王 洵，朱 偉，時粉周，王慶敏，王 偉，姚永杰

（海軍特色醫(yī)學中心，上海 200433）

0 引言

在日常工作中，有一些職業(yè)對人員的身體條件要求較高，在每次工作前都需要對身體情況做一個快速的檢查，以確認身體狀況是否符合工作要求。例如，現(xiàn)在高性能戰(zhàn)斗機對飛行人員身體情況提出了更高要求，飛行人員在飛行過程中必須保持最好的身體狀態(tài)，這就要求航空軍醫(yī)要把好飛行放飛關[1]。對醫(yī)生來說，面對短時集中的體檢任務，如何提高檢測效率以及方便管理大量的體檢數(shù)據(jù)尤為重要。目前，較多的類似任務多由醫(yī)生手工登記完成，沒有專門的信息采集和管理系統(tǒng)?，F(xiàn)在市售的監(jiān)護儀等產(chǎn)品可以實現(xiàn)體溫、脈搏和血壓等指標的自動檢測和記錄，但是缺乏問詢功能，而該功能是目前飛行人員飛行前體檢的關鍵內(nèi)容之一。為滿足這一體檢需求，本課題組研制了一種新型快速體檢設備，可以快速檢測基本生理信息（包括體溫、脈搏和血壓）、心理量表、心率變異性分析、閃光融合頻率等指標[2-4]，并依據(jù)檢測結果，結合被體檢人員日常體檢數(shù)據(jù)，對其身體狀況是否符合工作要求作出綜合評價。該設備的研制，集成實現(xiàn)了平時需監(jiān)護儀或單獨測量體溫、脈搏和血壓的儀器，以及心理量表、心率變異性分析、閃光融合頻率等日常需要單獨檢測設備才能完成的功能，并實現(xiàn)了問詢功能的電子化，為實現(xiàn)體檢的綜合評價提供了設備保障。

1 總體設計

1.1 設計原則

為提高體檢的效率，設計上采用主機管理體檢數(shù)據(jù)、多項生理指標通過體檢終端機并行檢測的手段。主機由體檢醫(yī)生操作，可進行數(shù)據(jù)的收集、整理和分析。終端機的設計考慮體檢者經(jīng)過簡單學習能夠自主操作進行體檢。體檢的各個項目可以分開執(zhí)行。

1.2 結構

該新型快速體檢設備的硬件部分由1臺主機、10個體檢終端、1個交換機等部分組成，軟件部分由體檢終端的交互式問詢系統(tǒng)和主機上的飛行員生理心理數(shù)據(jù)管理與分析軟件系統(tǒng)組成。體檢終端及其傳感器部分可單獨使用，體檢者采用交互式問答方式完成問卷調測，然后自行完成血壓、脈搏和體溫等指標檢查。

體檢儀整機基本結構如圖1所示。

圖1 整機基本結構示意圖

1.3 使用流程

從快速體檢設備的應用來分析，在有條件整體展開設備的環(huán)境，如會議室等，整套設備可以聯(lián)網(wǎng)操作使用。體檢醫(yī)生操作主機，體檢者操作終端機進行自主檢測，體檢數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡自動上傳至主機。在無條件整體展開設備的環(huán)境，如艦、船、艙室等分散小空間，設備可以不聯(lián)網(wǎng)分開操作使用，體檢數(shù)據(jù)暫存在終端機，體檢醫(yī)生到各個艙室通過U盤將終端機的體檢數(shù)據(jù)傳遞至主機。每次體檢，體檢醫(yī)生可以根據(jù)任務的不同指定體檢者完成不同的體檢項目。最后體檢醫(yī)生通過對主機中體檢數(shù)據(jù)進行對比分析，得出體檢結果。

2 主機軟件設計

2.1 軟件總體設計

主機系統(tǒng)軟件基于Windows操作系統(tǒng)，采用客戶機/服務器（Client/Server，C/S）架構，使用 SQL Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)底層，使用VS.net開發(fā)應用層，主要實現(xiàn)信息管理、硬件管理、生理心理數(shù)據(jù)分析和智能評價等功能。

2.2 信息管理設計

對新型快速體檢設備的功能需求進行分析后，得到了數(shù)據(jù)流圖，如圖2所示。各輸入數(shù)據(jù)通過輸入通道進入系統(tǒng)，整個數(shù)據(jù)具有變換流的特征。

圖2 數(shù)據(jù)流圖

軟件系統(tǒng)由用戶信息維護模塊、體檢信息管理模塊、實時查看管理模塊組成，每個模塊又有各自的數(shù)據(jù)流。分別對各個模塊進行分解：（1）體檢信息管理模塊。首先收集體檢者數(shù)據(jù)，然后錄入到系統(tǒng)中，保存生成記錄。體檢者信息保存到數(shù)據(jù)庫中以后，可根據(jù)這些信息進行相應的操作，例如查詢、統(tǒng)計、打印等。該模塊是系統(tǒng)的主要模塊。（2）實時查看模塊是通信協(xié)議中的一種數(shù)據(jù)類型，實時地檢測終端的工作狀態(tài)。實時數(shù)據(jù)屬于臨時數(shù)據(jù)，接收后如果有要求則顯示，否則丟棄。（3）用戶信息管理模塊實現(xiàn)了系統(tǒng)的登錄管理。用戶分為2種：管理員與普通用戶，他們的區(qū)別是普通用戶只能維護個人的基本信息，而管理員可以維護所有用戶的信息。通過分析數(shù)據(jù)流圖，可以看出模塊調用關系較為明確，在接收體檢終端傳來的體檢數(shù)據(jù)模塊里會調用通信協(xié)議，生成保存后的體檢數(shù)據(jù)[5]。

2.3 硬件管理設計

作為主機軟件，它可以對該設備的多個體檢終端進行集成化管理。在設備聯(lián)網(wǎng)使用狀態(tài)下，可以實時監(jiān)控終端的使用狀態(tài)，對終端體檢數(shù)據(jù)進行收集整理，并存入數(shù)據(jù)庫[5]。

2.4 生理心理數(shù)據(jù)的分析和智能評價

測完體溫、脈搏、血壓等指標后，需要及時對測試結果進行評價，輔助醫(yī)生決策。對體檢指標的綜合評價遵循以下原則：單指標參考被體檢人員歷史測試數(shù)據(jù)進行評價；綜合評價根據(jù)被體檢人員群體的整體測試指標數(shù)據(jù)，運用模糊判斷和定量分類相結合的方法進行分析，實現(xiàn)被體檢人員生理心理狀態(tài)的綜合評價。

基于反饋機制的動態(tài)評價是指對于被體檢人員群體，一般都經(jīng)過了篩選和針對性的訓練，其測試成績都比較接近，分布上滿足一定規(guī)律，即大部分的被體檢人員在各項指標的測試成績都集中在一個指標區(qū)間Ω內(nèi)。Ω是基于整個被體檢人員群體體檢測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值。對于被體檢人員的某個單項生理心理指標，在相對長的一個時間段內(nèi)測試的所有數(shù)據(jù)總體上看應當趨于一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)，即正常情況下的測試數(shù)據(jù)應當在某一個常值C附近波動。C的取值是基于相對長的一個時間段內(nèi)測試的所有數(shù)據(jù)的一個統(tǒng)計值?？梢?，指標區(qū)間Ω和常值C都是基于已有測試數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計值，由于體檢儀測試數(shù)據(jù)是不斷增加更新的，因而這2項指標也需要自動修正。

綜合評價體系的建立是一個動態(tài)的、不斷修正的過程。通過多人次的測試，建立測試成績庫D，按照統(tǒng)計原則建立初步的評價指標S。對新進行的測試結果T，按照S進行評價，得到評價結果R，同時將測試結果T存入D，并更新D和對評價指標S進行微調修正，該過程是一個不斷更新的進程。

3 終端機設計

3.1 終端機檢測指標確定

根據(jù)電子血壓計和電子體溫計等相關計量標準，確定了終端機的基本生理參數(shù)檢測范圍：（1）血壓0～260 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa），誤差±4 mmHg。（2）脈搏 30～250 次/min，誤差±1%。（3）體溫 30～43℃，低于35.3℃或高于41.0℃時誤差為±0.3℃，37.0～39.0℃時誤差為±0.1℃，其余為±0.2℃；重復性誤差≤0.2℃。

針對不同的特殊職業(yè)人群特點，需要相應身體狀況評價指標體系，本設備對特殊生理心理環(huán)境下從事高危作業(yè)的人群選擇了心理量表、心率變異性和閃光融合頻率等測試項目。上述3個測試項目的選擇是基于目前對疲勞檢測比較成熟的手段，每項檢測都有相應的檢測標準，在實際使用中還可以結合具體情況根據(jù)檢測群體的特點，針對具體的標準做出修正。體檢醫(yī)生可以通過主機綜合分析3個項目的測試數(shù)據(jù)，對疲勞情況做出判斷。

3.2 終端機外觀

終端機的外觀如圖3所示。體檢儀終端機的屏幕為觸摸式液晶顯示屏，屏幕上方設有4個閃光融合頻率測試燈，相對應在顯示屏下方設有4個功能按鈕，是閃光融合頻率測試按鍵，顯示屏下方左側設有開關和狀態(tài)指示燈；機器的左側端面設計有網(wǎng)絡接口、數(shù)據(jù)接口和電源接口；右側端面設計有血壓接口、體溫接口和心電接口。

圖3 終端機示意圖

3.3 終端機硬件設計

3.3.1 硬件總體設計

本研究采用以三星S3C2440為核心的嵌入式系統(tǒng)。外部模塊有體溫測量模塊、心電測量模塊、血壓測量模塊、單片機模塊。心電測量模塊和體溫測量模塊通過串口2與S3C2440相連，血壓測量模塊連接到串口3上。體檢終端機由核心板加擴展底板構成。

液晶屏選用 7 in（1 in=25.4 mm）TFT（thin film transistor）顯示屏，配套觸摸屏為右側出線4線電阻式觸摸屏。子模塊芯片可完成按鍵掃描檢測、LED燈的閃爍控制以及串口0到S3C2440的通信。電源管理模塊電路設計能夠實現(xiàn)開關機、電池電壓檢測以及充電的開啟與關斷等功能。

3.3.2 各測量模塊設計

血壓測量模塊與IC卡識別模塊共用串口3，用模擬開關進行切換，系統(tǒng)默認模擬開關切換到IC卡側，當?shù)卿浺院笄袚Q到血壓模塊。該模塊采用示波法進行血壓測量。示波法又稱為壓力振蕩法，其工作過程是先將袖帶充氣以阻斷動脈血流，然后在放氣過程中檢測袖帶內(nèi)的氣體壓力并提取微弱的脈搏波。

心電測量模塊主要負責心電信號的采集以及對心率變異性的分析，心電采集采用多參數(shù)模塊中心電采集技術。采集模塊通過串口2與核心板相連。串口采用光電進行隔離，電源部分采用耐壓6 000 V的電源隔離模塊進行隔離。

體溫測量模塊與串口1進行連接，通過接收核心板的控制命令進行體溫測試，測量完畢后，將測得的體溫數(shù)據(jù)傳遞給核心板進行處理。串口采用光電隔離，電源采用6 000 V的電源隔離模塊進行隔離。不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻加數(shù)據(jù)線直接連接的方式，該設備的體溫探頭采取電子體溫計加數(shù)據(jù)連接線的形式，可靠性高，操作方便。

閃光融合頻率的測量包括閃光融合臨界頻率和反應時。閃光融合臨界頻率測量時，開始4個燈以60 Hz的頻率閃爍，然后其中1個燈以每秒1 Hz遞減的速率進行閃爍，當測試者發(fā)現(xiàn)哪個燈閃爍時，按其相對應的按鍵，記錄此時的頻率。反應時測量時，開始4個燈同時以60 Hz閃爍，一段時間后，隨機一個燈以20 Hz的頻率閃爍，此時需要測試者按下相對應的按鍵，計算并記錄兩者間的時間差。

3.4 終端機軟件設計

3.4.1 終端軟件系統(tǒng)界面設計

登錄界面設有0~9數(shù)字鍵用于輸入證件號。登錄后進入主界面，顯示“一問三查”“拓展功能”“系統(tǒng)設置”以及“退出登錄”4個按鈕，最上方工具欄顯示證件號、時間、日期、電池電量以及網(wǎng)絡連接狀態(tài)。

進入“一問三查”界面，可以進行問詢，血壓及脈搏、體溫測量；進入“拓展功能”界面，可以進行心理、心率變異性、閃光融合頻率測試；進入“系統(tǒng)設置”界面，可以進行時間設置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)功能設定。

3.4.2 終端機拓展檢測功能

心理測評內(nèi)容包括疲勞主觀感覺自評量表和認知能力評定兩大部分。其中疲勞主觀感覺自評量表由美國國家宇航局任務負荷指數(shù)（National Aeronautics and Space Administration-Task load Index，NASATLX）評價量表和日本工業(yè)衛(wèi)生學會疲勞感覺調查表的測試內(nèi)容組成。NASA-TLX量表中多維腦力負荷評價包括心理需求、體力需求、時間需求、作業(yè)績效、努力程度、挫折水平等。黃楊森等[6]提到，采用NASATLX量表作為主觀腦力負荷水平的評價指標，能夠較為真實地反映女飛行學員在不同飛行條件下的腦力負荷狀態(tài)。疲勞感覺調查表由日本工業(yè)衛(wèi)生學會工業(yè)疲勞研究委員會編制，該表共30項，分成3類，每類10個項目。其中認知能力評定的內(nèi)容共分5個部分，包括計算能力、追蹤試驗、儀表判讀、蘭多爾特環(huán)測驗和特殊圖形辨認。

心率變異性是指逐次心跳間RR間期的微小漲落，是一種研究人體心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)功能調節(jié)能力的無創(chuàng)可靠方法[7]。心率變異性是測量應激水平的可靠指標，也可間接反映疲勞情況[8]。測試中采用時域分析法，選取5 min作為心電波形的記錄時長，計算選用相鄰竇性RR間期長度差異均方根（r-MSSD）、相鄰竇性RR間期的標準差（SDNN）和相鄰竇性RR間期大于50 ms的百分比（PNN50）等時域指標。

閃光融合頻率是指剛剛能夠引起閃光融合感覺刺激的最小頻率，也稱作閃光融合臨界頻率或閃爍臨界頻率，它表現(xiàn)了視覺系統(tǒng)分辨時間能力的極限，體現(xiàn)了人們辨別閃光能力的水平。檢測閃光融合頻率值的變化是判斷疲勞產(chǎn)生的方法之一[9]。疲勞前、后測量的閃光融合頻率差異顯著，且與疲勞呈高度顯著相關[10]。閃光融合頻率越高，表示大腦意識水準也越高。人體疲勞時，閃光融合頻率降低。目前，用視覺閃光融合臨界頻率檢測疲勞的應用較為廣泛，如對艇員長航耐力的評價、飛行人員的飛行疲勞檢測和擊劍運動員機能評定等研究。

4 試驗

針對該快速體檢設備，對血壓、脈搏和體溫等性能檢測精度在部隊認可的第三方實驗室進行了檢測，檢測結果符合指標要求。同時，還進行了環(huán)境適應性試驗，如作業(yè)環(huán)境溫度、儲存極限溫度、相對濕度耐受能力、抗鹽霧腐蝕能力、抗沖擊振動能力和電磁兼容性等。試驗中，組織10人同時操作體檢終端機，1名體檢醫(yī)生操作主機，在聯(lián)網(wǎng)和非聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下進行檢測。該設備可滿足10人同時獨立檢測，單人完成問詢及血壓、脈搏和體溫檢測可以控制在8 min內(nèi)，體檢醫(yī)生可以使用該設備有效組織和進行體檢任務。試驗結果證明了整體設計合理，符合研究的各項性能指標要求。

5 結語

本文研制的新型快速體驗設備的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在3個方面：一是通過對問詢情況，以及血壓、脈搏和體溫等指標測量功能的集成設計，實現(xiàn)了快速體檢設備的小型化；二是采用基于反饋機制的動態(tài)評價手段，方便體檢醫(yī)生對大量體檢數(shù)據(jù)進行分析；三是提出綜合對比分析心理量表、心率變異性和閃光融合頻率等測試數(shù)據(jù)，能更科學地確定體檢者的身體疲勞狀況。

通過對該新型快速體檢設備的試驗，證明采用文中所敘述的總體設計方案以及主機軟件和終端機設計方案，能夠實現(xiàn)一臺主機同時管理多臺終端機及多人同時采用體檢終端機自行操作，能有效輔助醫(yī)生快速了解體檢者的身體狀況，顯著提高了體檢效率。