郅伏利，于 紅，劉 穎，黃云鋒

(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京康復(fù)醫(yī)院勞模健康管理中心，北京 100010)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，對生活質(zhì)量的要求也越來越高。但是，處于亞健康的人們也越來越多?，F(xiàn)代日常生活的節(jié)奏明顯加快，醫(yī)院傳統(tǒng)意義上的體檢業(yè)務(wù)存在工作效率低下的問題，需要利用進(jìn)行數(shù)字化改革[1-3]，從而提高醫(yī)院的業(yè)務(wù)處理效率。這也是未來醫(yī)院信息化發(fā)展的方向。

相比國外醫(yī)院的人體生理參數(shù)采集系統(tǒng)[4-5]，我國健康體檢起步較晚。陸燕琴等[6]提出了一種基于.NET的軍衛(wèi)體檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用C/S三層架構(gòu)+抽象工廠模式，可維護(hù)性較強(qiáng)。但是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒有涉及任何嵌入式硬件方面的工作，因此工作效率提升有限。陳建福等[7]使用C#語言編寫了臨床體檢信息管理系統(tǒng)，降低了醫(yī)院的體檢業(yè)務(wù)成本支出。但是該系統(tǒng)在體檢結(jié)果的診斷上沒有作出優(yōu)化，導(dǎo)致存在一定的誤判情況。由于ARM Cortex系列平臺具有功耗低、便攜性和成本低等優(yōu)勢，何秀強(qiáng)等[8]提出了一種基于先進(jìn)微處理器(advanced RISC machines，ARM)的運(yùn)動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，為人體健康監(jiān)測系統(tǒng)的研究提供了思路。

因此，在上述研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一個基于ARM平臺的醫(yī)院數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)。該方法利用Cortex-A8開發(fā)板采集并傳輸體溫、心電和血氧等體檢常用生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，在服務(wù)器中結(jié)合模糊推理模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，完成體檢結(jié)果的決策判斷。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的體檢數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)選用ARM公司的低成本、低功耗ARM芯片[9]開發(fā)板主控制模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

主控制模塊采用Cortex-A8系列的TQ210，負(fù)責(zé)對各個采集子模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。身份信息采集模塊采用了常用的13.56 MHz頻率非接觸式卡片，實(shí)現(xiàn)5 cm范圍內(nèi)的卡片信息讀取，并通過Cortex-A8開發(fā)板上的I/O接口[10]進(jìn)行通信。從圖1中可以看出，該系統(tǒng)共有5個采集子模塊：心電(electrocardiogram,ECG)采集模塊、體溫采集模塊、血氧飽和度采集模塊、體重采集模塊和身份信息采集模塊。此外，為了實(shí)現(xiàn)與客戶端進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊使用了均支持TCP/IP 協(xié)議的兩種模式：①可以實(shí)現(xiàn)WiFi功能的HLK-RM04網(wǎng)卡；②可以實(shí)現(xiàn)有線以太網(wǎng)功能的DM9000網(wǎng)卡。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控制核心板電源適配器的頻率為50/60 Hz，通過保險絲對100～240 V的輸入電壓進(jìn)行過壓保護(hù)。電源保護(hù)電路如圖2所示。

圖2 電源保護(hù)電路

圖2中，WiFi 模塊的輸入電壓為5 V。由于各個子采集模塊的輸入電壓為3.3 V，因此需要5 V轉(zhuǎn)3.3 V。電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路

2.2 心電采集模塊電路的設(shè)計(jì)

心電采集模塊的原理框圖和電路圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 心電采集模塊原理框圖

圖5 心電采集模塊電路

心電采集模塊的主要元件為ADS1293 芯片，負(fù)責(zé)通過串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)將低頻雙極性生物信號(0.05～150 Hz)發(fā)送到Cortex-A8主控制模塊[11]。電路內(nèi)置 RFI 濾波器，電流為0.17 m A，電壓為2.0～3.5 V。

2.3 體溫采集模塊電路的設(shè)計(jì)

體溫采集模塊采用了精度為0.5 ℃的90615紅外溫度傳感器，檢測距離為1～2 cm，并通過Cortex-A8開發(fā)板的通用型輸入/輸出(general-purpose input output,GPIO)接口進(jìn)行通信，具體采用了I2C總線模擬方式。

體溫采集模塊電路如圖6所示。

圖6 體溫采集模塊電路

圖6中：SDA負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號傳輸，SCL負(fù)責(zé)時鐘信號同步。體溫采集模塊的溫度測量范圍為-40～+85 ℃。90615傳感器的絕對溫度輸出需要轉(zhuǎn)換為常用單位，具體方法為：

To=R×0.02-273.15

(1)

式中：R為絕對溫度數(shù)據(jù)存儲的空間地址。

2.4 血氧飽和度采集模塊電路的設(shè)計(jì)

血氧飽和度采集模塊選用了NJL5501R紅外傳感器進(jìn)行指尖檢測，主要原理為光波長595 nm的通透式脈搏檢測。

血氧飽和度值SpO2的計(jì)算公式為：

(2)

式中：CHbO2為血液中氧合血紅蛋白的濃度;CHb為血液中還原血紅蛋白的濃度。

血氧飽和度采集模塊的接收器采用光敏二極管，實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換。

血氧飽和度采集電路如圖7所示。

圖7 血氧飽和度采集模塊電路

2.5 體重采集模塊電路的設(shè)計(jì)

體重采集模塊采用了20位串行AD轉(zhuǎn)換芯片CS5513，稱重的靈敏度為(2±0.002)mV/V。體重采集模塊電路如圖8所示。

圖8 體重采集模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個體檢護(hù)理數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)采用瀏覽器和服務(wù)器(browser/server,BS)模式?？蛻舳丝梢酝ㄟ^網(wǎng)頁的形式查看體征檢測結(jié)果。整體系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為兩個部分，即嵌入式端程序和服務(wù)器端程序。

3.1 嵌入式端程序設(shè)計(jì)

由于嵌入式端采用了ARM Cortex-A8開發(fā)板，嵌入式軟件開發(fā)選取了開源的Linux系統(tǒng)，具體為Ubuntu 2.6.29版本。使用arm-linux-gcc-4.3.2搭建了交叉編譯環(huán)境，并進(jìn)行了內(nèi)核的編譯及移植。嵌入式端主程序采用了Epoll 架構(gòu)。主程序流程如圖9所示。圖9中均為Epoll 架構(gòu)中epoll_even變量的函數(shù)。

圖9 主程序流程圖

3.2 基于模糊推理模型的服務(wù)器端數(shù)據(jù)融合決策

為了優(yōu)化體檢結(jié)果的診斷結(jié)果，本系統(tǒng)在服務(wù)器端對各采集子模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，通過模糊推理模型[12]，完成診斷結(jié)果判斷?；谀：评砟Ｐ偷捏w檢數(shù)據(jù)融合步驟如下。

①對于時刻t的體檢系統(tǒng)來說，當(dāng)前各采集子模塊采集到的數(shù)據(jù)(心電、體溫、血氧飽和度和體重等)為Si(t)，則兩個不同數(shù)據(jù)樣本之間的絕對值大小dij(t)為：

dij(t)=|Si(t)-Sj(t)|

(3)

設(shè)數(shù)據(jù)樣本Si(t)與其他所有體檢數(shù)據(jù)樣本之間的距離平均值為di(t)，并設(shè)d(t)為其他所有體檢數(shù)據(jù)樣本之間的平均距離，則：

(4)

(5)

式中：n為樣本總數(shù)。

③通過融合度函數(shù)Cij(t)，對各采集子模塊數(shù)據(jù)之間的誤差進(jìn)行判斷。

(6)

④實(shí)際判讀過程中采用模糊權(quán)值系數(shù)進(jìn)行簡化觀測。融合結(jié)果的計(jì)算方式如下：

(7)

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

Tomcat服務(wù)器端使用的數(shù)據(jù)庫是關(guān)系型My SQL數(shù)據(jù)庫，體檢用戶實(shí)體的主要屬性與身份信息采集模塊的身份信息綁定，通常采用用戶編號或者身份證號碼。

4 試驗(yàn)測試與結(jié)果

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行測試

為了驗(yàn)證提出系統(tǒng)的可行性和先進(jìn)性，進(jìn)行了Web登錄服務(wù)器測試。在系統(tǒng)嵌入式端的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊中設(shè)置IP地址為192.168.100.101，即服務(wù)器端的網(wǎng)址?？蛻舳送ㄟ^瀏覽器訪問體檢系統(tǒng)的Tomcat服務(wù)器。用戶可以根據(jù)時間和姓名信息，查詢自己的體檢信息。在登錄成功后，就會跳轉(zhuǎn)到體檢護(hù)理數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)的主頁，從而全面顯示用戶體檢的各種數(shù)據(jù)以及最終體檢診斷結(jié)果。同構(gòu)這種網(wǎng)頁瀏覽查詢的方式，有效提高了醫(yī)療體檢業(yè)務(wù)的工作效率，為用戶提高了服務(wù)便捷性。例如體檢信息顯示為“姓名：李富國；年齡：36；性別：男；心率：67；血氧：96；體溫：366；體重：76；體檢時間：2019-3-18；體檢結(jié)果：您的生理指標(biāo)都在正常范圍之內(nèi)。身體非常健康；”。

4.2 結(jié)果分析

為了驗(yàn)證采用模糊推理模型對體檢結(jié)果進(jìn)行融合決策判斷的性能，隨機(jī)選取了5位體檢用戶的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷精度分析，包括心電、體溫、血氧飽和度和體重。用戶體檢測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 用戶體檢測量數(shù)據(jù)

從表1可以看出，4個生理指標(biāo)的測量誤差均較小，體重誤差測量<0.1 kg，心電誤差測量<1 bpm，體溫誤差測量<0.1 ℃，血氧飽和度誤差測量<0.5%。而5位用戶體檢診斷結(jié)果的準(zhǔn)確率達(dá)到100%。在3個月周期的測試中，大量用戶體檢診斷結(jié)果的準(zhǔn)確率達(dá)到99.3%，相比與文獻(xiàn)[7]提高了約1.6%。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個基于ARM平臺的醫(yī)院數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)，提出利用ARMCortex-A8開發(fā)板采集體檢常用生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，并在Tomcat服務(wù)器中結(jié)合模糊推理模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，完成體檢結(jié)果的決策判斷。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效提高醫(yī)療體檢業(yè)務(wù)的工作效率和診斷精度。但是，目前網(wǎng)頁界面較為簡陋，用戶條件查詢功能有限。后續(xù)將對UI界面進(jìn)行美化，并添加更豐富的頁面功能。