醫院體檢護理數據采集管理系統的設計與實現

郅伏利，于 紅，劉 穎，黃云鋒

(首都醫科大學附屬北京康復醫院勞模健康管理中心，北京 100010)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，人們的生活水平不斷提高，對生活質量的要求也越來越高。但是，處于亞健康的人們也越來越多。現代日常生活的節奏明顯加快，醫院傳統意義上的體檢業務存在工作效率低下的問題，需要利用進行數字化改革[1-3]，從而提高醫院的業務處理效率。這也是未來醫院信息化發展的方向。

相比國外醫院的人體生理參數采集系統[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的軍衛體檢系統的設計。該系統采用C/S三層架構+抽象工廠模式，可維護性較強。但是該系統設計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，降低了醫院的體檢業務成本支出。但是該系統在體檢結果的診斷上沒有作出優化，導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勢，何秀強等[8]提出了一種基于先進微處理器(advanced RISC machines，ARM)的運動環境監測系統設計方法，為人體健康監測系統的研究提供了思路。

因此，在上述研究的基礎上，本文設計了一個基于ARM平臺的醫院數據采集管理系統。該方法利用Cortex-A8開發板采集并傳輸體溫、心電和血氧等體檢常用生理指標數據，在服務器中結合模糊推理模型對數據進行融合處理，完成體檢結果的決策判斷。

1 系統總體設計

本文設計的體檢數據采集與管理系統選用ARM公司的低成本、低功耗ARM芯片[9]開發板主控制模塊。系統總體框圖如圖1所示。

圖1 系統總體框圖

主控制模塊采用Cortex-A8系列的TQ210，負責對各個采集子模塊采集的數據進行分析和處理。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，實現5 cm范圍內的卡片信息讀取，并通過Cortex-A8開發板上的I/O接口[10]進行通信。從圖1中可以看出，該系統共有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，為了實現與客戶端進行通信，網絡傳輸模塊使用了均支持TCP/IP 協議的兩種模式：①可以實現WiFi功能的HLK-RM04網卡；②可以實現有線以太網功能的DM9000網卡。

2 系統硬件設計

2.1 電源電路的設計

系統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的輸入電壓進行過壓保護。電源保護電路如圖2所示。

圖2 電源保護電路

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3.3 V。電壓轉換電路如圖3所示。

圖3 電壓轉換電路

2.2 心電采集模塊電路的設計

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，負責通過串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)將低頻雙極性生物信號(0.05～150 Hz)發送到Cortex-A8主控制模塊[11]。電路內置 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計

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開發板的通用型輸入/輸出(general-purpose input output,GPIO)接口進行通信，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負責數據信號傳輸，SCL負責時鐘信號同步。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為絕對溫度數據存儲的空間地址。

2.4 血氧飽和度采集模塊電路的設計

血氧飽和度采集模塊選用了NJL5501R紅外傳感器進行指尖檢測，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，實現光電信號轉換。

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計

體重采集模塊采用了20位串行AD轉換芯片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 系統軟件設計

整個體檢護理數據采集管理系統采用瀏覽器和服務器(browser/server,BS)模式。客戶端可以通過網頁的形式查看體征檢測結果。整體系統的軟件設計分為兩個部分，即嵌入式端程序和服務器端程序。

3.1 嵌入式端程序設計

由于嵌入式端采用了ARM Cortex-A8開發板，嵌入式軟件開發選取了開源的Linux系統，具體為Ubuntu 2.6.29版本。使用arm-linux-gcc-4.3.2搭建了交叉編譯環境，并進行了內核的編譯及移植。嵌入式端主程序采用了Epoll 架構。主程序流程如圖9所示。圖9中均為Epoll 架構中epoll_even變量的函數。

圖9 主程序流程圖

3.2 基于模糊推理模型的服務器端數據融合決策

為了優化體檢結果的診斷結果，本系統在服務器端對各采集子模塊的數據進行融合處理，通過模糊推理模型[12]，完成診斷結果判斷。基于模糊推理模型的體檢數據融合步驟如下。

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

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

(3)

設數據樣本Si(t)與其他所有體檢數據樣本之間的距離平均值為di(t)，并設d(t)為其他所有體檢數據樣本之間的平均距離，則：

(4)

(5)

式中：n為樣本總數。

③通過融合度函數Cij(t)，對各采集子模塊數據之間的誤差進行判斷。

(6)

④實際判讀過程中采用模糊權值系數進行簡化觀測。融合結果的計算方式如下：

(7)

3.3 數據庫設計

Tomcat服務器端使用的數據庫是關系型My SQL數據庫，體檢用戶實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 試驗測試與結果

4.1 系統運行測試

為了驗證提出系統的可行性和先進性，進行了Web登錄服務器測試。在系統嵌入式端的網絡傳輸模塊中設置IP地址為192.168.100.101，即服務器端的網址。客戶端通過瀏覽器訪問體檢系統的Tomcat服務器。用戶可以根據時間和姓名信息，查詢自己的體檢信息。在登錄成功后，就會跳轉到體檢護理數據采集管理系統的主頁，從而全面顯示用戶體檢的各種數據以及最終體檢診斷結果。同構這種網頁瀏覽查詢的方式，有效提高了醫療體檢業務的工作效率，為用戶提高了服務便捷性。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；體檢結果：您的生理指標都在正常范圍之內。身體非常健康；”。

4.2 結果分析

為了驗證采用模糊推理模型對體檢結果進行融合決策判斷的性能，隨機選取了5位體檢用戶的數據進行診斷精度分析，包括心電、體溫、血氧飽和度和體重。用戶體檢測量數據如表1所示。

表1 用戶體檢測量數據

從表1可以看出，4個生理指標的測量誤差均較小，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位用戶體檢診斷結果的準確率達到100%。在3個月周期的測試中，大量用戶體檢診斷結果的準確率達到99.3%，相比與文獻[7]提高了約1.6%。

5 結論

本文設計了一個基于ARM平臺的醫院數據采集管理系統，提出利用ARMCortex-A8開發板采集體檢常用生理指標數據，并在Tomcat服務器中結合模糊推理模型對數據進行融合處理，完成體檢結果的決策判斷。測試結果表明，該系統可以有效提高醫療體檢業務的工作效率和診斷精度。但是，目前網頁界面較為簡陋，用戶條件查詢功能有限。后續將對UI界面進行美化，并添加更豐富的頁面功能。