基于樹莓派的超短波治療儀軟件系統設計

李方云，王云光

（1.上海理工大學醫療器械與食品學院；2.上海健康醫學院醫療器械學院，上海 200093）

0 引言

超短波治療儀是一種先進的臨床醫療常用儀器［1-3］，工作原理是由超短波治療儀的極板形成頻率為40.68MHz左右的高頻電場，作用于人體病患部位產生熱效應加劇人體血液循環，增進組織細胞新陳代謝以達到治療效果［4］。在臨床上已廣泛應用于高血壓、膝骨關節、兒童分泌性中耳炎以及中風肩手綜合征等疾病的診斷與治療［5-8］。

通過閱讀相關文獻發現，國內外對超短波理療儀的需求量十分龐大，市面上常見的超短波理療儀少有配套的軟件系統。荷蘭Enraf Nonius 公司研發的Radarmed 650 超短波理療儀具有持續和脈沖兩種輸出摸式，治療過程需要硬件設置輸出功率、治療時間等參數，與病人信息系統分開。河南翔宇醫療器械公司型號分別為HYJ-1、HYJ-2 的極超短波理療儀，LED 數碼管顯示時間與輸出功率，同樣與病人基本信息分開。近年來，語音技術應用日趨成熟，運用越發廣泛［9-10］，智能化語音導航機器人、AI 語音對話機器人的出現極大方便了人們的生活。在醫療行業，語音很有可能會成為下一代交互設計中最有意義的交互方式［11-12］。基于此設計一款集合語音助手功能的多模塊、交互性強、操作簡便的超短波治療儀軟件系統顯得尤為必要。

Qt 是一種跨平臺、面向對象的C++應用程序圖形界面設計軟件，PyQt 則是Python 和Qt 的結合，將二者的優點相融合可用于高效地編寫各類GUI 應用程序［13］。PyQt5 本身擁有超過620 個類和6 000 個函數及方法，其具有設計界面簡捷、美觀，應用程序實時性和靈活性高等特點，支持Unix、Windows、Mac OS 多個平臺。Pycharm 融合了PyQt5的工具包，支持Python 編程，本文設計的軟件主要在Pycharm 中進行。Raspberry Pi 簡稱樹莓派，是基于Linux性價比較高的迷你計算機，有Type-C 接口、MicroUSB 接口以及3.5mm 的音頻輸出接口［14］，在本設計中可提供麥克風陣列、播放語音等功能，其微小、易于開發的特點成為本項目的硬件首選。超短波治療儀結構如圖1 所示。

Fig.1 Structure of ultrashort wave therapeutic apparatus圖1 超短波治療儀結構

1 系統環境搭建

本設計采用Pycharm+PyQt5+Qt Designer+樹莓派開發環境。首先格式化SD 卡，使用Win32DiskImager 燒錄系統鏡像，開機連接WiFi，用Advanced IP Scanner 查詢樹莓派的地址，隨后利用Putty 遠程登錄樹莓派即可進行相關操作。PyCharm 是一種Python IDE，初次使用可以通過學號或教職工編號在官網申請獲得永久使用權。首先從官網下載Pycharm 軟件Linux 版本，文件默認下載到/home/pi/Downloads 目錄下，通過命令解壓后安裝即可：tar zxvf pycharm-professional-2019.2.3.tar.gz。PyCharm 是一種Python IDE，初次使用可以通過學號或教職工編號在官網申請獲得永久使用權。初次打開軟件時需要設置Python 解釋器，將提前安裝好的python.exe 文件加入環境中。隨后在Pycharm 中選擇File-settings-Project Interpreter，添加相關PyQt5 的工具包；然后選擇File-settings-Tools-External Tools，點擊左上角的綠色加號，Name 填入Qt Designer，Program 選擇已安裝的PyQt5-tools 下面的designer.exe。Working directory 則選擇工作目錄，點擊OK 則添加了Qt Designer 作為PyCharm 的外置工具；Qt Designer 生成的.ui文件需要通過PyUIC 工具轉換成.py 文件，用同樣的方法添加pyuic 和pyrcc，pyrcc 主要負責將圖片轉換成可用的Python 代碼。至此本設計所需要的編程環境已經完成。

2 系統界面及功能

2.1 注冊登錄模塊

登錄界面和注冊界面在Qt Designer 中設計，選擇Dialog 窗口類型，頁面布局采用QGridLayout，選擇合適的控件添加背景完成界面設計后生成.ui 并轉為.py 文件，采用界面和邏輯代碼分開原則，易于后期系統維護。該系統選用MySQL Server 數據庫建立所需的相關數據庫。在Function（）類中添加SQLAlchemy 類設置數據類型，Pymysql 接口中的 database 類用于數據庫的連接、創建等操作。show_warning_message（）、show_info_message（）函數用于彈出提示框。新用戶首先進行注冊，在注冊界面輸入姓名、身份證號、密碼，確認密碼點擊確定即注冊成功。在RegisterDialog 類中添加id_validator 類對身份證號進行校驗，do_register（）函數用于判定注冊界面姓名是否輸入、身份證號是否合法，對btn_confirm 控件添加do_register（）函數。進入登錄界面輸入身份證號和密碼即可登錄。在LoginDialog 類中do_login（）函數用于判斷身份證號與密碼是否已注冊且匹配，do_register（）函數用于登錄系統，新用戶、密碼輸入錯誤、身份證號不合法等均無法登錄系統且予以提示。注冊登錄模塊流程如圖2 所示。

2.2 病人信息管理模塊

登錄成功后進入病人信息管理界面，包括病人姓名、性別、身份證號、科室、病區等基本信息控件，查詢條件分為必填項和選填項：當必填項查詢到的數據有重合時，可以勾選其他查詢條件，__search（）函數用于條件篩選，當勾選選填項則會在Document 中查詢是否符合。下方有btn_query、btn_clear、btn_record，btn_listen 4 個按鈕，在PatientMangeWidget（）類中初始化data_name、data_card、data_zone_index 等參數，為各控件添加Function（）類中定義好的函數實現參數對應。為btn_query、btn_clear、btn_record、btn_listen 分別添加do_search（）、clear_search_form（）、do_log_patient（）、do_voiceAssistant（）函數實現查詢、清空界面數據、打開錄入界面、打開語音助手界面的功能。QTableWidget 控件用于顯示病人信息，refresh_table（）函數中定義了住院號、科室、病區、姓名、性別、生日等QTableWidget-Item，分別傳遞對應參數，病人信息最后一欄設置了治療管理操作，為btn_edit 添加do_manage_patient_treatment（）函數，可打開治療檔案管理界面查看病人治療記錄，輔助醫生了解患者的治療詳情。最下方可選擇病人信息顯示頁面（見圖3）。

Fig.2 Registration and login process圖2 注冊登錄流程

相關核心代碼如下：

Fig.3 Patient information management interface圖3 病人信息管理界面

2.3 病人登記模塊

當點擊錄入按鈕可在錄入界面輸入病人基本信息，如圖4 所示，添加科室、病區，填寫病人癥狀、治療方案，最后點擊確定數據，將數據保存便可在主頁面中查詢。在Log-PatientDialog（）類中do_save_patient（）函數用于判定各控件信息輸入是否符合設定規則，如姓名為2～32 個字符，基本信息控件必填，當輸入有誤或為空則出現彈框提示。定義data 數據字典存放數據，將參數傳遞給其他類。manage_departments（）、manage_zones（）函數分別打開添加科室、病區彈框。

在DepartmentManageDialog（）、ZoneManageDialog（）界面類中，refresh_table（）函數用戶傳遞界面控件參數、添加QTableWidget 布局。do_save（）用于保存編輯后的狀態。科室、病區不能重復且不為空，不符合要求時會出現提示。

Fig.4 Patient registration interface圖4 病人登記界面

2.4 病人治療記錄模塊

如圖5 所示，在病人信息管理界面點擊btn_edit 進入治療檔案管理界面，該界面包括病人的基本信息及治療記錄，醫生可以添加或刪除治療記錄。在PatientTreatManage-Dialog（）界面類傳入doc_id 參數對當前病人治療信息進行操作，在病人信息下方的QTableWidget 空間中顯示其治療記錄。add_treat_record（）、delete_treat（）函數傳入treat_id參數，用于添加和刪除治療記錄。為btn_add 添加add_treat_record（）函數，可進入治療參數填寫界面。Treat-LogDialog（）界面類中do_save（）函數用于保存填寫好的數據，當數據為空時出現提示。

Fig.5 Patient treatment record interface圖5 病人治療記錄界面

2.5 語音助手模塊

語音交互前期簡稱為IVR（Interactive Voice Response），即語音互動式應答，隨后在人工智能和模式識別技術的影響下，自然的交互方式開始逐步在各方面進入大眾視野［15-16］。如慢性病管理語音機器人可以與患者進行實時交流和溝通，進行運動、膳食與心理干預、任務推送及效果評估等慢病健康自我管理工作［17］。基于此，該軟件系統設計了語音助手功能，旨在輔助醫生治療并提高工作效率。語音交互包括語音輸入、語音識別、語義理解、語音合成、語音播報等環節［18］（見圖6）。

本文采用的語音識別技術采用百度語音平臺，相比于其它語音識別方式，百度語音具有一系列優勢。2015 年，百度公司宣布在噪音值輕微環境中，百度語音識別技術的準確率已達到97% 以上。2017 年，百度發布百度AI 開放平臺［19］，其識別精度較高、平臺開源，應用廣泛［20-21］，可識別中文、英語、粵語和四川話。首先在官網注冊，獲取API Key、Secret Key 以及離線SDK 工具包。語義理解和語音合成利用圖靈機器人平臺，需要在官網注冊獲取urls、key 以及api_key。將百度語音識別的語音結果傳到圖靈機器人中，圖靈機器人在對語義進行理解后可以作出回答。在圖靈機器人中可以設計自定義回復，建立輔助醫生治療的疾病類型庫及相關知識庫以輔助醫生診斷，當醫生需要了解時即可啟動語音助手。在SpeechDialog（）界面類中調用function.py 中創建好的MyThread、VoiceThread 線程類，添加pyaudio 庫用于訪問麥克風陣列、揚聲器。在MyThread線程類中定義run（）函數用于執行子線程、獲取語音信號并發給界面。在Function（）類中get_file_content（）函數用于獲取語音字節碼，lic（）函數用于識別語音并轉為文字。在VoiceThread（）線程類中，run（）函數用于獲取圖靈回復內容并轉為語音，將信號發給界面。在MyDialog（）界面類創建界面，定義初始化函數init_gui（）、界面顯示函數create_gui（）、語音按鈕事件listen（）函數等。為btn_listen 添加listen（）函數，監聽樹莓派的麥克風陣列是否有語音事件發生。

Fig.6 Voice assistant interface圖6 語音助手界面

相關核心代碼如下：

3 結語

本文基于Pycharm 和PyQt5 設計出一款集合語音助手功能的多模塊、交互性強、操作簡便的超短波治療儀軟件系統，主要包括注冊登錄模塊、病人信息管理模塊、病人登記模塊、病人治療記錄模塊和語音助手模塊。

目前對超短波治療儀產品的研究，大都只有注冊登錄模塊和部分病人治療記錄模塊，并且醫生無法及時獲取患者的過往治療史。本文設計的超短波軟件系統很好地解決了上述問題，不僅可將患者及治療儀數據同步保存到MySQL Server 數據庫中，而且基于百度語音及圖靈機器人平臺實現了語音助手模塊，幫助醫生通過對話形式快速獲取超短波治療儀、疾病類型介紹等信息，改善了傳統超短波治療儀數據保存滯后的情況，極大減輕了醫護工作者的工作負擔。未來可在該軟件系統的基礎上引入多線程技術進而提高軟件運行效率，為后期該軟件在醫院等落地應用奠定基礎。