基于指紋特征的患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)研究

譚庭強(qiáng)，李黎，黃仁炳

四川省腫瘤醫(yī)院 放療中心，四川 成都 610041

基于指紋特征的患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)研究

譚庭強(qiáng)，李黎，黃仁炳

四川省腫瘤醫(yī)院 放療中心，四川 成都 610041

目的 研究基于指紋特征的患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于腫瘤放射治療領(lǐng)域，提高醫(yī)務(wù)人員對(duì)患者身份識(shí)別的準(zhǔn)確性，保障患者安全。方法 結(jié)合放射治療流程和患者身份識(shí)別需求，研究自動(dòng)患者身份識(shí)別的流程，設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件系統(tǒng)，研發(fā)基于自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)的患者身份識(shí)別軟件程序。結(jié)果 對(duì)500名患者進(jìn)行了12500次自動(dòng)身份識(shí)別測(cè)試，結(jié)果表明系統(tǒng)的誤識(shí)率為0，誤拒率為1.2%。結(jié)論 基于指紋特征的自動(dòng)患者身份識(shí)別系統(tǒng)易于整合到現(xiàn)行的放射治療工作流程中，能有效保證患者身份識(shí)別的準(zhǔn)確性，在保障患者安全方面具有極高的實(shí)用價(jià)值。

患者身份識(shí)別；自動(dòng)指紋識(shí)別；放射治療；患者安全

引言

患者身份識(shí)別是指醫(yī)務(wù)人員在醫(yī)療活動(dòng)中對(duì)患者的身份進(jìn)行查對(duì)、核實(shí)，以確保正確的治療用于正確患者的過程[1]。準(zhǔn)確識(shí)別患者身份對(duì)防止誤診、誤治，減少醫(yī)療糾紛，保障患者安全具有重要意義。在衛(wèi)計(jì)委下發(fā)的《患者十大安全目標(biāo)》里，第一條就是“嚴(yán)格執(zhí)行核查制度，提高醫(yī)務(wù)人員對(duì)患者身份識(shí)別的準(zhǔn)確性”，足見其重要性。在放射治療領(lǐng)域治療患者身份識(shí)別錯(cuò)誤是引起放射治療事故的直接原因之一[2]，這可能與目前普遍采用人工核對(duì)患者姓名和腕帶信息作為放射治療患者身份識(shí)別的方法有關(guān)。 這一識(shí)別方法應(yīng)用在放射治療患者身份識(shí)別中容易出現(xiàn)紕漏和存在隱患的地方：① 人工識(shí)別可能因?yàn)獒t(yī)務(wù)人員的疏忽或者在識(shí)別過程中被打斷而造成識(shí)別不準(zhǔn)確；② 作為患者身份識(shí)別的依據(jù)不嚴(yán)謹(jǐn)，例如可能同時(shí)會(huì)有兩個(gè)同姓名的患者在同一治療設(shè)備接受治療、患者佩戴的腕帶信息丟失、患者未佩戴腕帶等；③ 患者身份識(shí)別過程是在患者進(jìn)入治療室前完成，存在患者交換的風(fēng)險(xiǎn)。

本研究基于人類指紋具有唯一性、無法借用與仿冒、不怕丟失、不用專門攜帶、不會(huì)遺忘和容易采集等特點(diǎn)[3-4]，利用自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)[5]，結(jié)合放射治療流程，研究易于整合到現(xiàn)有放射治療流程的患者身份自動(dòng)識(shí)別方法，設(shè)計(jì)基于指紋特征的放射治療患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，旨在消除現(xiàn)行放射治療患者識(shí)別方法的紕漏和存在的隱患。本研究設(shè)計(jì)的患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)包含硬件系統(tǒng)和軟件程序兩個(gè)部分。硬件系統(tǒng)具有患者指紋采集、產(chǎn)生外部連鎖信號(hào)和為軟件程序提供運(yùn)行平臺(tái)的功能；軟件程序的主要功能是通過對(duì)患者指紋的自動(dòng)識(shí)別來驗(yàn)證患者的身份是否正確。

1 總體思路

為了消除現(xiàn)行患者身份識(shí)別方法的紕漏和隱患，基于指紋特征的患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)需具備以下特點(diǎn)： ① 以指紋特征作為患者身份識(shí)別的依據(jù)；② 患者身份識(shí)別過程是自動(dòng)執(zhí)行的；③ 患者身份識(shí)別是在患者進(jìn)入治療室后執(zhí)行；④ 患者身份識(shí)別失敗時(shí)，系統(tǒng)能夠發(fā)出連鎖信號(hào)，阻止治療設(shè)備繼續(xù)為當(dāng)前患者治療；⑤ 患者身份自動(dòng)識(shí)別流程要易于整合到現(xiàn)有的放射治療流程，作為放射治療的步驟之一。

自動(dòng)指紋識(shí)別的工作模式宜采用驗(yàn)證模式[6],即預(yù)先在系統(tǒng)樣本庫中登記患者的指紋樣本，并且與患者的ID關(guān)聯(lián)起來。進(jìn)行身份識(shí)別時(shí)先通過患者的ID從指紋庫中獲取樣本指紋特征值，然后與現(xiàn)場(chǎng)采集到的患者的指紋特征值進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證患者的身份是否正確?；颊呱矸葑詣?dòng)識(shí)別流程與放射治療流程整合后的工作流程示意圖，見圖1。

圖1 放射治療患者身份自動(dòng)識(shí)別流程圖

流程圖中實(shí)線部分是患者信息的登記注冊(cè)流程?；颊叩椒派渲委煓C(jī)房登記治療時(shí)，由放射治療技術(shù)員錄入患者的ID和采集指紋樣本，存入指紋數(shù)據(jù)庫中，以備后續(xù)身份識(shí)別時(shí)調(diào)用；虛線部分是患者接受治療時(shí)的身份識(shí)別流程以及根據(jù)患者身份識(shí)別結(jié)果系統(tǒng)決定是否為當(dāng)前患者執(zhí)行后續(xù)治療程序?；颊咝畔⒌怯涀?cè)成功后，每次接受治療時(shí)只需在治療室的指紋采集器上出示自己登記的指紋，系統(tǒng)便可自動(dòng)完成身份識(shí)別，無需醫(yī)務(wù)人員參與。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

基于指紋特征的患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)硬件由工作站和外圍設(shè)備構(gòu)成，見圖2。工作站提供軟件程序運(yùn)行平臺(tái)和外圍設(shè)備的接口，最低配置要求是：CPU雙核主頻3 GHz，硬盤容量500 GB，獨(dú)立顯卡，顯存容量1 GB，DDR3內(nèi)存4 GB容量，Windows7操作系統(tǒng)，4個(gè)USB接口，1個(gè)串口，1個(gè)VGA接口；外圍設(shè)備主要是：指紋采集器2個(gè)，串口繼電器1個(gè)，顯示器2臺(tái)，一分二VGA轉(zhuǎn)接線1根，鼠標(biāo)、鍵盤1套，VGA延長(zhǎng)器1套。指紋采集器采用深圳市中控生物識(shí)別技術(shù)有限公司的ZK7000A型工業(yè)級(jí)指紋采集器，此產(chǎn)品能夠自動(dòng)讀取指紋圖像，并通過USB接口把數(shù)字化的指紋圖像傳送到工作站，支持ZKFinger SDK開發(fā)工具在Windows操作系統(tǒng)下進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。ZK7000A指紋采集器采用業(yè)界領(lǐng)先的指紋識(shí)別技術(shù)，很好的解決了干、濕、老、幼、粗糙、臟指紋比對(duì)的問題，支持360°指紋旋轉(zhuǎn)比對(duì)。串口繼電器采用深圳市粵豫電子科技有限公司的YYE-1型，可以通過軟件程序向工作站的串口發(fā)送命令來控制繼電器觸點(diǎn)的斷開和導(dǎo)通狀態(tài)，從而產(chǎn)生外部連鎖信號(hào)，控制放射治療設(shè)備。

圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)框圖

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)思路

基于指紋特征的患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的軟件程序核心功能是實(shí)現(xiàn)患者指紋的自動(dòng)識(shí)別。本系統(tǒng)指紋識(shí)別的工作模式為1對(duì)1的驗(yàn)證模式[7]，所以，可以采用傳統(tǒng)的基于細(xì)節(jié)點(diǎn)比對(duì)的方法，即提取指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)作為特征來表征指紋圖像，通過比對(duì)這些細(xì)節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行識(shí)別[8]，基于這一方法的患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)軟件流程圖，見圖3。指紋識(shí)別流程中主要步驟是圖像預(yù)處理、指紋細(xì)節(jié)特征值提取和指紋匹配，以下是本系統(tǒng)軟件程序?qū)崿F(xiàn)指紋識(shí)別的算法。

2.2.2 圖像預(yù)處理

（1）有效區(qū)域估計(jì)。首先，將指紋采集器采集到的指紋圖像應(yīng)用圖像處理技術(shù)去除圖像邊緣和灰度變化不大的部分，然后將指紋圖像劃分為16×16的方格，對(duì)每個(gè)方格統(tǒng)計(jì)其均值與方差。如果二者均滿足條件，則當(dāng)前方格被定為有效方格，將所有的有效方格組合起來進(jìn)行開運(yùn)算（先腐蝕后膨脹），就得到了指紋的有效區(qū)域。

（2）方向場(chǎng)估計(jì)。利用不同方向的濾波器對(duì)指紋圖像進(jìn)行濾波得到指紋的方向場(chǎng)[9]。首先指紋圖像的有效區(qū)域劃分為大小相同的小塊，然后對(duì)每個(gè)小塊用偶對(duì)稱的Gabor濾波器組進(jìn)行濾波，濾波器響應(yīng)最大的方向視為每個(gè)小塊的方向。Gabor濾波器空域表達(dá)形式為：

圖3 患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)軟件流程圖

θ∈[0，π]是當(dāng)前點(diǎn)的方向場(chǎng)垂直的方向；x、y為掩膜中心點(diǎn)的坐標(biāo)；f是沿著方向θ脊線變化的頻率，設(shè)置為兩條相鄰脊線之間的距離的倒數(shù)；δx、δy分別表示x軸和y軸高斯函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

（3）脊線增強(qiáng)與提取。脊線提取采用Gabor濾波器對(duì)指紋原始圖像的每個(gè)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)濾波[10]。首先計(jì)算Gabor濾波結(jié)果：

然后計(jì)算臨時(shí)統(tǒng)計(jì)量：

公式中，I是指紋灰度圖像；θ是與點(diǎn)(i，j)脊線防線垂直的方向；D是一個(gè)常量；若F(i，j) ＞ f (i，j)，則點(diǎn)(i，j)位于谷線（背景），否則位于脊線（前景）。

（4）脊線細(xì)化。采用骨架細(xì)化算法[11]分別對(duì)（3）中求出的前景和背景進(jìn)行細(xì)化，得到脊線和谷線細(xì)化圖。

2.2.3 指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)提取

指紋的細(xì)節(jié)特點(diǎn)提取基于脊線和谷線圖。脊線細(xì)化圖中端點(diǎn)對(duì)應(yīng)谷線細(xì)化圖中的分叉點(diǎn)；谷線細(xì)化圖中的端點(diǎn)對(duì)應(yīng)脊線細(xì)化圖中的分叉點(diǎn)。每張細(xì)化圖中的端點(diǎn)只與一條脊線連接，而分叉點(diǎn)與三條脊線連接。提取細(xì)節(jié)點(diǎn)后進(jìn)行后續(xù)處理：連接正對(duì)著的兩個(gè)端點(diǎn)和成環(huán)的兩個(gè)分叉點(diǎn)；去除短棒、部分分叉點(diǎn)附近的細(xì)節(jié)點(diǎn)、短小的分叉點(diǎn)及一些毛刺和有效區(qū)域邊緣的細(xì)節(jié)點(diǎn)。最終得到的細(xì)節(jié)點(diǎn)用如下格式存儲(chǔ)：H={x，y，θ}，其中x是細(xì)節(jié)點(diǎn)橫坐標(biāo)，y是細(xì)節(jié)點(diǎn)縱坐標(biāo),θ是該點(diǎn)的脊線方向。指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)集可表示為F={Hk| k =1，2，…，n}，其中n是該枚指紋中的細(xì)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

2.2.4 指紋匹配

指紋匹配分兩步實(shí)現(xiàn)，首先將現(xiàn)場(chǎng)采集的患者指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)特征做哈夫變換[12]，然后將注冊(cè)指紋和變換后的現(xiàn)場(chǎng)采集指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較。如果兩個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)的x、y坐標(biāo)之間的差值小于給定的閾值Δx、Δy，且他們的角度差值也小于給定的閾值Δθ，則認(rèn)為兩者匹配。計(jì)算兩幅指紋圖像在其公共區(qū)域Ω內(nèi)匹配上的細(xì)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)N，再除以兩幅指紋圖像各自在公共區(qū)域內(nèi)的細(xì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)的乘積，得到匹配得分[13]，帶入細(xì)節(jié)點(diǎn)配準(zhǔn)的信息，用公式表示為

其中，Ne表示注冊(cè)指紋在兩幅指紋公共區(qū)域內(nèi)的細(xì)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；Nc表示現(xiàn)場(chǎng)采集指紋在兩幅指紋公共區(qū)域內(nèi)的細(xì)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，T為經(jīng)驗(yàn)閾值，v是哈夫變換中的峰值。按照上式計(jì)算的比對(duì)分?jǐn)?shù)表明了兩幅指紋的相似度，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要設(shè)定相似度的閾值，系統(tǒng)就可以得出指紋識(shí)別的結(jié)果是匹配或不匹配的結(jié)論。

3 應(yīng)用測(cè)試

3.1 測(cè)試方案

患者身份自動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確率是本系統(tǒng)最重要的參數(shù)之一，生物特征識(shí)別 系統(tǒng)的準(zhǔn)確率可以通過誤識(shí)率（False Acceptance Rate, FAR）和誤拒率(False Reject Rate，F(xiàn)RR)兩個(gè)指標(biāo)來描述。所以，主要測(cè)試系統(tǒng)的FAR和FRR。測(cè)試選用的放療設(shè)備是醫(yī)科達(dá)公司生產(chǎn)的Axesse型直線加速器?；颊呱矸葑詣?dòng)識(shí)別系統(tǒng)的外部連鎖信號(hào)線與直線加速器Client PCB板的1腳和2腳連接，同時(shí)將Client PCB板上的短路線LK1取下，當(dāng)患者身份識(shí)別結(jié)果為患者身份不正確時(shí)，串口繼電器常閉觸點(diǎn)斷開，直線加速器產(chǎn)生一個(gè)EXT TERM連鎖信號(hào)，阻止繼續(xù)為當(dāng)前患者治療。測(cè)試時(shí)，患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)作為被測(cè)試的患者身份識(shí)別方案，傳統(tǒng)的人工核實(shí)身份方法仍作為標(biāo)準(zhǔn)方案。隨機(jī)選取500位患者，做12500次患者身份自動(dòng)識(shí)別測(cè)試，然后計(jì)算FAR和FRR。

3.2 測(cè)試結(jié)果

在12500次身份自動(dòng)識(shí)別中，系統(tǒng)將非授權(quán)患者錯(cuò)誤地判斷為授權(quán)患者的次數(shù)為0，即系統(tǒng)的FAR為0；系統(tǒng)將授權(quán)患者錯(cuò)誤地判斷為非授權(quán)患者的次數(shù)為151次，F(xiàn)RR為1.2%。

4 討論

本研究采用患者自身的指紋特征作為接受放射治療時(shí)身份識(shí)別的依據(jù)，排除了現(xiàn)行識(shí)別方法因患者姓名相同或相近等因素造成的人工識(shí)別錯(cuò)誤的隱患；患者身份自動(dòng)識(shí)別的過程被整合到現(xiàn)有的放射治療的流程中強(qiáng)制執(zhí)行，不會(huì)出現(xiàn)遺漏識(shí)別帶來的風(fēng)險(xiǎn)；患者的身份識(shí)別過程是在患者進(jìn)入治療室后執(zhí)行的，杜絕了患者交換的可能性。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)的FAR為0，即不具有合法身份的患者是不可能被治療的，充分保證了患者的安全；系統(tǒng)的FRR為1.2%，屬于可接受的范圍，在實(shí)際應(yīng)用中可以通過人工核實(shí)的方法，輔助確定被誤拒的患者身份是否正確。在患者身份識(shí)別領(lǐng)域，有專家提出采用患者唯一電子身份標(biāo)識(shí)作為患者身份識(shí)別的依據(jù)，醫(yī)護(hù)人員可以對(duì)患者的身份進(jìn)行人工和計(jì)算機(jī)雙重管理與控制[14]，這種方案比只用人工識(shí)別有更高的準(zhǔn)確率，但仍然需要就診卡或條碼腕帶等作為患者身份信息的載體；也有身份驗(yàn)證設(shè)備采用患者照片及條碼來驗(yàn)證放射治療患者的身份，驗(yàn)證過程主要是人工比對(duì)患者照片[15]。而使用患者自身的指紋作為身份識(shí)別的依據(jù)，可以有效避免患者身份信息載體交換、丟失、仿冒等情況。本研究可以為同行在患者身份識(shí)別領(lǐng)域的研究提供新的思路和參考，例如可以擴(kuò)展開來研究其它生物特征識(shí)別技術(shù)在患者身份識(shí)別中的應(yīng)用。

5 結(jié)論

基于指紋特征的患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于提高醫(yī)務(wù)人員對(duì)患者身份識(shí)別的準(zhǔn)確性，保障患者安全具有重要意義。本研究設(shè)計(jì)了將自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于放射治療患者身份自動(dòng)識(shí)別的工作流程，搭建了硬件平臺(tái)，研發(fā)了患者身份自動(dòng)識(shí)別的軟件程序。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)滿足應(yīng)用要求，具有極大的應(yīng)用前景。后續(xù)研究還需進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)和流程，特別是在通過ID選擇患者這一步驟，如果能夠?qū)崿F(xiàn)與放療設(shè)備的患者信息管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，共享患者信息，實(shí)現(xiàn)掃描一次條碼就能夠同時(shí)在放射治療系統(tǒng)中和患者身份自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中選中同一患者，將會(huì)極大減少操作的繁瑣度、提高工作效率。另外，還可以將患者的肖像特征錄入數(shù)據(jù)庫，顯示在治療室內(nèi)的顯示器上，作為人工核對(duì)患者身份的依據(jù)。

[1] 楊卉,黃會(huì).患者身份確認(rèn)的研究進(jìn)展[J].中國護(hù)理管理,2008, 8(1):50-51．

[2] 張起虹.醫(yī)用電離輻射防護(hù)與安全[M].南京:江蘇人民出版社,2009:118-121.

[3] 孫立波,趙志勇,王柳哲.指紋的唯一性和指紋鑒定誤識(shí)率研究[J].大科技,2015,(20):262-263.

[4] 馮國進(jìn),顧國華,張保民.指紋圖像預(yù)處理與特征提取[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2004,(5):183-185.

[5] 尹義龍,寧新寶,張曉梅.自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].南京大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,38(1):29-35.

[6] 尹義龍.自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)研究[D].吉林:吉林工業(yè)大學(xué),吉林大學(xué),2000.

[7] 楊小冬.自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)[M].北京:科學(xué)出版社, 2013.

[8] 傅景廣,許剛,王裕國.基于細(xì)節(jié)點(diǎn)方向分布的指紋特征匹配[J].計(jì)算機(jī)工程,2003,29(19):17-19.

[9] Jain AK,Prabhakar S,Hong L.A Multichannel Approach to Fingerprint Classification[J].IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell,1999,21(4):348-359.

[10] 胡德文,陳芳林.生物特征識(shí)別技術(shù)與方法[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013.

[11] Pavlidis T.A thinning algorithm for discrete binary images [J]. Comp Graph Image Proc,1980,13(2):142-157.

[12] Stockman G,Kopstein S,Benett S.Matching images to models for registration and object detection via clustering[J].IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell,1982,4(3):229-241.

[13] Jain A,Hong L,Bolle e IR.On-line fingerprint verification[J]. IEEE Trans Pattern Anal Mach Intell,1996,19(4):302-314.

[14] 季新華,陳磊,陳宇.移動(dòng)臨床信息系統(tǒng)在患者安全管理中的應(yīng)用[J].中國衛(wèi)生事業(yè)管理,2010,27(4):233-234．

[15] 時(shí)飛躍,陳成,劉瑩,等.患者身份驗(yàn)證系統(tǒng)在放療工作中的應(yīng)用[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2013,28(12):10-11.

Research on a Fingerprint-Based Automatic Patient Identif cation System

TAN Ting-qiang, LI Li, HUANG Ren-bing
Radiotherapy Center, Sichuan Cancer Hospital, Chengdu Sichuan 610041, China

Objective To make a research on a fingerprint-based automatic patient identification system, which was mainly used in the field of tumor radiotherapy, to improve the identification accuracy of patients' identity for the medical staff and to ensure the safety of patients. Methods According to the radiation therapy process and the demand of the patient identity automatic identification, a research on the process of the patient identification was made so as to design a related hardware system and develop a patient identification system based on automatic fingerprint identification technology. Results Altogether 12500 times of automatic identification tests in 500 patients were carried out. The results showed that the false acceptance rate was 0, and the false rejection rate was 1.2%. Conclusion The automatic patient identification system based on fingerprint was easy to be integrated into existing radiation treatment process and could effectively improve the accuracy of identification of patients' identify, which has high practical value in ensuring the patients' safety.

patient identification; automatic fingerprint identification; radiotherapy; patient safety

R318

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.11.010

1674-1633(2016)11-0046-04

2016-07-01

2016-07-21

作者郵箱：tanrenq@126.com