一種新型快速體檢設(shè)備的研制

王 洵，朱 偉，時(shí)粉周，王慶敏，王 偉，姚永杰

（海軍特色醫(yī)學(xué)中心，上海 200433）

0 引言

在日常工作中，有一些職業(yè)對(duì)人員的身體條件要求較高，在每次工作前都需要對(duì)身體情況做一個(gè)快速的檢查，以確認(rèn)身體狀況是否符合工作要求。例如，現(xiàn)在高性能戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)飛行人員身體情況提出了更高要求，飛行人員在飛行過程中必須保持最好的身體狀態(tài)，這就要求航空軍醫(yī)要把好飛行放飛關(guān)[1]。對(duì)醫(yī)生來說，面對(duì)短時(shí)集中的體檢任務(wù)，如何提高檢測效率以及方便管理大量的體檢數(shù)據(jù)尤為重要。目前，較多的類似任務(wù)多由醫(yī)生手工登記完成，沒有專門的信息采集和管理系統(tǒng)。現(xiàn)在市售的監(jiān)護(hù)儀等產(chǎn)品可以實(shí)現(xiàn)體溫、脈搏和血壓等指標(biāo)的自動(dòng)檢測和記錄，但是缺乏問詢功能，而該功能是目前飛行人員飛行前體檢的關(guān)鍵內(nèi)容之一。為滿足這一體檢需求，本課題組研制了一種新型快速體檢設(shè)備，可以快速檢測基本生理信息（包括體溫、脈搏和血壓）、心理量表、心率變異性分析、閃光融合頻率等指標(biāo)[2-4]，并依據(jù)檢測結(jié)果，結(jié)合被體檢人員日常體檢數(shù)據(jù)，對(duì)其身體狀況是否符合工作要求作出綜合評(píng)價(jià)。該設(shè)備的研制，集成實(shí)現(xiàn)了平時(shí)需監(jiān)護(hù)儀或單獨(dú)測量體溫、脈搏和血壓的儀器，以及心理量表、心率變異性分析、閃光融合頻率等日常需要單獨(dú)檢測設(shè)備才能完成的功能，并實(shí)現(xiàn)了問詢功能的電子化，為實(shí)現(xiàn)體檢的綜合評(píng)價(jià)提供了設(shè)備保障。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

為提高體檢的效率，設(shè)計(jì)上采用主機(jī)管理體檢數(shù)據(jù)、多項(xiàng)生理指標(biāo)通過體檢終端機(jī)并行檢測的手段。主機(jī)由體檢醫(yī)生操作，可進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、整理和分析。終端機(jī)的設(shè)計(jì)考慮體檢者經(jīng)過簡單學(xué)習(xí)能夠自主操作進(jìn)行體檢。體檢的各個(gè)項(xiàng)目可以分開執(zhí)行。

1.2 結(jié)構(gòu)

該新型快速體檢設(shè)備的硬件部分由1臺(tái)主機(jī)、10個(gè)體檢終端、1個(gè)交換機(jī)等部分組成，軟件部分由體檢終端的交互式問詢系統(tǒng)和主機(jī)上的飛行員生理心理數(shù)據(jù)管理與分析軟件系統(tǒng)組成。體檢終端及其傳感器部分可單獨(dú)使用，體檢者采用交互式問答方式完成問卷調(diào)測，然后自行完成血壓、脈搏和體溫等指標(biāo)檢查。

體檢儀整機(jī)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 使用流程

從快速體檢設(shè)備的應(yīng)用來分析，在有條件整體展開設(shè)備的環(huán)境，如會(huì)議室等，整套設(shè)備可以聯(lián)網(wǎng)操作使用。體檢醫(yī)生操作主機(jī)，體檢者操作終端機(jī)進(jìn)行自主檢測，體檢數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)上傳至主機(jī)。在無條件整體展開設(shè)備的環(huán)境，如艦、船、艙室等分散小空間，設(shè)備可以不聯(lián)網(wǎng)分開操作使用，體檢數(shù)據(jù)暫存在終端機(jī)，體檢醫(yī)生到各個(gè)艙室通過U盤將終端機(jī)的體檢數(shù)據(jù)傳遞至主機(jī)。每次體檢，體檢醫(yī)生可以根據(jù)任務(wù)的不同指定體檢者完成不同的體檢項(xiàng)目。最后體檢醫(yī)生通過對(duì)主機(jī)中體檢數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出體檢結(jié)果。

2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體設(shè)計(jì)

主機(jī)系統(tǒng)軟件基于Windows操作系統(tǒng)，采用客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server，C/S）架構(gòu)，使用 SQL Server數(shù)據(jù)庫開發(fā)底層，使用VS.net開發(fā)應(yīng)用層，主要實(shí)現(xiàn)信息管理、硬件管理、生理心理數(shù)據(jù)分析和智能評(píng)價(jià)等功能。

2.2 信息管理設(shè)計(jì)

對(duì)新型快速體檢設(shè)備的功能需求進(jìn)行分析后，得到了數(shù)據(jù)流圖，如圖2所示。各輸入數(shù)據(jù)通過輸入通道進(jìn)入系統(tǒng)，整個(gè)數(shù)據(jù)具有變換流的特征。

圖2 數(shù)據(jù)流圖

軟件系統(tǒng)由用戶信息維護(hù)模塊、體檢信息管理模塊、實(shí)時(shí)查看管理模塊組成，每個(gè)模塊又有各自的數(shù)據(jù)流。分別對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行分解：（1）體檢信息管理模塊。首先收集體檢者數(shù)據(jù)，然后錄入到系統(tǒng)中，保存生成記錄。體檢者信息保存到數(shù)據(jù)庫中以后，可根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的操作，例如查詢、統(tǒng)計(jì)、打印等。該模塊是系統(tǒng)的主要模塊。（2）實(shí)時(shí)查看模塊是通信協(xié)議中的一種數(shù)據(jù)類型，實(shí)時(shí)地檢測終端的工作狀態(tài)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)屬于臨時(shí)數(shù)據(jù)，接收后如果有要求則顯示，否則丟棄。（3）用戶信息管理模塊實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的登錄管理。用戶分為2種：管理員與普通用戶，他們的區(qū)別是普通用戶只能維護(hù)個(gè)人的基本信息，而管理員可以維護(hù)所有用戶的信息。通過分析數(shù)據(jù)流圖，可以看出模塊調(diào)用關(guān)系較為明確，在接收體檢終端傳來的體檢數(shù)據(jù)模塊里會(huì)調(diào)用通信協(xié)議，生成保存后的體檢數(shù)據(jù)[5]。

2.3 硬件管理設(shè)計(jì)

作為主機(jī)軟件，它可以對(duì)該設(shè)備的多個(gè)體檢終端進(jìn)行集成化管理。在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)使用狀態(tài)下，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控終端的使用狀態(tài)，對(duì)終端體檢數(shù)據(jù)進(jìn)行收集整理，并存入數(shù)據(jù)庫[5]。

2.4 生理心理數(shù)據(jù)的分析和智能評(píng)價(jià)

測完體溫、脈搏、血壓等指標(biāo)后，需要及時(shí)對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，輔助醫(yī)生決策。對(duì)體檢指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)遵循以下原則：單指標(biāo)參考被體檢人員歷史測試數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)；綜合評(píng)價(jià)根據(jù)被體檢人員群體的整體測試指標(biāo)數(shù)據(jù)，運(yùn)用模糊判斷和定量分類相結(jié)合的方法進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)被體檢人員生理心理狀態(tài)的綜合評(píng)價(jià)。

基于反饋機(jī)制的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)是指對(duì)于被體檢人員群體，一般都經(jīng)過了篩選和針對(duì)性的訓(xùn)練，其測試成績都比較接近，分布上滿足一定規(guī)律，即大部分的被體檢人員在各項(xiàng)指標(biāo)的測試成績都集中在一個(gè)指標(biāo)區(qū)間Ω內(nèi)。Ω是基于整個(gè)被體檢人員群體體檢測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值。對(duì)于被體檢人員的某個(gè)單項(xiàng)生理心理指標(biāo)，在相對(duì)長的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)測試的所有數(shù)據(jù)總體上看應(yīng)當(dāng)趨于一個(gè)較為穩(wěn)定的狀態(tài)，即正常情況下的測試數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)在某一個(gè)常值C附近波動(dòng)。C的取值是基于相對(duì)長的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)測試的所有數(shù)據(jù)的一個(gè)統(tǒng)計(jì)值?？梢?，指標(biāo)區(qū)間Ω和常值C都是基于已有測試數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)值，由于體檢儀測試數(shù)據(jù)是不斷增加更新的，因而這2項(xiàng)指標(biāo)也需要自動(dòng)修正。

綜合評(píng)價(jià)體系的建立是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、不斷修正的過程。通過多人次的測試，建立測試成績庫D，按照統(tǒng)計(jì)原則建立初步的評(píng)價(jià)指標(biāo)S。對(duì)新進(jìn)行的測試結(jié)果T，按照S進(jìn)行評(píng)價(jià)，得到評(píng)價(jià)結(jié)果R，同時(shí)將測試結(jié)果T存入D，并更新D和對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)S進(jìn)行微調(diào)修正，該過程是一個(gè)不斷更新的進(jìn)程。

3 終端機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 終端機(jī)檢測指標(biāo)確定

根據(jù)電子血壓計(jì)和電子體溫計(jì)等相關(guān)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，確定了終端機(jī)的基本生理參數(shù)檢測范圍：（1）血壓0～260 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa），誤差±4 mmHg。（2）脈搏 30～250 次/min，誤差±1%。（3）體溫 30～43℃，低于35.3℃或高于41.0℃時(shí)誤差為±0.3℃，37.0～39.0℃時(shí)誤差為±0.1℃，其余為±0.2℃；重復(fù)性誤差≤0.2℃。

針對(duì)不同的特殊職業(yè)人群特點(diǎn)，需要相應(yīng)身體狀況評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，本設(shè)備對(duì)特殊生理心理環(huán)境下從事高危作業(yè)的人群選擇了心理量表、心率變異性和閃光融合頻率等測試項(xiàng)目。上述3個(gè)測試項(xiàng)目的選擇是基于目前對(duì)疲勞檢測比較成熟的手段，每項(xiàng)檢測都有相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際使用中還可以結(jié)合具體情況根據(jù)檢測群體的特點(diǎn)，針對(duì)具體的標(biāo)準(zhǔn)做出修正。體檢醫(yī)生可以通過主機(jī)綜合分析3個(gè)項(xiàng)目的測試數(shù)據(jù)，對(duì)疲勞情況做出判斷。

3.2 終端機(jī)外觀

終端機(jī)的外觀如圖3所示。體檢儀終端機(jī)的屏幕為觸摸式液晶顯示屏，屏幕上方設(shè)有4個(gè)閃光融合頻率測試燈，相對(duì)應(yīng)在顯示屏下方設(shè)有4個(gè)功能按鈕，是閃光融合頻率測試按鍵，顯示屏下方左側(cè)設(shè)有開關(guān)和狀態(tài)指示燈；機(jī)器的左側(cè)端面設(shè)計(jì)有網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)接口和電源接口；右側(cè)端面設(shè)計(jì)有血壓接口、體溫接口和心電接口。

圖3 終端機(jī)示意圖

3.3 終端機(jī)硬件設(shè)計(jì)

3.3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

本研究采用以三星S3C2440為核心的嵌入式系統(tǒng)。外部模塊有體溫測量模塊、心電測量模塊、血壓測量模塊、單片機(jī)模塊。心電測量模塊和體溫測量模塊通過串口2與S3C2440相連，血壓測量模塊連接到串口3上。體檢終端機(jī)由核心板加擴(kuò)展底板構(gòu)成。

液晶屏選用 7 in（1 in=25.4 mm）TFT（thin film transistor）顯示屏，配套觸摸屏為右側(cè)出線4線電阻式觸摸屏。子模塊芯片可完成按鍵掃描檢測、LED燈的閃爍控制以及串口0到S3C2440的通信。電源管理模塊電路設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)機(jī)、電池電壓檢測以及充電的開啟與關(guān)斷等功能。

3.3.2 各測量模塊設(shè)計(jì)

血壓測量模塊與IC卡識(shí)別模塊共用串口3，用模擬開關(guān)進(jìn)行切換，系統(tǒng)默認(rèn)模擬開關(guān)切換到IC卡側(cè)，當(dāng)?shù)卿浺院笄袚Q到血壓模塊。該模塊采用示波法進(jìn)行血壓測量。示波法又稱為壓力振蕩法，其工作過程是先將袖帶充氣以阻斷動(dòng)脈血流，然后在放氣過程中檢測袖帶內(nèi)的氣體壓力并提取微弱的脈搏波。

心電測量模塊主要負(fù)責(zé)心電信號(hào)的采集以及對(duì)心率變異性的分析，心電采集采用多參數(shù)模塊中心電采集技術(shù)。采集模塊通過串口2與核心板相連。串口采用光電進(jìn)行隔離，電源部分采用耐壓6 000 V的電源隔離模塊進(jìn)行隔離。

體溫測量模塊與串口1進(jìn)行連接，通過接收核心板的控制命令進(jìn)行體溫測試，測量完畢后，將測得的體溫?cái)?shù)據(jù)傳遞給核心板進(jìn)行處理。串口采用光電隔離，電源采用6 000 V的電源隔離模塊進(jìn)行隔離。不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻加數(shù)據(jù)線直接連接的方式，該設(shè)備的體溫探頭采取電子體溫計(jì)加數(shù)據(jù)連接線的形式，可靠性高，操作方便。

閃光融合頻率的測量包括閃光融合臨界頻率和反應(yīng)時(shí)。閃光融合臨界頻率測量時(shí)，開始4個(gè)燈以60 Hz的頻率閃爍，然后其中1個(gè)燈以每秒1 Hz遞減的速率進(jìn)行閃爍，當(dāng)測試者發(fā)現(xiàn)哪個(gè)燈閃爍時(shí)，按其相對(duì)應(yīng)的按鍵，記錄此時(shí)的頻率。反應(yīng)時(shí)測量時(shí)，開始4個(gè)燈同時(shí)以60 Hz閃爍，一段時(shí)間后，隨機(jī)一個(gè)燈以20 Hz的頻率閃爍，此時(shí)需要測試者按下相對(duì)應(yīng)的按鍵，計(jì)算并記錄兩者間的時(shí)間差。

3.4 終端機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.4.1 終端軟件系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

登錄界面設(shè)有0~9數(shù)字鍵用于輸入證件號(hào)。登錄后進(jìn)入主界面，顯示“一問三查”“拓展功能”“系統(tǒng)設(shè)置”以及“退出登錄”4個(gè)按鈕，最上方工具欄顯示證件號(hào)、時(shí)間、日期、電池電量以及網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。

進(jìn)入“一問三查”界面，可以進(jìn)行問詢，血壓及脈搏、體溫測量；進(jìn)入“拓展功能”界面，可以進(jìn)行心理、心率變異性、閃光融合頻率測試；進(jìn)入“系統(tǒng)設(shè)置”界面，可以進(jìn)行時(shí)間設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)功能設(shè)定。

3.4.2 終端機(jī)拓展檢測功能

心理測評(píng)內(nèi)容包括疲勞主觀感覺自評(píng)量表和認(rèn)知能力評(píng)定兩大部分。其中疲勞主觀感覺自評(píng)量表由美國國家宇航局任務(wù)負(fù)荷指數(shù)（National Aeronautics and Space Administration-Task load Index，NASATLX）評(píng)價(jià)量表和日本工業(yè)衛(wèi)生學(xué)會(huì)疲勞感覺調(diào)查表的測試內(nèi)容組成。NASA-TLX量表中多維腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)包括心理需求、體力需求、時(shí)間需求、作業(yè)績效、努力程度、挫折水平等。黃楊森等[6]提到，采用NASATLX量表作為主觀腦力負(fù)荷水平的評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠較為真實(shí)地反映女飛行學(xué)員在不同飛行條件下的腦力負(fù)荷狀態(tài)。疲勞感覺調(diào)查表由日本工業(yè)衛(wèi)生學(xué)會(huì)工業(yè)疲勞研究委員會(huì)編制，該表共30項(xiàng)，分成3類，每類10個(gè)項(xiàng)目。其中認(rèn)知能力評(píng)定的內(nèi)容共分5個(gè)部分，包括計(jì)算能力、追蹤試驗(yàn)、儀表判讀、蘭多爾特環(huán)測驗(yàn)和特殊圖形辨認(rèn)。

心率變異性是指逐次心跳間RR間期的微小漲落，是一種研究人體心臟自主神經(jīng)系統(tǒng)功能調(diào)節(jié)能力的無創(chuàng)可靠方法[7]。心率變異性是測量應(yīng)激水平的可靠指標(biāo)，也可間接反映疲勞情況[8]。測試中采用時(shí)域分析法，選取5 min作為心電波形的記錄時(shí)長，計(jì)算選用相鄰竇性RR間期長度差異均方根（r-MSSD）、相鄰竇性RR間期的標(biāo)準(zhǔn)差（SDNN）和相鄰竇性RR間期大于50 ms的百分比（PNN50）等時(shí)域指標(biāo)。

閃光融合頻率是指剛剛能夠引起閃光融合感覺刺激的最小頻率，也稱作閃光融合臨界頻率或閃爍臨界頻率，它表現(xiàn)了視覺系統(tǒng)分辨時(shí)間能力的極限，體現(xiàn)了人們辨別閃光能力的水平。檢測閃光融合頻率值的變化是判斷疲勞產(chǎn)生的方法之一[9]。疲勞前、后測量的閃光融合頻率差異顯著，且與疲勞呈高度顯著相關(guān)[10]。閃光融合頻率越高，表示大腦意識(shí)水準(zhǔn)也越高。人體疲勞時(shí)，閃光融合頻率降低。目前，用視覺閃光融合臨界頻率檢測疲勞的應(yīng)用較為廣泛，如對(duì)艇員長航耐力的評(píng)價(jià)、飛行人員的飛行疲勞檢測和擊劍運(yùn)動(dòng)員機(jī)能評(píng)定等研究。

4 試驗(yàn)

針對(duì)該快速體檢設(shè)備，對(duì)血壓、脈搏和體溫等性能檢測精度在部隊(duì)認(rèn)可的第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果符合指標(biāo)要求。同時(shí)，還進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，如作業(yè)環(huán)境溫度、儲(chǔ)存極限溫度、相對(duì)濕度耐受能力、抗鹽霧腐蝕能力、抗沖擊振動(dòng)能力和電磁兼容性等。試驗(yàn)中，組織10人同時(shí)操作體檢終端機(jī)，1名體檢醫(yī)生操作主機(jī)，在聯(lián)網(wǎng)和非聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下進(jìn)行檢測。該設(shè)備可滿足10人同時(shí)獨(dú)立檢測，單人完成問詢及血壓、脈搏和體溫檢測可以控制在8 min內(nèi)，體檢醫(yī)生可以使用該設(shè)備有效組織和進(jìn)行體檢任務(wù)。試驗(yàn)結(jié)果證明了整體設(shè)計(jì)合理，符合研究的各項(xiàng)性能指標(biāo)要求。

5 結(jié)語

本文研制的新型快速體驗(yàn)設(shè)備的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是通過對(duì)問詢情況，以及血壓、脈搏和體溫等指標(biāo)測量功能的集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了快速體檢設(shè)備的小型化；二是采用基于反饋機(jī)制的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)手段，方便體檢醫(yī)生對(duì)大量體檢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；三是提出綜合對(duì)比分析心理量表、心率變異性和閃光融合頻率等測試數(shù)據(jù)，能更科學(xué)地確定體檢者的身體疲勞狀況。

通過對(duì)該新型快速體檢設(shè)備的試驗(yàn)，證明采用文中所敘述的總體設(shè)計(jì)方案以及主機(jī)軟件和終端機(jī)設(shè)計(jì)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)主機(jī)同時(shí)管理多臺(tái)終端機(jī)及多人同時(shí)采用體檢終端機(jī)自行操作，能有效輔助醫(yī)生快速了解體檢者的身體狀況，顯著提高了體檢效率。