謝元媛，王磊

(烏魯木齊職業(yè)大學(xué)，1.應(yīng)用工程學(xué)院，2.信息工程學(xué)院，新疆，烏魯木齊 830023)

0 引言

在繁榮的經(jīng)濟(jì)時(shí)代，人類更加關(guān)注自身的身體健康，此種需求將推動(dòng)醫(yī)療設(shè)施的發(fā)展與壯大。目前醫(yī)療機(jī)械的發(fā)展處于初始階段，醫(yī)療機(jī)械作為醫(yī)療行業(yè)內(nèi)的專用機(jī)械工具，能夠幫助醫(yī)護(hù)工作人員從事人為難以實(shí)現(xiàn)的手術(shù)操作。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，存在諸多操作不便利的地方，比如在現(xiàn)有機(jī)械設(shè)計(jì)中，臨床使用時(shí)人性化及操作便利性存在著明顯的缺陷，需進(jìn)一步矯正此種缺陷，并通過(guò)升級(jí)機(jī)械的操作技術(shù)來(lái)調(diào)整現(xiàn)有醫(yī)療機(jī)械的狀態(tài)，進(jìn)而獲取治療效果良好的醫(yī)療機(jī)械設(shè)備。為此，不少研究學(xué)者針對(duì)醫(yī)療機(jī)械設(shè)計(jì)中的問(wèn)題進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)研究，不斷推動(dòng)醫(yī)療機(jī)械的發(fā)展進(jìn)程。

文獻(xiàn)[1]借助于SolidWorks軟件，對(duì)機(jī)械的三維數(shù)字化進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并根據(jù)D-H方法對(duì)機(jī)械的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行了構(gòu)建，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的方式得出機(jī)械臂的位姿，這種方式雖然為遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)提供理想的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，但是在臨床應(yīng)用中，其舒適度欠佳。文獻(xiàn)[2]通過(guò)提高老年人醫(yī)療器械產(chǎn)品設(shè)計(jì)體驗(yàn)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，該技術(shù)通過(guò)分析醫(yī)療器械存在的特點(diǎn)和老年人在醫(yī)療過(guò)程中的認(rèn)知心理和行為特征等情況，進(jìn)而設(shè)計(jì)出人性化設(shè)備。該設(shè)備雖然解決了文獻(xiàn)[1]中存在的技術(shù)不足，但是該設(shè)備的人性化僅僅是針對(duì)老年人，不具有普遍適用性。

上述問(wèn)題可以總結(jié)為

(1) 臨床應(yīng)用中，舒適度不高，不能滿足患者需求;

(2) 人性化適用范圍小，不能滿足大部分患者的需求。

為此，針對(duì)上述問(wèn)題，本文在情感化醫(yī)療機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上提出一種新式基于人性化理念的醫(yī)療機(jī)械設(shè)計(jì)研究，并將改進(jìn)型交互式遺傳算法模型融合到架構(gòu)設(shè)計(jì)中，提升了機(jī)械設(shè)計(jì)的精度標(biāo)準(zhǔn)安全性,更符合患者需求。

1 基于改進(jìn)型交互式遺傳算法的設(shè)計(jì)

人性化理念設(shè)計(jì)是出于對(duì)患者需求方面的考慮，在醫(yī)療機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)始終圍繞患者的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)操作與管理，在醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)的初期，需要不斷地考慮設(shè)備內(nèi)部和數(shù)據(jù)之間的矛盾，強(qiáng)化矛盾緩和機(jī)制，建立一個(gè)良好的設(shè)備需求數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)平臺(tái)[3]。對(duì)設(shè)備進(jìn)行容量限制分析，加大對(duì)患者安全防護(hù)措施的力度，研究不同區(qū)域患者與自身所在區(qū)域之間的關(guān)系，并建立關(guān)系橋梁，查詢內(nèi)部參照功能，檢查與醫(yī)療設(shè)備有關(guān)的部件信息，及時(shí)轉(zhuǎn)換部件信息，通過(guò)內(nèi)部需求傳遞通道將收集到的醫(yī)療設(shè)備需求數(shù)據(jù)傳送到分析空間[6-9]。然后通過(guò)分割各種族的數(shù)據(jù)信息，利用人體模型仿造醫(yī)療機(jī)械操作過(guò)程，調(diào)整操作步驟，減少冗余操作，查詢患者的尺寸、視野和肢體參數(shù)，并將這些參數(shù)匹配到具有高度相關(guān)性的內(nèi)部管理中心對(duì)機(jī)械操作數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。本研究采用了改進(jìn)型交互式遺傳算法實(shí)現(xiàn)不同醫(yī)療器械數(shù)據(jù)信息的選擇，設(shè)計(jì)方法如圖1所示。

圖1 基于改進(jìn)型交互式遺傳算法的設(shè)計(jì)架構(gòu)示意圖

在本研究的設(shè)計(jì)架構(gòu)中，由于在設(shè)計(jì)醫(yī)療器械時(shí)，需要考慮多方面的因素，而這些因素容易受多種因素的影響，如何選擇人性化的設(shè)計(jì)元素，需要在數(shù)據(jù)庫(kù)中多種方面進(jìn)行考慮，本研究采用改進(jìn)型交互式遺傳算法不斷產(chǎn)生遺傳操作，并對(duì)選擇的個(gè)體進(jìn)行評(píng)估，直到設(shè)計(jì)者選擇出合適的個(gè)體為止，然后在對(duì)這些個(gè)體進(jìn)行最佳適應(yīng)度評(píng)價(jià)。通過(guò)改進(jìn)型交互式遺傳算法實(shí)現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)元素的預(yù)測(cè)[4-5]、評(píng)估，最終實(shí)現(xiàn)醫(yī)療器械設(shè)計(jì)元素的應(yīng)用。

通過(guò)上述設(shè)計(jì)模型，能夠區(qū)分儀器所處的操作等級(jí)，根據(jù)等級(jí)信息對(duì)儀器信息進(jìn)行劃分。根據(jù)顧客信息內(nèi)容收集顧客信息，并控制器械配置方向。通過(guò)對(duì)儀器與人體特征的匹配，對(duì)不同方位醫(yī)療儀器操作位置進(jìn)行相關(guān)的理論研究，畫出顧客需求信息單，并將信息單中的內(nèi)容全部轉(zhuǎn)存到需求分析系統(tǒng)中，等待系統(tǒng)的內(nèi)部分析操作。對(duì)不同客戶需求的關(guān)聯(lián)進(jìn)行持續(xù)的研究，將關(guān)聯(lián)程度較高的數(shù)據(jù)放入同一個(gè)數(shù)據(jù)集。

然后檢驗(yàn)醫(yī)療設(shè)備運(yùn)行安全，避免醫(yī)療事故的發(fā)生。減慢設(shè)備安裝速度，調(diào)配醫(yī)院環(huán)境，及時(shí)處理各地區(qū)需求信息，調(diào)動(dòng)信息庫(kù)，直接收錄各地區(qū)需求信息[6-7]。當(dāng)進(jìn)行交互設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將設(shè)計(jì)中的過(guò)程參數(shù)反映到主控制系統(tǒng)中，并對(duì)操作保持高度警覺，建立主控制系統(tǒng)過(guò)程參數(shù)操作圖,如圖2所示。

圖2 主控系統(tǒng)過(guò)程參數(shù)操作圖

通過(guò)患者與器械間的接觸行為判斷需求參數(shù)對(duì)整體醫(yī)療器械操作的影響，為此，利用參數(shù)表信息對(duì)照內(nèi)部系統(tǒng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療器械裝置的初次需求分析。在實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存需求分析后，對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理模塊劃分，及時(shí)改造不同空間的醫(yī)療器械改造需求，將器械外觀與客戶需求相連接，構(gòu)建較為良好的設(shè)計(jì)模型[8]，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療器械的需求分析操作。下面對(duì)本研究方法的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

2 改進(jìn)型交互式遺傳算法模型

在本研究的改進(jìn)型交互式遺傳算法模型中，改進(jìn)型交互式遺傳算法模型主要融合了極限學(xué)習(xí)機(jī)(ELM)算法，采用該算法的目的在于，能夠充分利用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9-10]結(jié)構(gòu)，在多種醫(yī)療器械設(shè)計(jì)庫(kù)中經(jīng)過(guò)不斷的迭代計(jì)算，最終輸出最優(yōu)解。

圖3 改進(jìn)型交互式遺傳算法模型操作流程示意圖

下面結(jié)合圖3通過(guò)分步驟的方式對(duì)改進(jìn)型交互式遺傳算法模型操作流程進(jìn)行以下說(shuō)明。

(1) 用戶根據(jù)人性化的設(shè)計(jì)需求，從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇需要的設(shè)計(jì)元素，然后對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)計(jì)元素進(jìn)行編碼和數(shù)據(jù)設(shè)置[1-2]。為了提出數(shù)據(jù)的計(jì)算精度，可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化設(shè)置。

(2) 啟動(dòng)ELM模型，ELM模型的結(jié)構(gòu)架構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 ELM模型示意圖

在圖4的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上包含有數(shù)據(jù)輸入層、隱藏層和輸出層，在設(shè)置不同層的節(jié)點(diǎn)時(shí)，該數(shù)據(jù)模型在改進(jìn)型交互式遺傳算法模型中能夠快速進(jìn)行數(shù)據(jù)分類。下面通過(guò)公式表達(dá)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分類描述。

首先在ELM模型[11-12]輸入層中輸入醫(yī)療器械設(shè)計(jì)元素的不同數(shù)據(jù)信息，然后在隱藏層設(shè)置其與輸出層輸出節(jié)點(diǎn)之間的連接權(quán)值wj，wj介于0.2～3.7的常數(shù)。輸出層輸出權(quán)值向量為βj，再設(shè)置隱藏層中第j個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的偏置數(shù)據(jù)量bj，在醫(yī)療器械數(shù)據(jù)元素庫(kù)中的數(shù)據(jù)樣本中，設(shè)置樣本集合為{xi,yi,i=1,2,…,n}，醫(yī)療器械數(shù)據(jù)元素庫(kù)中的數(shù)據(jù)被分類為m種數(shù)據(jù)類型，則存在ys∈{1,-1}(1

(1)

式中，i=1,…,n,h(wj·xi+bj)表示為激活函數(shù)，簡(jiǎn)稱為h(·)，能夠?qū)崿F(xiàn)函數(shù)的啟動(dòng)與計(jì)算，其中隱含層輸出矩陣可表示為

(2)

隱含層輸出權(quán)重可以通過(guò)以下公式表示

WO=M+Y

(3)

輸出層實(shí)現(xiàn)的醫(yī)療器械數(shù)據(jù)元素庫(kù)數(shù)據(jù)輸出函數(shù)可以記作為

(4)

為了進(jìn)一步地提高醫(yī)療器械數(shù)據(jù)元素庫(kù)數(shù)據(jù)選擇的訓(xùn)練精度，在必要時(shí)，再計(jì)算出ELM模型的特征向量[14-15]，通過(guò)以下公式表示:

(In+λLHβ)×v=γHTHv

(5)

式中，v=v2,v3,…,vn0+1，其中的β可以為

β= v2, v3,…, vno+1

(6)

通過(guò)上述計(jì)算，能夠在用戶選擇的醫(yī)療器械數(shù)據(jù)元素庫(kù)眾多數(shù)據(jù)信息中根據(jù)顏色[16-17]、光澤或者結(jié)構(gòu)形態(tài)等輸出適合人性化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)信息。

(3) 然后判斷輸出的數(shù)據(jù)信息是否滿足要求，當(dāng)滿足要求時(shí)，則數(shù)據(jù)訓(xùn)練結(jié)束，當(dāng)不滿足要求時(shí)，則再次輸入適應(yīng)度值。該步驟是通過(guò)人性化感受來(lái)界定。當(dāng)用戶能夠根據(jù)人性化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)信息時(shí)，則表示該選擇滿足要求，否則表示不滿足要求。適應(yīng)度值可以為介于0.4～0.9之間的數(shù)值。

(4) 然后對(duì)醫(yī)療器械數(shù)據(jù)元素庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳操作，通過(guò)對(duì)醫(yī)療器械數(shù)據(jù)元素庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、交叉、變異[18]，假設(shè)通過(guò)8次迭代計(jì)算，則根據(jù)以下公式輸出相識(shí)度。

(7)

(5) 判斷數(shù)據(jù)迭代情況，當(dāng)實(shí)際的迭代數(shù)據(jù)等于設(shè)置迭代值時(shí)，則產(chǎn)生新一代群體，當(dāng)實(shí)際的迭代數(shù)據(jù)不等于設(shè)置迭代值時(shí)，則輸入適應(yīng)度值，重新進(jìn)行判斷。

通過(guò)上述計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療器械數(shù)據(jù)元素庫(kù)數(shù)據(jù)的選擇。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過(guò)以上醫(yī)療機(jī)械設(shè)計(jì)研究，匹配相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究操作研究本文設(shè)計(jì)的操作性能，并構(gòu)建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與操作對(duì)比本文研究效果。采用的軟硬件環(huán)境如表1所示。

表1 硬件參數(shù)數(shù)據(jù)表

通過(guò)上述硬件設(shè)置，下面將本研究的方法與k-means算法模型進(jìn)行對(duì)比。

試驗(yàn)時(shí)采用的參數(shù)信息為公用數(shù)據(jù)庫(kù)，從已知數(shù)據(jù)庫(kù)中輸出多種數(shù)據(jù)參數(shù)，以在檢索精度和誤差計(jì)算上進(jìn)行分析。設(shè)置實(shí)驗(yàn)操作步驟如下。

(1) 匹配相關(guān)的患者信息，將患者信息錄入醫(yī)療機(jī)械系統(tǒng)中，并轉(zhuǎn)化信息數(shù)據(jù)為操作信息字碼，同時(shí)調(diào)配與患者操作相關(guān)程度較高的內(nèi)部機(jī)械空間，利用機(jī)械治療空間參數(shù)集中機(jī)械管理，不斷提升參數(shù)的操作需求，降低管理等級(jí)，減少不必要的操作浪費(fèi)，獲取所需的機(jī)械治療信息，設(shè)置機(jī)械治療信息獲取框圖如圖5所示。

圖5 機(jī)械治療信息獲取框圖

(2) 在實(shí)現(xiàn)機(jī)械治療信息收集后，按照機(jī)械的功能界面劃分不同的性能檢測(cè)模塊，將屬于同一檢驗(yàn)?zāi)K的數(shù)據(jù)收錄至機(jī)械空間中，并及時(shí)檢驗(yàn)此刻的機(jī)械狀態(tài)，不斷整合狀態(tài)信息，簡(jiǎn)化操作流程，追蹤不同的設(shè)備信息，并調(diào)整機(jī)械的裝置角度，將機(jī)械的角度調(diào)到合理的操作范圍內(nèi)，并記錄不同時(shí)刻的操作參數(shù)。

(3) 將記錄的數(shù)據(jù)全部整理至中心控制系統(tǒng)中，不斷獲取內(nèi)部研究數(shù)據(jù)與機(jī)械調(diào)節(jié)范圍角度數(shù)據(jù)，掌控醫(yī)療機(jī)械的操作程度以及操作范圍，并配置基礎(chǔ)研究裝置，強(qiáng)化內(nèi)部管理系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)醫(yī)療機(jī)械的管控力度，由此調(diào)配合理的操作信息裝置，實(shí)現(xiàn)整體實(shí)驗(yàn)操作研究。

將實(shí)驗(yàn)后的數(shù)據(jù)集中收錄于實(shí)驗(yàn)信息管理空間中，并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)操作參數(shù)表如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

下面將本研究的方法與k-means算法模型在平均相對(duì)誤差(MRE)和最小誤差平方和(LSE)上進(jìn)行對(duì)比分析，特定數(shù)學(xué)計(jì)算公式為

(8)

(9)

式中，D為用于驗(yàn)證醫(yī)療器械數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)元素?cái)?shù)據(jù)的總樣本，Ae表示通過(guò)算法模型輸出的e個(gè)檢索設(shè)計(jì)信息，AMe表示為第e個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中輸出的醫(yī)療器械數(shù)據(jù)信息。這2種方法的誤差對(duì)比如表3所示。

表3 誤差對(duì)比示意圖

通過(guò)表3的數(shù)據(jù)可以看到，本研究方法MRE為0.101 3，常規(guī)技術(shù)的k-means算法的MRE為0.179 5，因此本研究方法的算法誤差較小。然后再對(duì)比2種方法的LSE，本研究方法MRE為0.145 8，常規(guī)技術(shù)的k-means算法的MRE為0.247 5，因此，本研究的方法就有明顯的技術(shù)進(jìn)步性。

為了持續(xù)性分析本研究的技術(shù)效果，通過(guò)60個(gè)小時(shí)的計(jì)算，機(jī)械操作精準(zhǔn)度對(duì)比圖如圖6所示。

圖6 機(jī)械操作精準(zhǔn)度對(duì)比圖

從圖6可以分析出，本文研究的基于人性化理念的醫(yī)療機(jī)械操作精準(zhǔn)度可以達(dá)到80%以上，而文獻(xiàn)[1]的醫(yī)療機(jī)械僅能達(dá)到60%。由此可見，本文研究的醫(yī)療機(jī)械有較高的操作精準(zhǔn)度，文獻(xiàn)[1]研究的醫(yī)療機(jī)械操作精準(zhǔn)度較低。且本文研究的操作精準(zhǔn)度隨時(shí)間的增加而不斷上升，上升幅度較大，文獻(xiàn)[1]研究的操作精準(zhǔn)度隨也隨著時(shí)間增加而不斷上升，但上升的幅度小于本文研究。

綜上所述，本文基于人性化理念的醫(yī)療機(jī)械設(shè)計(jì)研究具有良好的機(jī)械操作性，同時(shí)能夠在較高程度上保障患者的安全性，其人性化設(shè)計(jì)能夠時(shí)刻滿足患者需求，具有較高的發(fā)展價(jià)值。

4 總結(jié)

針對(duì)常規(guī)技術(shù)醫(yī)療機(jī)械設(shè)計(jì)中，存在人性化設(shè)計(jì)性能差的問(wèn)題，進(jìn)行了以下技術(shù)研究。

(1) 構(gòu)建出基于改進(jìn)型交互式遺傳算法的檢索模型，能夠從多種醫(yī)療機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)信息，以實(shí)現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)的元素篩選與定位，提高了檢索效率。

(2) 通過(guò)在改進(jìn)型交互式遺傳算法模型中融合ELM算法，在利用前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)不斷的迭代計(jì)算，最終輸出最優(yōu)解。

通過(guò)上述介紹，本研究雖然在一定程度上提高醫(yī)療器械設(shè)計(jì)元素的檢索能力，提高了人性化設(shè)計(jì)能力。但仍舊具有一定的技術(shù)弊端，需要進(jìn)一步地研究。