基于眼睛生物參數測量儀的遠程控制系統研究

收稿日期：2023-11-20

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.008

摘" 要：醫療資源的分配不平衡導致在農村和偏遠地區，眼科醫生的數量和質量都難以滿足當地居民需求，大量眼科疾病的延誤診斷使得居民健康防治開展極為困難。為了解決上述問題，基于現有的生物測量儀，開發了一套遠程控制系統。該系統以C/S架構為基礎，結合UDP穿透技術，實現報文的直接發送到對應客戶端的NAT網關。通過該系統可以確保檢測過程中音視頻傳輸的低時延和高質量，從而專業的眼科醫生可以克服地域限制，為偏遠地區的患者提供及時、準確的診斷服務。

關鍵詞：健康防治；遠程控制；C/S架構；低時延和高質量

中圖分類號：TP311" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）05-0036-05

Research on Remote Control System Based on Eye Biological Parameter Measurement Instrument

WAN Bin1， XIAO Hongjun1， ZENG Yaguang2

（1.School of Mechatronic Engineering and Automation， Foshan University， Foshan" 528225， China;

2.School of Physics and Optoelectronic Engineering， Foshan University， Foshan" 528225， China）

Abstract： The imbalanced allocation of medical resources has led to a situation where the quantity and quality of ophthalmologists in rural and remote areas are unable to meet the needs of local residents， resulting in a significant number of delayed diagnoses of ophthalmic diseases and thereby posing substantial challenges to the implementation of residents' health prevention and treatment. To address the aforementioned issues， a remote control system has been developed based on existing biological instruments. The system is based on C/S （Client/Server） architecture and integrated with UDP （User Datagram Protocol） hole punching technology， realizes the direct transmission of messages to the NAT （Network Address Translation） gateway of the corresponding client. Through this system， low-latency and high-quality audio and video transmission during the detection process can be ensured， thereby enabling professional ophthalmologists to overcome geographical constraints and provide timely and accurate diagnostic services to patients in remote areas.

Keywords： health prevention and treatment; remote control; C/S architecture; low-latency and high-quality

0" 引" 言

眼睛作為人類接觸外界信息最主要的感知器官，具有復雜的層級結構，包括角膜、前房、晶狀體、玻璃體和視網膜等。這些微妙的結構使眼睛容易受到不良使用習慣的影響，從而導致白內障、青光眼、硅油眼、視網膜脫落和黃斑變性等疾病[1，2]。為了及時偵察到此類疾病的產生并制止其進一步惡化，定期的眼部檢查顯得尤為重要。而生物測量儀提供了一種簡便的檢測手段，能夠在10秒內測量眼球的屈光參數、視軸參數和角膜參數等，通過對眼球參數的精準測量進行眼科疾病的預防和診斷[3]。然而，眼部參數的復雜性需求經驗豐富的眼科醫生進行解讀，偏遠地區由于醫療資源的匱乏，很少有對應領域的專業醫生，而普通醫生又容易面臨誤診的風險，提高了患者的時間和經濟成本。

近年來，隨著5G互聯網技術的興起和其服務監督體系的日臻完善，各行各業都開始與其進行深度融合。此背景下，遠程控制技術的應用逐漸顯現出其解決行業痛點的巨大潛力[4，5]。通過借助5G高帶寬，高可靠性，大連接等特性和遠程桌面協議（Remote Desktop Protocol， RDP）在圖形渲染和多通道數據傳輸方面卓越表現，保障了醫學圖像和檢測數據的實時傳輸[6]。從而居民可以在眼鏡店、視光中心或任何部署生物測量儀的場所進行日常檢查。當檢測到存在異常的檢查結果時，遠程控制系統中的數據中心將向值守的專業醫生發送通知，由醫生進行遠程控制連接和診斷，進而提供相應的醫療建議和處理方案。

本遠程控制系統以RDP協議為基礎，通過幀比較算法的差異傳輸，結合LZ77數據壓縮進一步消除數據中的冗余，降低網絡傳輸負擔，確保醫學圖像和檢測數據的實時傳輸和高質量展示。數據傳輸過程中采取AES-256位加密和RSA公鑰加密技術確保醫療信息的安全性[7-12]。此外，經由數據中心結果監測、任務分配，在客戶端獲得控制權限后，系統采用服務端與客戶端直接相連的策略，減輕了數據中心的運行負荷，從而提升了整體系統的穩定性和運行效率。在這一架構下，即便在網絡環境復雜的情況下，遠程控制系統也能保持穩定的運行性能和高效的數據處理能力，保障了遠程醫療診斷服務順利進行。

1" 遠程控制系統的整體設計方案

遠程控制系統主要由三部分構成：設備服務端、云端數據中心以及醫生客戶端。這三者之間的關系如圖1所示。設備服務端的核心職責是對測量儀所檢測的圖像進行壓縮和加密處理，隨后將其傳遞給客戶端，同時調用設備的API以實現對設備的精準控制。云端數據中心則主要承擔數據的監測任務，并負責控制權限的轉接。而醫生客戶端的主要功能是實時接收并顯示檢測圖像，并向設備發送控制命令。

圖1" 系統組成關系

本系統的應用層采用C/S架構，而非當前較為流行的B/S架構，主要出于對醫療數據安全性的考慮。二者區別如表1所示。盡管基于瀏覽器的B/S設計允許在任何設備上迅速部署，并不受操作系統的限制，使醫生能在任何聯網設備上進行操作，但瀏覽器依賴于HTTP/HTTPS協議，雖然HTTPS是安全的，但在缺乏嚴格的傳輸層安全（Transport Layer Security， TLS）配置下，該協議可能暴露于漏洞之中從而導致數據的泄露或篡改。C/S架構的數據傳輸通常依賴于如TCP/IP、UDP或RPC等協議，這些協議為應用提供了更大的靈活性和定制性。允許更深入的數據加密、優化的網絡通信協議和更高效的資源管理，從而降低潛在的安全風險。此外，B/S架構的輕量化特點意味著服務器需要承擔更多的職責，導致在數據實時刷新時，其處理能力可能不足。而C/S架構可以實現持久的TCP連接，通過設備點對點通信避免了HTTP的額外開銷，提供了更高的數據處理效率以及更低的延遲。

表1" C/S與B/S架構對比

工作原理 C/S B/S

服務端客戶端點對點通信 Web服務器與數據中心多對多通信

依賴協議 TCP/IP、UDP、RPC等 HTTP/HTTPS

響應速度 依賴于通信協議 與訪問數量有關

安全性 更深入的安全措施和定制化 主要依賴于HTTPS

開發速度 前、后端與數據中心界限混雜，需開發人員協調進度 前端和數據中心分離徹底，開發進程相互獨立

維護重心 全系統 集中數據中心

部署難度 需根據操作系統專門部署 只需裝有瀏覽器

界面交互 個性化、靈活度高 依賴已有的樣式

為了增強系統的靈活性、可維護性和擴展性，同時降低開發難度并提高開發效率，選擇MVVM（Model-View-ViewModel）設計模式，如圖2所示。在此模式中，ViewModel層起到了橋梁的作用，將View（視圖）與Model（數據模型）進行了分離。這種設計以數據驅動為核心，前端專注于界面顯示和用戶交互，而后端則處理業務邏輯和數據處理。這不僅確保了數據模型作為獨立的實體，而且保證了它們、視圖和視圖模型可以靈活地復用。

圖2" MVVM模式框架

在該遠程控制系統中，各部分均為獨立的子系統。為提高服務的高可用性、擴展性以及系統的可靠性和運維效率，采用了多模塊處理和容器化技術。系統的整體框架如圖3所示。總共分為三個子系統和一個公共模塊。

圖3" 系統整體框架

服務端一共分為五大模塊。電機控制模塊，負責控制生物參數測量儀的移動，通過對測量儀電機的直接控制實現每一步的精準移動；數據篩選模塊，負責將測量儀獲取的所有結果和當前的網絡環境參數進行選擇性的保存，在合適的時機進行上傳。光功率控制模塊，用于控制測量儀的光源功率，在自動測量的時候，為了避免高功率對角膜厚度較低檢測者產生的灼燒感，從而將功率保持在最低限度，但是當出現異常結果時，針對檢測者已有結果進行合適的調節功率可以實現更精準獲取二次測量結果，從而為醫生提供更多信息；屏幕控制模塊，負責獲取測量儀程序的整體控制權，實現其他功能的統一調度。

數據中心分為三大模塊，其中數據處理模塊用于將接收的數據進行分析對比，然后判斷是否存在異常。如果存在異常，則啟動任務分配模塊；任務分配模塊主要用于根據職守醫生的工作狀態來分配遠程診斷任務，通知醫生并授予其控制權限。

客戶端主要分為四個模塊，視頻顯示模塊用于接受實時診斷圖像，并將其顯示在客戶端。文件操作模塊用于獲取該用戶的上一次的測量結果，和過往的所有測量結果，為醫生提供參考。指令發送模塊用于發送控制指令到服務端，從而實現對設備的完整控制。

公共模塊一共為三大部分，數據加解密部分，數據壓縮和解壓縮部分以及各種類型文件的傳輸。其中由于醫療的圖像的保密，因此三個子系統都需要數據加解密模塊，而數據的壓縮和解壓縮模塊主要檢測者檢測過程中的音視頻傳輸過程，為了保證傳輸的實時性，需要盡量壓縮數據大小。醫學圖像傳輸模塊一般由服務端和數據中心調用，實現測量結果的上傳和發送到醫生客戶端。文本文件傳輸模塊主要為醫生提交的意見文件，通過該模塊可以發送到客戶端從而轉發到數據中心，在這個過程中，客戶端只是做一個單純診斷軟件，無法直接查詢檢測的信息，從而保證了檢測者信息的隱秘性。

2" 遠程控制的具體實現

2.1" 業務流程

生物測量儀檢測過程中的遠程控制具體業務流程如圖4所示。在設備啟動的時候，被控程序作為一后臺進程，隨測量儀的啟動而自動激活，通常保持在靜默模式。當無人值守模式下，檢查者提交檢查申請，通過設備人臉識別檢查者，然后進行自動測量，測量結束后由服務端程序將測量結果上傳至數據中心。數據中心對上傳的數據進行分析處理。若未檢測到數據異常，則通知檢查者結束測量，具體結果會由數據中心分發到對應小程序由其自行查看。若發現檢測異常則消息廣播到所有空閑職守醫生的客戶端，醫生接取遠程診斷任務后，則通過客戶端進行控制連接，數據中心會對客戶端做權限匹配，從而醫生可以控制到任務接取目標測量儀。與此同時，客戶端也會拉取由數據中心提供的該用戶的本次和歷史檢測記錄供醫生查看。遠程控制過程中，客戶端和服務端直接相連，服務端通過不同的模塊實現對測量儀精準控制和將音視頻壓縮加密傳輸到客戶端。在人工測量結束后，醫生做出診斷結果，客戶端將結果保存到數據中心并由服務端傳遞到生物測量儀告知檢查者本次二次診斷結果。

用戶檢測過程和遠程控制畫面對比如圖5所示，檢測者提交檢測申請后，用戶信息會顯示在設備端觸摸屏界面上，之后將下巴置于額托開始檢測，檢測結果出現異常，則由專業醫生遠程控制進行調整再次測量。

（a）檢測時圖片

（b）遠程控制畫面

圖5" 檢測畫面與控制畫面對比

2.2" 設備數據采集和音視頻傳輸實現

為了保障音頻、視頻及文件等多種數據類型的順暢傳輸和圖形渲染性能，設備數據采集和音視頻傳輸環節采用了基于RDP的技術策略。鑒于RDP協議在數據安全性方面的潛在不足，進一步整合了LZ77壓縮算法與Huffman編碼，以優化數據傳輸的效率和實時性。同時，為強化數據的完整性和機密性保障，采用了AES-256位加密和RSA公鑰加密技術。此外，本系統通過實施NAT穿透技術，實現了在復雜網絡環境中客戶端與服務端的直接相連，從而在一定程度上優化了整體的通信效率和穩定性。

2.3" 云端數據處理和任務分配實現

在云端數據處理與任務分配的實現領域，本系統構建了一種較傳統遠程控制系統更為智能化和效率化的策略。傳統模型常受制于固定化的網絡拓撲和人工干預，不可避免地導致了帶寬的過度消耗和在實時性要求場景下的手動配置帶來的連接效率抑制。相對而言，本系統通過數據中心實現了客戶端至服務端的控制權限的自動化匹配管理。具體實施中，僅當檢測者的數據經過初步的異常檢測算法（Anomaly Detection Algorithm）識別出潛在的異常點時，數據中心的任務分配算法（Task Allocation Algorithm）將被激活。繼而，接取到診斷任務的醫生發起控制申請，數據中心在驗證其權限后，允許其控制需進行二次檢測的設備。此機制不僅顯著減輕了系統的通信負擔，降低了冗余的帶寬消耗，而且確保了在關鍵時刻能夠實現快速、精確的任務分配和數據處理。

2.4" 客戶端畫面顯示和控制實現

在遠程控制系統的客戶端畫面顯示和控制實現方面，采用.NET MAUI作為核心的圖形用戶界面（GUI）設計和實現工具，確保了在多平臺（包括Windows、Android、MacOS和iOS）上的應用一致性和高性能表現。通過.NET MAUI的強大數據綁定和圖形渲染能力，實現了遠程桌面的實時、高清顯示，同時利用其異步編程模型確保了用戶交互的流暢性。在控制數據的傳輸方面，綜合運用了TCP/IP和UDP協議，以滿足數據的結構化傳輸和解析。具體而言，TCP/IP協議通過其可靠的連接確保了控制指令的完整性和準確性，而UDP協議則通過其無連接、低延遲的特性，保證了音視頻數據的實時傳輸。

3" 結" 論

本文提出了一套遠程控制系統，搭配佛山靈覺科技有限公司生產的LUS-1000Plus生物測量儀進行使用。通過該系統，使得部署的每一臺測量儀與任意地理位置的值守醫生形成互聯互通，由數據中心的人工智能算法對檢查者的測量結果進行初步異常判斷，決定是否通知專業醫生進行二次測量診斷。極大程度上提高了檢查者進行眼科疾病檢測的效率，節約了檢查者時間和經濟成本。同時，無人職守的檢測模式降低了生物測量儀的部署成本，實現了醫療資源的優化分配，有助于縮小不同地域之間在眼科醫療服務上的差距。

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作者簡介：萬斌（1998—），男，漢族，江西上饒人，

在讀碩士研究生，研究方向：智能檢測與智能控制研究；肖紅軍（1979—），男，漢族，湖南益陽人，副教授，博士，研究生方向：智能檢測與智能控制；曾亞光（1975—），男，漢族，湖南湘潭人，教授，博士，研究方向：光電檢測、光學成像、圖像處理及算法。