淮旭鴿，莊 未，梁才航，高興宇，郝衛(wèi)東，黃 揚(yáng)

(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

2019年12月8日，湖北省武漢市發(fā)現(xiàn)第一例新型冠狀病毒肺炎患者，隨后疫情在全國甚至全世界被發(fā)現(xiàn)并快速傳播，被WHO定義為國際關(guān)注的突發(fā)公共衛(wèi)生事件。自新冠疫情爆發(fā)以來，“新冠肺炎”持續(xù)對人類健康造成重大危害。發(fā)熱作為新冠病毒發(fā)病的常見現(xiàn)象，各省市在國家衛(wèi)生健康委員會(huì)的指引下建立了比2003年非典時(shí)期更加科學(xué)、全面的防控體系，單位、社區(qū)均設(shè)立了體溫檢測，構(gòu)建了疫情防控必不可少的第一道防線，“早發(fā)現(xiàn)，早診斷，早隔離，早治療”可以將傳染病控制在萌芽狀態(tài)[1-2]。

由于紅外測溫技術(shù)可快速、無接觸地測量出人體的表面溫度，具有精度高、成本低、壽命長，使用安全等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效避免交叉感染，因而我國在體溫篩查過程中大量使用了紅外測溫儀[3-7]。2003年抗擊“非典”期間，我國的紅外體溫檢測儀已取得豐碩的成果，并制定了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19146—2003《紅外人體表面溫度快速篩檢儀通用技術(shù)條件》[8]。

傳統(tǒng)的數(shù)字化基層疫情防控系統(tǒng)中的體溫上報(bào)這一環(huán)節(jié)通常由防疫人員用測溫儀測量體溫，登記體溫，錄入表格，上報(bào)系統(tǒng)，再由相關(guān)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最后由決策者做出決策。以上流程在實(shí)際操作中直接導(dǎo)致防疫人員對各類人員的體溫檢測和記錄工作量的倍增，還容易出現(xiàn)失誤。若簡化流程，由住院患者手動(dòng)填寫、上報(bào)健康信息，則存在有意或無意誤報(bào)健康信息的可能，繼而降低體溫監(jiān)測在傳染病早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)警中的作用。

目前，市場上的主流紅外測溫設(shè)備有手持式紅外額溫槍、立柱式紅外體溫檢測儀、門框式紅外體溫檢測儀及全自動(dòng)紅外熱成像體溫檢測儀等[1]，如圖1～圖4所示。

圖1 額溫槍

圖2 立柱式紅外體溫檢測儀

圖3 門框式紅外體溫檢測儀

圖4 全自動(dòng)紅外熱成像體溫檢測儀

手持式紅外額溫槍對小流量人群的體溫檢測快捷、有效，但對于某些重癥疫區(qū)的醫(yī)療單位、新冠肺炎定點(diǎn)醫(yī)院及人員密集區(qū)域，這種排查方法存在效率低下和交叉感染的缺陷[9]。立柱式紅外體溫檢測儀無法實(shí)現(xiàn)對特殊身高人群的體溫檢測，往往需結(jié)合人工使用手持式紅外額溫槍進(jìn)行檢測。門框式紅外體溫檢測儀和全自動(dòng)紅外熱成像體溫檢測儀雖然可以適應(yīng)特殊身高人群的體溫檢測，但在某些重癥疫區(qū)的醫(yī)療單位或新冠肺炎定點(diǎn)醫(yī)院場合無法對住院患者身份進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別并記錄。

綜上所述，針對重癥疫區(qū)的醫(yī)療單位或新冠肺炎定點(diǎn)醫(yī)院工作環(huán)境，尚無一套成熟的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測溫設(shè)備與醫(yī)院信息系統(tǒng)對接，然后對住院患者身份進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別，并實(shí)現(xiàn)特殊身高人員的自動(dòng)化無接觸檢測，最終將檢測的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警上報(bào)。

針對以上問題，設(shè)計(jì)了一種體溫智能檢測系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測溫設(shè)備與醫(yī)院信息系統(tǒng)對接，做到“準(zhǔn)確識(shí)別身份”、“身高不受限制”、“無接觸自動(dòng)測溫”、“高溫智能預(yù)警并上報(bào)”。

1 系統(tǒng)需求分析

基于系統(tǒng)所處的工作環(huán)境的特點(diǎn)，并方便準(zhǔn)確錄入住院患者身份資料和檢測數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)需滿足如下功能：

1)準(zhǔn)確識(shí)別住院患者身份；

2)滿足不同身高人群的自動(dòng)化檢測要求；

3)實(shí)現(xiàn)無接觸體溫檢測；

4)體溫檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，滿足醫(yī)生診斷標(biāo)準(zhǔn)；

5)有人機(jī)交互功能。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用有線與無線相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式。圖5為系統(tǒng)整體框圖，包括體溫檢測終端、數(shù)據(jù)傳輸通道和數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)三部分[10]。

圖5 智能檢測系統(tǒng)整體框圖

體溫檢測終端定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)傳輸通道，數(shù)據(jù)傳輸通道包括無線收發(fā)模塊和無線數(shù)傳電臺(tái)，由數(shù)據(jù)傳輸通道通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)，最終由數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)對所測身份和體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

系統(tǒng)以每棟住院樓為一個(gè)監(jiān)測單位，每層樓布局一個(gè)無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，以無線橋接實(shí)現(xiàn)整棟樓的無線信號(hào)覆蓋。住院患者在病房內(nèi)自行走到體溫監(jiān)測終端，測得的身份和體溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)由無線數(shù)傳電臺(tái)傳輸至數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)雙向通信。數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對患者身份和體溫等相關(guān)數(shù)據(jù)的查看、分析、處理等操作。該平臺(tái)允許醫(yī)護(hù)人員根據(jù)不同類型的患者設(shè)置不同的體溫監(jiān)測閾值。當(dāng)患者體溫超過預(yù)設(shè)閾值，平臺(tái)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，便于醫(yī)護(hù)人員和患者及時(shí)采取相應(yīng)措施。

3 體溫檢測終端設(shè)計(jì)[11]

根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)體溫檢測終端為定點(diǎn)識(shí)別并采集住院患者數(shù)據(jù)，如圖6所示，系統(tǒng)體溫檢測終端主要由身份識(shí)別并確認(rèn)單元、體溫測量單元和報(bào)警提示單元組成。體溫檢測終端整體外形結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 體溫檢測終端框圖

圖7 體溫檢測終端外形結(jié)構(gòu)

3.1 身份識(shí)別并確認(rèn)單元設(shè)計(jì)

身份識(shí)別并確認(rèn)單元由身份證識(shí)別單元、人臉識(shí)別單元、手指信息識(shí)別單元和LED燈組成，具體流程如圖8所示。

圖8 身份識(shí)別并確認(rèn)單元流程

當(dāng)住院患者進(jìn)行體溫檢測前，首先使用身份證識(shí)別模塊讀取身份證號(hào)，通過身份證號(hào)碼比對身份信息數(shù)據(jù)庫里是否有此號(hào)碼，若無，則在系統(tǒng)中錄入此號(hào)碼，并采集人臉信息和手指信息入庫；若有，則進(jìn)一步采集人臉信息和手指信息，其中人臉信息通過面部識(shí)別攝像頭采集，手指信息通過手指信息識(shí)別模塊采集。程序?qū)⒉杉降娜四樞畔⒑褪种感畔⒎謩e與人臉信息數(shù)據(jù)庫和手指信息數(shù)據(jù)庫中提取該的身份證號(hào)對應(yīng)的照片信息和手指信息進(jìn)行比對。2種核驗(yàn)相結(jié)合可做到準(zhǔn)確核驗(yàn)住院患者的身份[12-14]。若2種核驗(yàn)信息不一致，則通過揚(yáng)聲器和顯示屏對話框發(fā)出提示信息，若一致，則進(jìn)入體溫檢測環(huán)節(jié)。身份識(shí)別并確認(rèn)單元外觀結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 身份識(shí)別并確認(rèn)單元

3.2 體溫檢測單元設(shè)計(jì)

體溫檢測單元包括身高測量單元、測溫平臺(tái)高度調(diào)整單元、紅外測溫儀、環(huán)境溫度補(bǔ)償單元、距離補(bǔ)償單元和面部識(shí)別攝像頭六部分。體溫檢測單元具體流程如圖10所示。

圖10 體溫檢測單元流程

住院患者身份確認(rèn)后，身高測量單元采集住院患者身高數(shù)據(jù)；根據(jù)所得數(shù)據(jù)，測溫平臺(tái)高度調(diào)整單元初步調(diào)整紅外測溫傳感器垂直方向的高度，然后根據(jù)面部識(shí)別攝像頭信息語音和圖像結(jié)合提醒住院患者左右調(diào)整位置，并再次微調(diào)垂直方向的高度，使得紅外測溫傳感器對準(zhǔn)額頭正中位置；環(huán)境溫度補(bǔ)償單元通過環(huán)境溫度傳感器采集環(huán)境溫度；距離補(bǔ)償單元通過測距傳感器采集住院患者額頭的前后距離，分別進(jìn)行補(bǔ)償后，進(jìn)行體溫測量，將所測結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)。

3.2.1 身高測量單元

目前可實(shí)現(xiàn)身高測量的方法有多種，如超聲波測距、激光雷達(dá)測距、紅外測距和基于圖像/視頻的測距等。根據(jù)工作環(huán)境的特點(diǎn)，本方案采用超聲波測距原理測量人體身高，也就是傳感器通過聲波的波長和發(fā)射聲波及接收到的返回聲波的時(shí)間差確定人體身高。在傳感器發(fā)送脈沖的同時(shí)，接收器的計(jì)時(shí)器啟動(dòng)并計(jì)數(shù)，直到傳感器接收反射回波后，計(jì)數(shù)停止，從而測算出測量儀與頭頂之間的距離，即人體的身高[15-16]。身高測量單元如圖11所示。

圖11 身高測量單元

3.2.2 測溫平臺(tái)高度調(diào)整單元設(shè)計(jì)

測溫平臺(tái)高度調(diào)整單元根據(jù)身高測量單元提供的身高數(shù)據(jù)初步將裝有紅外測溫傳感器的測溫平臺(tái)高度自動(dòng)調(diào)整到住院患者的面部位置，方便下一步進(jìn)行無接觸體溫測量。測溫平臺(tái)高度調(diào)整單元結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 測溫平臺(tái)高度調(diào)整單元結(jié)構(gòu)

測溫平臺(tái)高度調(diào)整單元采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，傳動(dòng)方式是同步帶傳動(dòng)，同時(shí)利用同步輪的直徑比進(jìn)行減速。啟動(dòng)電機(jī)，利用分布在傳動(dòng)帶內(nèi)表面上的等距橫向齒與帶輪上的相應(yīng)齒槽進(jìn)行嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)，同步帶將電機(jī)的動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩傳遞到安裝有體溫檢測單元的升降平臺(tái)上。升降臺(tái)通過上下直線運(yùn)動(dòng)調(diào)整測溫平臺(tái)的高度，以適應(yīng)不同身高人群的檢測要求，其升降速度可達(dá)40～50 mm/s，能夠測量的上、下極限高度分別為2 300、700 mm。

3.2.3 體溫檢測單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)住院患者進(jìn)行體溫檢測時(shí)，程序根據(jù)面部識(shí)別攝像頭采集到的人臉信息確定住院患者額頭的準(zhǔn)確高度，再次微調(diào)測溫平臺(tái)高度調(diào)整單元，使得紅外測溫傳感器對準(zhǔn)額頭正中位置進(jìn)行體溫測量。

測溫平臺(tái)如圖13所示。測溫平臺(tái)正面裝有包含觸摸效果良好的13.3英寸高清電容顯示屏，顯示屏上部有超聲波測距傳感器、環(huán)境溫度傳感器、紅外測溫傳感器、揚(yáng)聲器、面部識(shí)別攝像頭等。顯示屏下部為身份證識(shí)別、手指信息識(shí)別等模塊。顯示屏分辨率為1 920像素×1 080像素，攝像設(shè)備為200萬像素高清寬動(dòng)態(tài)攝像頭，具備防偽功能，可有效規(guī)避照片、視頻等作假行為[12]。

圖13 測溫平臺(tái)

3.2.4 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

由于紅外測溫是非接觸式，會(huì)存在各種誤差。影響誤差的因素很多，除了儀器本身的因素外，還包括輻射率、測量距離、目標(biāo)尺寸、響應(yīng)時(shí)間、環(huán)境溫度和大氣吸收等[17]。本系統(tǒng)中，人體的額頭裸露在室內(nèi)環(huán)境下，影響測量結(jié)果最大的因素是測量距離，其次是環(huán)境溫度，最后是發(fā)射率[18]。

本系統(tǒng)采用渡越時(shí)間法進(jìn)行超聲波測距，并結(jié)合算法及語音與文字提示實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，確保測量位置保持在額頭中間。

鑒于系統(tǒng)的工作環(huán)境在室內(nèi)，主要考慮環(huán)境溫度對紅外溫度傳感器的影響。除了在傳感器內(nèi)部采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行溫度補(bǔ)償外，還可以在傳感器外部加入鋁罐，將傳感器套入鋁罐后，當(dāng)傳感器由于某種原因觸碰到其他物體時(shí)，不至于導(dǎo)致傳感器自身殼體溫度發(fā)生突變，從而達(dá)到穩(wěn)定的效果[19]。

另外，通過向紅外溫度傳感器寫入被測目標(biāo)的實(shí)際發(fā)射率來進(jìn)行發(fā)射率的修正補(bǔ)償[20-21]。

3.3 報(bào)警提示單元設(shè)計(jì)

報(bào)警提示單元硬件主要由揚(yáng)聲器和顯示屏組成，用于將數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)分析所得結(jié)果進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)輸出顯示，主要包括無效身份證提示、證件出錯(cuò)提示、手指信息識(shí)別出錯(cuò)提示、測溫區(qū)域調(diào)整提示和體溫超出閾值提示等。

4 數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)除了用于保存用戶基本信息(主要包括身份證、面部和手指等信息)、體溫?cái)?shù)據(jù)、測溫時(shí)間等基本信息外，還需要給身份識(shí)別并確認(rèn)單元提供調(diào)用數(shù)據(jù)功能，并對體溫檢測單元所采集的體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，最后向報(bào)警提示單元發(fā)送報(bào)警提示指令。該平臺(tái)的硬件主要是作為服務(wù)器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)。臺(tái)式計(jì)算機(jī)聯(lián)入醫(yī)院局域網(wǎng)后，每個(gè)醫(yī)生的聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)均可實(shí)時(shí)查看住院患者的體溫檢測數(shù)據(jù)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。圖14為數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)的工作流程。

圖14 數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)工作流程

5 數(shù)據(jù)傳輸通道設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸通道主要包括大功率無線數(shù)傳電臺(tái)和集成到體溫檢測終端內(nèi)的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)通過RS232/RS485接口從無線數(shù)傳電臺(tái)獲取所有住院患者體溫?cái)?shù)據(jù)，無線數(shù)傳電臺(tái)與無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊之間進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，接收體溫檢測終端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。各體溫檢測終端的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊相互之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

考慮到無線傳輸受墻體等障礙物的影響，選用穿透能力強(qiáng)的頻段信道傳輸，如較常見的170或433 MHz[22]。

6 系統(tǒng)應(yīng)用

6.1 系統(tǒng)應(yīng)用范圍

該系統(tǒng)主要用于重大疫情流行期間的體溫監(jiān)測，尤其是類似方艙醫(yī)院的大量病人集中場所，也可作為普通醫(yī)院住院患者的日常體溫檢測。

6.2 系統(tǒng)應(yīng)用方法

1)系統(tǒng)架設(shè)部署。以醫(yī)療機(jī)構(gòu)為單位配備一套智能體溫檢測系統(tǒng)，包括無線數(shù)傳電臺(tái)1個(gè)、體溫監(jiān)測終端若干個(gè)、作為服務(wù)器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)1個(gè)。

2)建立身份證、面部識(shí)別和手指信息數(shù)據(jù)庫。通過管理控制平臺(tái)的服務(wù)器和身份證識(shí)別設(shè)備、面部識(shí)別攝像頭和指紋采集器采集相關(guān)人員的基本信息，形成對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

3)體溫檢測終端的使用。體溫檢測終端先通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊調(diào)用身份證、面部識(shí)別和手指信息數(shù)據(jù)庫匹配住院患者信息，確認(rèn)身份，再測量住院患者身高，根據(jù)身高數(shù)據(jù)調(diào)整測溫平臺(tái)，使紅外傳感器對準(zhǔn)住院患者額頭正中來測量體溫，最后將所得體溫?cái)?shù)據(jù)無線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理控制平臺(tái)。

4)數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警。體溫檢測終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息到達(dá)數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)后，以身份信息為單位形成體溫?cái)?shù)據(jù)庫，包括人員姓名、時(shí)間及其對應(yīng)的體溫等。相關(guān)程序?qū)崟r(shí)對體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警。

6.3 系統(tǒng)的功能特點(diǎn)

1)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。住院患者以人證合一雙重確認(rèn)的方式進(jìn)行體溫采集，可以杜絕漏測、誤測和數(shù)據(jù)造假行為，確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2)住院患者身高不受限制。通過專用模塊上下調(diào)整紅外傳感器，可以滿足坐輪椅或者特殊身高人員的檢測需求，避免特殊人群進(jìn)醫(yī)院檢測的尷尬不便。

3)安全性能好。體溫監(jiān)測終端采用紅外體溫檢測的方式，非直接接觸，避免了傳統(tǒng)接觸式測量體溫造成的病毒交叉?zhèn)鞑デ?，同時(shí)可以避免水銀體溫計(jì)一用一消毒的繁瑣過程和摔碎后污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，確保安全。

4)體溫檢測準(zhǔn)確性高。溫度補(bǔ)償單元和距離補(bǔ)償單元可以使得測量的體溫滿足醫(yī)生診斷的標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)束語

以新冠肺炎這一類傳染病的早期控制手段——體溫檢測為背景，設(shè)計(jì)了一種不限制身高，身份能準(zhǔn)確識(shí)別，智能無接觸，自動(dòng)化的體溫檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的人體測溫方式自動(dòng)化程度較高，可以實(shí)現(xiàn)無人值守，適用于醫(yī)療系統(tǒng)、學(xué)校、部隊(duì)等需要準(zhǔn)確識(shí)別患者身份且無接觸采集體溫的場所，可以提高工作人員的工作效率，降低工作人員與病人直接接觸的時(shí)間，減小被感染概率。

雖然本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中盡可能地采取了無接觸技術(shù)，但限于各種現(xiàn)實(shí)技術(shù)條件的限制，身份識(shí)別并確認(rèn)環(huán)節(jié)仍存在住院患者之間交叉感染的風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)將作進(jìn)一步研究。