基于物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的核磁共振機(jī)房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯福南，許翔，張可，汪纓

江蘇省人民醫(yī)院 南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院 臨床醫(yī)學(xué)工程處，江蘇 南京 210029

引言

隨著醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展，磁共振系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于臨床。目前在磁共振設(shè)備的冷卻系統(tǒng)當(dāng)中，維持超導(dǎo)磁體超導(dǎo)狀態(tài)所用的制冷劑多為價(jià)格昂貴的液氦，然而，液氦是一種不可再生資源。2007 年，美國將氦核定為戰(zhàn)略資源而限制氦產(chǎn)量，導(dǎo)致了全球液氦價(jià)格持續(xù)飆升[1]，因此應(yīng)當(dāng)重視液氦的合理使用。在核磁共振設(shè)備中，液氦量會(huì)隨著病人量的增加而減少。另外，當(dāng)發(fā)生失超或容器受到猛烈撞擊造成液氦壓力不穩(wěn)定時(shí)，可能導(dǎo)致液氦泄露，引發(fā)患者及醫(yī)護(hù)人員凍傷或窒息等不良事件[2]。因此，為合理使用液氦和防止此類醫(yī)療器械不良事件的發(fā)生，進(jìn)行液氦量和液氦壓力等參數(shù)的監(jiān)測(cè)具有重大意義。

現(xiàn)階段大多數(shù)醫(yī)院工程師對(duì)核磁共振設(shè)備的巡檢方式主要是定期到設(shè)備機(jī)房查看磁體監(jiān)視器，將液氦量和液氦壓力進(jìn)行記錄在紙質(zhì)的巡檢表格中，然后對(duì)比以往的紙質(zhì)記錄，判斷液氦的消耗情況、液氦壓力波動(dòng)是否在正常范圍等。然而，這種巡檢方式的缺點(diǎn)顯而易見：紙質(zhì)記錄較為原始、無法做到長期的連續(xù)監(jiān)測(cè)、對(duì)短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大的液氦壓力波動(dòng)無法追溯等。

另外，在液氦數(shù)據(jù)獲取方面，不僅可以人工查看監(jiān)視器面板，還能通過讀取串口的方式獲得數(shù)據(jù)。需要注意的是直接與核磁共振這類大型設(shè)備進(jìn)行線的連接，容易對(duì)設(shè)備本身造成干擾甚至意外停機(jī)產(chǎn)生巨額損失，而且，讀取串口的方式需要兼顧不同品牌和型號(hào)以及設(shè)備內(nèi)部不同的數(shù)據(jù)格式問題，難以實(shí)現(xiàn)具有一定通用性的核磁共振機(jī)房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

基于上述情況，本文利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合人工智能識(shí)別算法專門用于磁共振系統(tǒng)液氦數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁共振設(shè)備運(yùn)行情況的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，極大地方便工程師對(duì)設(shè)備的日常巡檢與故障排查。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的核磁共振機(jī)房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由主控制器、攝像頭模塊和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)組成（圖1）。系統(tǒng)使用樹莓派作為主控制器[3]，對(duì)攝像頭采集的圖像進(jìn)行處理，得到圖像目標(biāo)區(qū)域智能識(shí)別和信息提取，同時(shí)將液氦量和液氦壓力等數(shù)據(jù)利用Wi-Fi 一起傳送到OneNet 云平臺(tái)[4]。接著，物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)接收樹莓派發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖形化顯示并記錄歷史波形。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)使用樹莓派控制攝像頭模塊并結(jié)合百度OCR 人工智能識(shí)別接口來獲取液氦數(shù)據(jù)的方式，其關(guān)鍵意義在于數(shù)據(jù)獲取方式為非接觸式，即不需要與核磁共振設(shè)備直接進(jìn)行線的連接，不會(huì)對(duì)該設(shè)備的運(yùn)行造成風(fēng)險(xiǎn)。此外，系統(tǒng)通過獲取磁體監(jiān)視器的液氦數(shù)據(jù)最為真實(shí)準(zhǔn)確，無需再外接相關(guān)傳感器以及兼顧內(nèi)部數(shù)據(jù)格式問題，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該類型的設(shè)備具有一定的通用性。在巡檢記錄方面，醫(yī)院工程師可以通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程查看液氦狀態(tài)，將歷史數(shù)據(jù)波形進(jìn)行對(duì)比，從而分析該設(shè)備是否需要進(jìn)行維護(hù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 中心控制器模塊

樹莓派是一種高性能、低成本的卡片式微型電腦[5]。本系統(tǒng)使用樹莓派3 代B 型作為中心控制器，尺寸為86 mm×56 mm×17 mm，電源輸入為5 V，可通過MicroUSB供電，其操作系統(tǒng)為Raspbian系統(tǒng)。4核12G CPU 和1G內(nèi)存，可以高效運(yùn)行程序和處理數(shù)據(jù)；具有多個(gè)擴(kuò)展GPIO口，可以連接多個(gè)傳感器獲得多組數(shù)據(jù)。而且樹莓派板載Wi-Fi模塊，可直接通過無線網(wǎng)連接互聯(lián)網(wǎng)，減少了搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作量。

在本系統(tǒng)中，樹莓派作為主控制器主要完成以下三個(gè)方面的功能：通過控制攝像頭傳感器采集圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行圖像的預(yù)處理和保存；調(diào)用人工智能服務(wù)識(shí)別接口，處理得到文字參數(shù)結(jié)果；通過自帶的Wi-Fi 功能聯(lián)網(wǎng)，將液氦數(shù)據(jù)無線傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器。

2.2 攝像頭模塊

本系統(tǒng)使用的攝像頭為Raspberry Pi Camera，500 萬像素，可直接使用視頻CSI 接口連接樹莓派，圖像分辨率達(dá)2592×1944，滿足系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)需要。在本院GE 3.0T核磁共振機(jī)房中，磁體監(jiān)視器面板自動(dòng)切換顯示液氦量和液氦壓力以及系統(tǒng)時(shí)間，因此需要對(duì)獲取的圖像內(nèi)容進(jìn)行智能解讀并判斷，然后再根據(jù)識(shí)別結(jié)果對(duì)液氦參數(shù)變量進(jìn)行分類存儲(chǔ)。圖2 為樹莓派控制攝像頭[6]采集到磁體監(jiān)視器面板的圖像。

圖2 攝像頭采集到的磁體監(jiān)視器面板圖像

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)由樹莓派軟件設(shè)計(jì)以及物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)端軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。其中樹莓派使用Python 語言開發(fā)[7]，可以控制攝像頭獲取磁體監(jiān)視器面板圖像，使用人工智能識(shí)別算法對(duì)圖像內(nèi)容轉(zhuǎn)換成文本，將液氦壓力、液氦量等數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)。使用Python 語言開發(fā)不僅意味著可以使用眾多功能強(qiáng)大的開源函數(shù)庫，更為重要的是其程序可直接在樹莓派的操作系統(tǒng)上執(zhí)行。軟件流程圖如圖3 所示。

圖3 軟件流程圖

OneNet 云平臺(tái)端接收樹莓派發(fā)送的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分組顯示，判斷相關(guān)數(shù)值是否在正常范圍，當(dāng)達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，OneNet 云平臺(tái)將自動(dòng)發(fā)送報(bào)警提示信息到預(yù)先設(shè)置的電子郵箱中，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

3.1 樹莓派軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 攝像頭拍照程序

（1）首先通過以下指令安裝樹莓派官方配置工具raspiconfig：

sudo apt-get install raspi-config

（2）通過以下指令，修改樹莓派配置，開啟攝像頭模塊

sudo raspi-config

（3）通過以下指令檢測(cè)樹莓派攝像頭是否工作正常：

vcgencmd get_camera

運(yùn)行結(jié)果顯示“supported = 1, detected =1”即可正常進(jìn)行樹莓派攝像頭的控制。

（4）在運(yùn)行程序之前，為了讓攝像頭拍攝的圖像得以保存和修改，需要保證該程序所在文件夾的操作權(quán)限已被當(dāng)前用戶獲得，通過運(yùn)行以下指令并輸入Pi 的密碼實(shí)現(xiàn)：

sudo chmod -R 777 /home/pi

（5）pyhon 程序中需要先導(dǎo)入PiCamera 模塊：

from picamera import PiCamera

攝像頭初始化語句：

camera = PiCamera()

camera.resolution = (1920,1080)

camera.framerate = 60

攝像頭拍照并存儲(chǔ)圖像：

camera.start_preview()

camera.capture('/home/pi/picture.jpg')

camera.stop_preview()

3.1.2 人工智能圖像識(shí)別程序

獲取磁共振液晶顯示面板圖像之后，需要對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，劃分出待識(shí)別圖像區(qū)域然后再上傳到百度OCR[8]。預(yù)處理包括旋轉(zhuǎn)、裁剪和放縮等操作，該操作分別由Python 中的rotate()、crop()和resize()函數(shù)完成。圖像預(yù)處理的輸出圖像如圖4 所示，該圖像可作為人工智能識(shí)別程序的輸入圖像。

圖4 上傳到OCR的圖像

人工智能圖像識(shí)別程序的核心是AipOcr 模塊，該模塊是由百度人工智能開放服務(wù)平臺(tái)提供的文字識(shí)別服務(wù)，基于百度深度學(xué)習(xí)研究院強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)算法和中文檢測(cè)識(shí)別技術(shù)，對(duì)于整張圖片的識(shí)別，其中文識(shí)別率達(dá)85%以上，英文識(shí)別率達(dá)91%以上，可支持PNG、JPG、JPEG、BMP等多種格式的圖片識(shí)別，使用前提是需保證待識(shí)別的圖片區(qū)域?yàn)閳D片主體部分。

調(diào)用百度OCR 之前，需要在Python 中安裝baidu-aip庫文件，可以通過執(zhí)行以下指令實(shí)現(xiàn)：

pip3 install baidu-aip

通過下列語句導(dǎo)入baidu-aip 庫中的函數(shù)并初始化：

from aip import AipOcr

aipOcr = AipOcr(APP_ID, API_KEY, SECRET_KEY)

# 讀取圖片

filePath = "文件名.png"

def get_file_content(filePath):

with open(filePath, 'rb') as fp:

return fp.read()

options = {

'detect_direction': 'true',

'language_type': 'CHN_ENG',

}

result = aipOcr.basicAccurate(get_file_content(filePath), options)

其中APP_ID, API_KEY, SECRET_KEY 在三個(gè)參數(shù)需要在百度云注冊(cè)，然后創(chuàng)建一個(gè)應(yīng)用獲得；basicAccurate()為高精度版的通用文字識(shí)別函數(shù)，該服務(wù)每天可以免費(fèi)使用500 次[9]，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要；result 為函數(shù)返回值，包括識(shí)別結(jié)果數(shù)組的行數(shù)words_result_num 和識(shí)別結(jié)果數(shù)組words_result。本系統(tǒng)調(diào)用百度OCR 的識(shí)別結(jié)果為液氦量和液氦壓力等液氦數(shù)據(jù)，然后將液氦數(shù)據(jù)發(fā)送到OneNet 云平臺(tái)。

3.2 OneNet云平臺(tái)設(shè)置

OneNet 作為中國移動(dòng)通信集團(tuán)推出的一個(gè)專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開放云平臺(tái)，提供了豐富的智能硬件開發(fā)工具和可靠的服務(wù)，支持各類終端設(shè)備快速接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理等完整的交互流程。云平臺(tái)支持多種公開協(xié)議，包括HTTP、EDP、MODBUS 和MQTT 等。提供端對(duì)端的數(shù)據(jù)傳輸并且基于私有云的架構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的安全性，提供豐富的應(yīng)用模板，方便物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)者進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和管理[10]。

3.2.1 設(shè)備接入

在接入OneNet 之前，必須先在OneNet 平臺(tái)注冊(cè)用戶賬戶，注冊(cè)登錄成功之后，按照以下順序進(jìn)行設(shè)備接入：在用戶賬戶下創(chuàng)建產(chǎn)品，在產(chǎn)品中創(chuàng)建設(shè)備，新增數(shù)據(jù)流，終端設(shè)備上傳數(shù)據(jù)，平臺(tái)生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)流，然后創(chuàng)建應(yīng)用。在每個(gè)用戶賬號(hào)下，終端上傳的數(shù)據(jù)以產(chǎn)品的形式進(jìn)行管理封裝，每個(gè)用戶可以創(chuàng)建多個(gè)產(chǎn)品，一個(gè)產(chǎn)品中可以創(chuàng)建多個(gè)設(shè)備、APIKey、應(yīng)用、觸發(fā)器，用戶可以對(duì)這些資源進(jìn)行增、刪、改、查等操作，在單個(gè)設(shè)備下，用戶可以創(chuàng)建多個(gè)數(shù)據(jù)流，終端的數(shù)據(jù)則上傳至相應(yīng)的數(shù)據(jù)流[11]。

3.2.2 觸發(fā)器設(shè)置

觸發(fā)器是OneNet 平臺(tái)為用戶提供的一種監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)流的功能，可以實(shí)現(xiàn)特定條件的事件報(bào)警。新建一個(gè)觸發(fā)器之后，輸入觸發(fā)器的名稱、控制范圍、數(shù)據(jù)流名稱、觸發(fā)條件、接受信息方式等，即可完成觸發(fā)器添加。目前觸發(fā)器支持以短信、郵件以及用戶提供的URL 地址三種途徑推送事件報(bào)警信息[12]，本系統(tǒng)選用郵件方式發(fā)送報(bào)警提示信息。

核磁共振設(shè)備對(duì)液氦量和液氦壓力的監(jiān)控有著嚴(yán)格的要求。日常使用中，液氦壓力設(shè)定為0～5 psi，若壓力大于5.0 psi 則表明故障；液氦量應(yīng)大于60%，低于極限值50%則應(yīng)及時(shí)加液氦，否則存在失超的可能。本系統(tǒng)設(shè)置了3 個(gè)觸發(fā)器，分別為液氦量低于60%及低于50%時(shí)觸發(fā)液氦量異常報(bào)警以及液氦壓力高于 5.0 psi 觸發(fā)液氦壓力異常報(bào)警。OneNet 平臺(tái)自動(dòng)記錄接收到的液氦量和液氦壓力數(shù)據(jù)，當(dāng)達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，平臺(tái)將發(fā)送報(bào)警提示信息到預(yù)設(shè)的電子郵箱中，達(dá)到預(yù)警和可追溯性維護(hù)巡檢的目的。

3.2.3 傳輸協(xié)議

OneNet 平臺(tái)支持包括HTTP、EDP、MQTT[13]等在內(nèi)的多種標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，本系統(tǒng)采用HTTP 作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。HTTP 協(xié)議是因特網(wǎng)上應(yīng)用最為廣泛的一種網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，所有的WWW 文件都必須遵守這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議工作于客戶端-服務(wù)端架構(gòu)上，瀏覽器作為HTTP 客戶端通過URL 向HTTP 服務(wù)端即WEB 服務(wù)器發(fā)送所有請(qǐng)求。HTTP 是無連接的，即限制每次連接只處理一個(gè)請(qǐng)求[14]。服務(wù)器處理完客戶端的請(qǐng)求，并收到客戶端的應(yīng)答后，即斷開連接，采用這種方式可以節(jié)省傳輸時(shí)間。

本系統(tǒng)首先在平臺(tái)端創(chuàng)建接入?yún)f(xié)議為HTTP 的產(chǎn)品，記錄下平臺(tái)分配的設(shè)備ID、產(chǎn)品ID 與自定義的鑒權(quán)信息（即設(shè)備編號(hào)）。然后在樹莓派端使用Python 軟件結(jié)合設(shè)備對(duì)應(yīng)的登陸參數(shù)建立HTTP 連接[15]，連接成功建立后即可通過該協(xié)議向OneNet 平臺(tái)發(fā)送液氦數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)監(jiān)測(cè)到的液氦實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)如圖5 所示。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)自從2018 年9 月7 日至今用于本院放射科GE 750W 3.0T 磁共振機(jī)房進(jìn)行測(cè)試，在實(shí)際使用過程中上傳數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且歷史記錄在OneNet 平臺(tái)上可追溯[16]，已達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。該磁共振設(shè)備的液氦歷史數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 液氦壓力及液氦量歷史數(shù)據(jù)

在本系統(tǒng)實(shí)際使用初期，經(jīng)過本院工程師多次將現(xiàn)場(chǎng)巡檢紙質(zhì)結(jié)果和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)對(duì)比確認(rèn)，數(shù)字識(shí)別結(jié)果準(zhǔn)確無偏差。僅有極少數(shù)情況下在識(shí)別“He Level”和“He Pressure”等英文時(shí)會(huì)出現(xiàn)首字母H 丟失的情況，如出現(xiàn)“e Level”等。后期為解決此類問題，在Python 程序中使用difflib.SequenceMatche()函數(shù)計(jì)算識(shí)別結(jié)果與目標(biāo)字符串的相似度，當(dāng)相似度超過75%時(shí)，即認(rèn)為該內(nèi)容是液氦參數(shù)顯示頁面，并進(jìn)行數(shù)值存儲(chǔ)，從而提高了識(shí)別準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)在巡檢方面的有益效果表現(xiàn)在增加每月巡檢次數(shù)的同時(shí)節(jié)約巡檢所需時(shí)間成本。醫(yī)院工程師無需頻繁到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)查看磁體監(jiān)視器，登錄物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)即可進(jìn)行巡檢，平均每月巡檢次數(shù)從1～2 次增加到15～20 次，為核磁共振設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是基于開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和人工智能算法實(shí)現(xiàn)了磁共振磁體數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。采用樹莓派本身的Wi-Fi 模塊實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，通過攝像頭傳感器捕獲圖像，調(diào)用人工智能識(shí)別算法返回文字識(shí)別結(jié)果，利用OneNet 平臺(tái)靈活的數(shù)據(jù)服務(wù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)磁體情況的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。其具體意義在于：工程師可以通過電腦或手機(jī)瀏覽器登錄OneNet 平臺(tái)來遠(yuǎn)程查看液氦數(shù)據(jù)，減輕維護(hù)人員的對(duì)磁共振設(shè)備的巡檢壓力；OneNet 平臺(tái)可以自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并發(fā)送報(bào)警提示信息到預(yù)設(shè)的電子郵箱中，達(dá)到預(yù)警和可追溯性維護(hù)巡檢的目的；工程師可以通過遠(yuǎn)程控制軟件連接樹莓派，修改Python 程序參數(shù)，靈活性與便捷性明顯增加，方便后期程序功能的擴(kuò)展和升級(jí)。