健康警. 戒分數，目的在於藉由生活規律偏差程. 度來放大或縮小虛弱的下降幅度，讓醫. 護人員得以看出漸進且細微的虛弱變. 化，藉由生活規律偏差程度來決定此時. 虛弱下降程度的重視程度。最後，我們. 藉由「健康資訊管理介面」，記錄病人. 長期健康警戒分數、虛弱指數、臥床時. 間等，畫出相對應的折線圖、長條圖與. 圓餅圖，以利醫生評估歷史變化。結合. 上述生理韻律（Circadian Rhythm）資. 訊，我們可據以建立HAC（Health Alert. Context）模型。系統的架構如圖 2所. 示。. 36實務應用單元. 34. 圖 2 系統架構圖. 人一天的活動可以看作一個類似於. 餘弦函數（Cosine function）的曲線：. 日出而作日落而息，因此對於一天活. 動的強度分布圖，系統透過餘弦分析. （Cosinor Analysis） [3]，以最小平方. 法（Least Squares Method）去尋找最接. 近強度分布圖的餘弦函式，並擷取生理. 韻律相關的情境資訊。健康的韻律反映. 在活動強度上時，通常代表的較為寬廣. 的值域。相反的，擾亂的生理韻律，反. 映於活動強度上時，則值域一直保持在. 較低的值。藉由每日健康問卷來對這些. 情境資訊進行標記，便可藉由訓練資料. 建立出一個生理韻律的警戒模型，當任. 何異常的生理韻律發生，便能及時偵測. 並評估嚴重性，進而通知照護者與醫生. 做進一步的介入幫助。. 參、創新情境式智慧節能. 近年來，生活中的基本消費油電價. 因為能源成本的上升而不斷調漲，因而. 讓各項有關節能的科技獲得廣大的關. 注。根據經濟部能源局能源統計月報. 的分析，台灣在住宅及服務業的用電佔. 總體電源消耗比率約38%（其中住宅及. 服務業約各佔一半），僅次於工業用電. （約佔51%）。而在居家用電比例上，. 內政部建研所統計一般傳統公寓使用在. 照明及空調上的用電即佔52%以上。因. 此，如何有效運用資通訊技術（ICT）. 發展智慧家庭的技術應用，以針對住家. 進行照明及空調的節能調控，成為目前. 節能省碳上之重要課題。. 而在智慧家庭的資通訊技術方. 面，物聯網隨著M2M （machine-to-. machine）技術的成熟而興起，可將感. 測器、電動車到電冰箱等家電相互連. 結，並即時將環境資訊及用電資訊傳送. 回智慧家庭系統。再伴隨人工智慧相關. 技術之快速發展，上述資訊可應用於情. 境感知以偵測使用者行為，並因應做出. 最佳判斷來調控智慧家庭的照明與空. 調，達到「創新情境式智慧節能」。此. 項智慧家庭技術應用已初步由Intel-台. 大創新研究中心的研究計畫M-CHESS. （M2M-based Context-aware Home. Energy System）所實現[4]。該中心是. 由Intel與臺灣大學在科技部的協助下，. 攜手在臺大校園內設立之研究中心。而. M-CHESS乃是基於M2M基礎設施上來. 優化情境感知的節能策略，並在單一甚. 至是多使用者的環境下能同時兼顧其舒. 適度的要求。. 相較於大部份智慧家庭節能方案往. 往忽略生活中人的行為在節能情境中所. 扮演的角色，M-CHESS以「人」為中. 輔具之友 36. 35. 圖3 M-CHESS系統架構. 心判斷情境資訊（主要指使用者的過去. 與現在活動的相關資訊），並透過此資. 訊評估使用者的舒適程度，進而判斷使. 用者目前的生活行為是否有用電浪費的. 狀況發生。例如，當一位使用者在客廳. 看電視時，系統可以檢查使用者是否有. 忘記關閉與看電視無關的電器，像是家. 中目前無人使用的房間是否有使用者先. 前開啟的電燈或電扇忘記關閉。此外，. 坐在客廳看電視時不需要太強的空調，. 以免著涼或是浪費能源；但若是使用者. 在打掃客廳，則因為處於活動量較高的. 狀態，便需要較強的空調以保持舒適的. 狀態。為充分考量「人」的感受與相關. 情境之因素，M-CHESS利用M2M技術. 搭配軟體整合平台來建構系統底層的. 基礎建設，而在透過此基礎建設收集. 環境與人的相關資訊傳送至上層後，. M-CHESS發展了三個核心推論引擎以. 人工智慧或機器學習等技術來辨識人員. 活動並學習其用電喜好，同時評估人員. 舒適程度後，彙整相關資訊來產生節能. 策略，以作為智慧家庭的節能操控依. 據，如圖3所示。. 其中，能源敏感的情境推論引擎. （Energy-Responsive Context Inference. Engine，ERCIE），主要負責產出「能. 源敏感的情境資訊」，其乃是透過機器. 學習所習得之某個特定情境與其相關電. 器的關連資訊，也就是強調情境資訊與. 能源使用的關係。例如在「看電視」此. 情境中，可找出客廳的電視和燈具是屬. 於明確的用電消耗類型（explicit power. consumption），亦即「直接相關」的. 電器；而冷氣與熱水器則可能被歸類為. 「看電視」此情境中隱含式的用電消耗. 36實務應用單元. 36. 類型（implicit power consumption），. 亦即在「看電視」此情境中「非直接相. 關且背景使用中」的電器。使用者舒適. 度評量引擎（User Comfort Evaluation. Engine，UCEE）藉由綜合參考既有之. 標準化舒適度指標，UCEE建立可量化. 且更全面的「使用者舒適度模型」。目. 前UCEE以環境的Predicted Mean Vote. （P M V）來評量使用者的體感舒適. 度，並採用Chinese National Standard. （CNS）的標準來衡量使用者對照明的. 舒適度。. 肆、結語. 在本文中，我們簡介了二個智慧家. 庭相關的創新應用技術。首先我們介紹. 了一個可用於促進老年癌症存活者優質. 生活的家庭照護環境，藉由訓練資料建. 立出一個生理韻律的警戒模型，當任何. 異常的生理韻律發生，便能及時偵測並. 評估嚴重性，進而通知照護者與醫生做. 進一步的介入幫助。其次也介紹一個創. 新的情境感知式智慧節能系統，可在考. 慮家中活動人數、種類與兼顧舒適的前. 提下進行智慧節能調控，能根據「能源. 敏感的情境資訊」和全面的「使用者舒. 適度模型」來產生最佳的節能策略或服. 務。除了可以提供更細緻的節能策略，. 也能提高服務可接受性，藉此提升節能. 服務的品質。. 致謝. 本文內容相關研究係接受Intel-臺大. 創新研究中心NTU-ICRP-104R7501與科. 技部103-2911-I-002-001及103-2627-E-. 002 -001計畫經費補助之產出。. 參考文獻. 1. L.-R. Hou, K.-L.Huang, S.-F.Lee, C.-F. 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