基于大數據的青少年視力健康公共服務平臺的設計與開發＊

張玉霞 孫婧

1.中山職業技術學院；2.河南中醫藥大學

世衛組織2020年公布的研究報告顯示，中國青少年近視率居世界第1 位。我國青少年近視率多年來不斷上漲且居高不下的原因，除了長時間看電視、玩手機、遺傳因素等原因之外，青少年不良的學習習慣和不正確的坐姿習慣也占據很大一部分原因。在以預防為主的指導思想下，從家庭和青少年自身學習習慣的角度，設計和搭建了一個青少年視力健康公共服務平臺，該平臺包含能在家里電腦上或手持移動終端上進行視力測試、視力數據管理及分析的視力檢測預警服務系統和對學習過程中的坐姿、視距、用眼時長及環境光進行監測和提醒的輔助青少年生活和學習的監護的視力監護系統。輔助青少年養成衛生用眼的好習慣，以期從家庭和個人層面為青少年視力防控提供借鑒。

據統計，我國青少年近視率已經高居世界第一，其中中國初高中生和大學生的近視率均已超過70%[1]，而美國青少年的近視率約為25%，澳大利亞僅為1.3%，德國的近視率也一直控制在15%以下。由近視所造成的視力下降不僅影響了青少年的日常生活和學習效率，更對其未來的升學和就業發展帶來諸多限制，給個人帶來很大健康危害[2]，也給社會帶來很大的負擔。因此，加強對近視的預防，是當前我國乃至國際社會面臨的刻不容緩的任務。我國政府也高度重視這一問題，2018年8月30日，教育部等八部門聯合印發《綜合防控兒童青少年近視實施方案》，將中國兒童青少年近視防控上升為國家戰略；2021年4月，教育部等十五部門聯合印發《兒童青少年近視防控光明行動工作方案（2021—2025年）》，共同實施八個專項行動防控兒童青少年近視。

預防近視最好的方法就是全面設防、長期預防，措施就是盡可能頻繁地進行視力檢測。目前，在視力檢測中，一般要去眼科服務機構或配鏡中心，流程繁瑣，即使買了家用的視力測試表，但容易測試數據分散，沒有統一存儲和管理。還有一種監視方式是在醫院用大型驗光設備如驗光儀、檢影鏡進行專業的視力檢測，這種檢測結果比較準確，但使用門檻高、設備造價昂貴，這在一定程度上都造成了視力檢測的不便。本研究針對上述問題，設計和搭建了一個能在家里電腦上或手持移動終端上測試視力的便捷服務系統，簡化當前視力測試的流程和時間，能自助的隨時隨地檢測自己的視力。并把每次的測試結果上傳到服務平臺后臺數據庫，可根據數據的統計分析隨時掌握視力的變化情況。這樣可改善視力檢測不及時、數據分散存儲難分析及無法實時預警提醒的問題。同時該服務平臺還設計了一個輔助青少年生活和學習中對視力進行監護的系統，對學習過程中的坐姿、視距、用眼時長及環境光進行監測和提醒，輔助其養成良好的用眼習慣。

1 系統總體方案設計

通過物聯網、大數據技術及互聯網移動技術構建視力健康公共服務平臺。通過電腦或移動終端實現視力在線檢測，讓視力檢測普遍化、家庭化。通過大數據、人工智能等技術對數據進行智能分析，形成分析報告及視力健康畫像，為青少年視力發展及異常提供預警分析服務，讓用戶能及時了解自己的視力健康狀態，為個人視力發展狀況及以后的視力診療提供參考。平臺還設計有視力監護系統，主要功能是輔助青少年在平時的生活和學習中對視力進行監護和提醒，幫助其養成良好的用戶習慣，把近視重點防控在預防階段，減少近視的發生率或嚴重率。平臺的總體方案框圖如圖1所示。

圖1 平臺總體方案框圖Fig.1 Block diagram of the overall plan of the platform

2 系統總體設計

2.1 視力健康數據云平臺設計

視力健康數據云平臺主要為用戶提供注冊、視力數據檢測和存儲、數據管理、統計分析和智能推薦等服務的云平臺。利用物聯網平臺上報環境光線強度、視距等傳感器數據及攝像機視頻數據，物聯網平臺將數據通過數據接入服務轉發至視力健康服務平臺，視力健康服務平臺處理數據并寫入統計文件，數據可視化服務從統計文件讀取數據展現為報表。同時設計了MySQL 打通了更多外界的數據源，實現了數據的實時更新。平臺的架構圖如圖2所示。

圖2 平臺架構圖Fig.2 Platform architecture diagram

2.2 視力檢測系統設計

視力檢測系統主要包括視力檢測、視力檢測報告及個人視力健康畫像[3]。針對上述功能，設計和開發了PC端和移動端實現上述功能。

2.2.1 視力測試

采用人機交互自助智能視力測試方法，用戶輸入自己的賬號和密碼。登錄進入自助視力測試界面，界面呈現預設的測試說明，并配有語音講解。登錄系統后顯示視標、上下左右朝向E、左眼測試、右眼測試、雙眼測試、視力判斷、視力晉級、語音提示、人機互動自助完成視力測試，視力測試的時間和測試結果實時上傳到云服務器的后臺管理系統。用戶登進入測試頁面后，屏幕會出現一個E 視標，對應最小的視力等級，通過控制器上的上下左右鍵來選擇E 的方向，連續選擇正確2 次，自動進入下一個等級的測試，連續選擇錯誤2 次后則自動結束跳轉到測試結果界面，在測試結果界面有按鈕可返回測試界面進行另一只眼的測試或雙眼測試。測試結束后，此次測試的時間和測試的結果自動上傳到云服務器中。同時在視力報告模塊顯示本次視力測試的結果。

用戶可以把在家用紙質視力表測視力的數據、學校每學期定期的視力檢測結果、去眼科醫療機構的檢測結構要及時上傳到該服務平臺，方便及時對數據進行管理和分析。

本模塊也設置了一個色盲監測的菜單和簡單的散光檢測功能，可以初步篩查一下色覺和散光是否有異常的情況，如初步判斷有異常建議用戶到專業機構進一步檢測獲得更準確的建議。

2.2.2 視力檢查報告

該模塊根據每次的測試結果生成當次的視力檢查報告外，也可根據身份信息訪問視力監測檔案庫，下載該用戶的歷史視力測量數據，結合最近3 次的測量數據繪制曲線生成視力監測報告，讓用戶更直觀的及時了解自己視力的變化，加強對自己視力健康的重視。

2.2.3 個人視力健康畫像

利用人工智能機器學習及大數據技術，對用戶的個人信息、歷史視力監測自動上傳的海量數據及從學校、驗光中心、醫院檢查后錄入的視力數據進行智能分析和整理，生成關鍵視力特征摘要，和用戶的個人信息一起存儲到數據庫中，用戶自己或授權的機構可通過視力特征摘要和個人標簽生產的健康畫像，了解用戶的病史信息，提高醫生的診療質量和效率。

在對視力歷史數據進行智能分析時用到了樸素貝葉斯分類算法，通過樸素貝葉斯分類算法對視力歷史數據分類結果進行訓練，得出訓練模型，對用戶下一步的視力發展情況進行初步預測，讓用戶對自己的視力發展趨向有初步的了解，便于及時采取對應的措施，同時也可為醫生診斷起輔助作用。

2.3 視力監護系統設計

視力監護系統設計目前主要包含坐姿監測、視距監測、環境光監測、用眼時間監測及護眼知識科普及護眼活動。

2.3.1 坐姿監測[4]

本模塊主要是使用攝像儀頭進行監測，識別與提取攝像設備獲取的視頻流中的用戶特征來對不同坐姿進行判斷，可以較為直觀、準確地監測到使用者坐姿是否準確，同時對保持坐姿的時長進行實時檢測，在需要的時候給予用戶提示并顯示當下狀態，提醒用戶更正不良坐姿，如果時長太久提醒用戶離開座椅活動身體及關節、推送眼保健操或健身操等。

2.3.2 視距監測

據醫學研究表明，青少年看書學習時眼睛與書的距離保持在33.3cm 左右是最合理的。視距的范圍一般在60cm 內，利用超聲波傳感器發射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經歷的時間即往返時間，用公式s=vt/2 計算距離，其中s 為被測物體到測距儀之間的距離，測地的時間為t，超聲波傳播速度為v。在使用過程中，平臺上實時顯示測試的距離，超出設置的閾值發出提醒，幫助使用者形成良好的坐姿及用眼習慣。

2.3.3 環境光監測

本模塊借助智能手機、平板電腦的環境光傳感器監測周圍光照強度，當判斷當前環境光強度超出預設的安全值（300-500lx）[5]時，發出提醒信息（如太暗、偏暗、合適、偏亮、太亮等），讓用戶在學習、工作中及時地改善照明情況，從而保護視力。

2.3.4 用眼時長監測

本模塊主要是使用攝像儀頭進行監測，識別與提取攝像設備獲取的視頻流中的用戶特征，根據判斷用戶特征能否繼續提取成功進行累計計時，每分鐘提取一次，如果提取成功則時間加1，因中小學讀寫連續用眼時間不宜超過20min，所以累計到20min 提醒一次，如果用戶離開了座位，視頻中提取不到用戶的特征，則計時器一分鐘減1，減到0 為停止。借此可以輔助用戶管理持續用眼時長，提醒用戶及時調節眼睛，放松眼部肌肉，多戶外活動，眺望遠處，緩解眼疲勞，預防近視。

2.3.5 視力健康教育

本模塊就是一個視力健康教育的科普宣傳的網頁，包含綜合防控政策宣傳、防近視知識和案例、愛眼活動策劃、營養健康、戶外活動、眼保健操和健身操、診療常識、診療方案等科普宣傳知識，幫助青少年了解用眼衛生及眼健康知識及近視防控知識，重視養成良好的用眼習慣，主動預防階段下工夫，降低自己近視的概率。

3 討論

防控兒童青少年近視，需要全社會群策群力，形成多方合力，其中家長應當尤其重視孩子早期視力保護與健康，做到早發現早干預，改變“重治輕防”觀念，及時預防和控制近視的發生與發展。青少年視力健康服務平臺的建立，可實現家庭及個人對青少年視力檢測和視力健康數據管理的方便化、快捷化、家庭化。

該平臺主要特點是視力數據測試、管理和輔助培養青少年健康用眼習慣，注重視力預防，符合當今國家對青少年的視力防控戰略要求。國家大力支持青少年視力健康防控管理，鼓勵學校、家庭結合眼科醫療中心，利用云計算、大數據等技術搭建具有長期跟蹤、預測預警等個性化健康管理服務功能的公共信息平臺，為預防近視、降低我國青少年的近視率提供實踐參考。

4 結語

本研究針對青少年視力健康的現狀，結合目前的技術和家庭情況及青少年的學習習慣，初步構建了青少年視力健康公共服務平臺。硬件包括云服務器和傳感器、攝像機等設備，其中云服務器選擇阿里云服務器，數據庫采用的MySQL，傳感器有光傳感覺、距離傳感器等；軟件PC 端和移動端，平臺功能包含視力檢測預警和視力監護兩個系統模塊，視力檢測預警系統包括視力測試、視力檢查報告、個人視力健康畫像3 個模塊，其中視力檢查報告和個人視力健康畫像模塊具有預警提示的功能。視力監護系統具有坐姿監測、視距監測、環境光監測、用眼時長監測和視力健康科普宣傳等功能，本研究設計并構建的青少年視力健康公共服務平臺為青少年視力防護從醫院到家庭和個人視力健康管理的延伸提供了可能，具有良好的推廣價值及應用空間。