基于云端大數(shù)據(jù)技術(shù)的便攜式體檢箱設(shè)計與實現(xiàn)*

寧德師范學(xué)院 莊靖瑤 吳景祥 張文金 張議文 郭誼林 楊烈君

隨著我國人口老齡化不斷增加的趨勢日益顯現(xiàn)和物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，關(guān)心、愛護(hù)老年人群體逐漸成為人們關(guān)注的話題?；诖四康模椖繉⒃O(shè)計一款基于云端大數(shù)據(jù)技術(shù)的便攜式體檢裝置，用以檢測人體的主要基本生理指標(biāo)，如血糖、血壓、尿酸、膽固醇、體重等，輔助社區(qū)醫(yī)生的診斷，同時通過搭建面向居家老人、社區(qū)及養(yǎng)老機(jī)構(gòu)的傳感網(wǎng)系統(tǒng)與信息平臺。該便攜式體檢箱能夠?qū)崿F(xiàn)生活照料、健康管理、居家安全服務(wù)等相關(guān)信息對接，推進(jìn)養(yǎng)老服務(wù)數(shù)字化、信息化、智慧化的進(jìn)程。

1 現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，我國正在大力推進(jìn)全面小康社會建設(shè)，根據(jù)國務(wù)院出臺的《“健康中國2030”規(guī)劃綱要》可以看出，社區(qū)衛(wèi)生醫(yī)療體系一直是其中的重點。并且隨著科技的發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)越來越普及，隨之設(shè)計了一款基于云端大數(shù)據(jù)技術(shù)的便攜式體檢箱,以此幫助部分群眾受制于體檢條件以及諸多因素的限制無法親自到醫(yī)院進(jìn)行體檢的人們，此便攜體檢箱可為老年人提供個性化、智慧化的養(yǎng)老綜合服務(wù)。體檢箱將解決日常生活中的大部分體檢需求，便于中老年人及殘疾人等進(jìn)行體征檢測，可使年老體弱的老人擺脫去醫(yī)院排長隊的困擾，還能有效地提高社區(qū)體檢服務(wù)水平。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

便攜式體檢箱主要包含兩個方面，一方面是有實體的檢測工具，能夠通過工具實時監(jiān)測老人的各項生理體征；另一方面是能夠通過身份證將個人信息存儲在智慧物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)養(yǎng)綜合管理平臺（如圖1 所示）。

圖1 便攜式體檢箱Fig.1 Portable physical examination box

智慧物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)養(yǎng)綜合管理健康平臺總體框架從四個層次進(jìn)行規(guī)劃，分別是應(yīng)用層、平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層（如圖2 所示）。應(yīng)用層包括養(yǎng)老服務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、養(yǎng)老服務(wù)監(jiān)管系統(tǒng)、助老志愿服務(wù)管理系統(tǒng)、老人健康檔案管理系統(tǒng)等，主要是檢測各項指標(biāo)，然后通過云計算、智能分析為需要體檢的人們生成屬于自己的獨一份的報告；平臺層是通過大數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)存儲、大帶寬接入等，構(gòu)建智慧5G 醫(yī)養(yǎng)系統(tǒng)的硬件及平臺架構(gòu)；采用分布式HBase 替換傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的海量存儲，通過Spark Streaming 流式計算實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速多維度計算，以采集的海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建體征數(shù)據(jù)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；網(wǎng)絡(luò)層是可通過無線網(wǎng)絡(luò)和通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)感知層主要包括智能體檢終端以及生理體征監(jiān)測終端，主要是通過各種傳感器硬件采集信息。

圖2 養(yǎng)老系統(tǒng)框架圖Fig.2 Framework diagram of pension system

我們所設(shè)計的便攜式多功能體檢儀的體檢指標(biāo)包括體溫、體重、骨骼比例、肌肉比例、內(nèi)臟脂肪等級、水份比例、熱量比例、心電、血壓、血氧、血糖、尿酸、膽固醇等生理體征指標(biāo)，與市面上的體檢儀相比，此次所設(shè)計的便攜式多功能體檢儀不僅在數(shù)據(jù)測量方面做到10s快速出精確結(jié)果，還能夠做到醫(yī)養(yǎng)結(jié)合，是一個大數(shù)據(jù)輔助分析與健康管理的軟件平臺，可對體檢者的體檢數(shù)據(jù)進(jìn)行終身存儲、分析。

除此之外，體檢儀提供人證合一識別功能，老人在掃描身份證成功后，即可進(jìn)入體檢模式。如果老人生理體檢數(shù)據(jù)異常，可通過短信、語音電話、微信及時通知本人或家屬，能夠做到讓體檢人及其家屬時時刻刻了解體檢者的實時生理體征。工作人員能夠通過OCR 身份證識別技術(shù)將體檢的人們的信息錄入到我們的體征大數(shù)據(jù)分析處理平臺，通過物聯(lián)網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)至云端平臺（如圖3 所示），其信息可包括當(dāng)天測量的血壓、血糖、膽固醇、血氧等，并且體檢日期能夠精確到體檢當(dāng)天日期的時分秒，還可以記錄體檢人員的生活自理能力，其包括是否能夠自主進(jìn)餐、梳洗、穿衣、活動等，并且如果當(dāng)體檢人員下一次重新體檢，還可以看到上一次體檢的信息，這樣方便了工作人員能夠?qū)纱涡畔⑦M(jìn)行對比，從而可以告訴老年人在以后的生活中需要注意哪些問題。

圖3 智慧物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)養(yǎng)綜合管理平臺Fig.3 Smart IoT integrated medical and nursing care management platform

設(shè)備采用有源供電、安裝簡易，具有短信、語音、微信等多方式的信息通知功能，可以實現(xiàn)全天候、實時的體征狀況監(jiān)測與預(yù)警，發(fā)現(xiàn)老人體征異常時，可幫助醫(yī)護(hù)人員快速地實施診斷搶救。同時，利用了OCR 技術(shù)可以避免采用人工錄入方式帶來的煩瑣負(fù)擔(dān)，也可使購買此便攜式多功能體檢儀的家人們更加便捷的使用，簡易好上手[1]。

3 產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)

（1）平臺研發(fā)綜合應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算及網(wǎng)絡(luò)通信等新一代信息技術(shù)。健康大數(shù)據(jù)平臺的信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，主要包括大數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)存儲、大帶寬接入等，構(gòu)建智慧5G 醫(yī)養(yǎng)系統(tǒng)的硬件及通信架構(gòu)；大數(shù)據(jù)處理分析平臺采用分布式HBase 替換傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的海量存儲，通過Spark Streaming 流式計算實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速多維度計算，以采集的海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建體征數(shù)據(jù)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；設(shè)計展示界面，通過ECharts 以圖表方式直觀地展示分析結(jié)果，通過大屏展示計算分析結(jié)果[2]。

（2）系統(tǒng)網(wǎng)頁端建設(shè)中我們采用前后端分離技術(shù)，其中前端負(fù)責(zé)View 和Controller 層，后端負(fù)責(zé)Model 層、業(yè)務(wù)處理與持久化等。前端開發(fā)是創(chuàng)建Web 頁面呈現(xiàn)給用戶的過程，通過HTML、CSS 及JavaScript 以及衍生出來的各種技術(shù)、框架、解決方案，來實現(xiàn)信息網(wǎng)站的用戶界面交互，支持三端（電腦、pad、手機(jī)）查看。針對健康體征時序數(shù)據(jù)具有時變性、非線性、非平穩(wěn)性等特點，以及現(xiàn)有的單一和混合預(yù)測模型均存在預(yù)測精度和難以描述其復(fù)雜變化規(guī)律問題，通過一種利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法對健康體征時序數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測的模型，將SARAS 學(xué)習(xí)方法引入到算法中，提高模型的穩(wěn)定性、有效性和準(zhǔn)確性，通過對歷史血壓數(shù)據(jù)實驗?zāi)Ｐ万炞C，提高預(yù)測模型的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和收斂速度，并能夠表達(dá)健康體征時序數(shù)據(jù)的趨勢。

（3）針對模型穩(wěn)定性我們首先采用基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的健康體征數(shù)據(jù)預(yù)測模型。將深度學(xué)習(xí)的感知能力和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的決策能力結(jié)合在一起，構(gòu)建一種深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的健康體征數(shù)據(jù)預(yù)測模型，將使用SARSA 算法對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)；其次基于混合云霧計算的大健康信息資源整合方法，克服當(dāng)前健康數(shù)據(jù)整合相關(guān)研究存在較嚴(yán)重的檢索響應(yīng)延遲高、準(zhǔn)確性差等問題。研究基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的健康體征數(shù)據(jù)預(yù)測模型，將深度學(xué)習(xí)的感知能力和強(qiáng)化學(xué)習(xí)的決策能力結(jié)合在一起，使用SARSA算法對預(yù)測模型進(jìn)行優(yōu)化，以改善模型的穩(wěn)定性[3]。

4 實現(xiàn)

便攜式體檢箱最基本的功能是能夠測量心率、血壓、血氧等，其顯示模塊能夠顯示當(dāng)前人體的心率、血氧、血壓等，部分具體代碼如下所示：

void Sense_Operation(uint16_t Coordinate_X,uint16_t Coordinate_Y)

{

if(Coordinate_Y>1220 && Coordinate_Y<1490){

if(Coordinate_X>920 && Coordinate_X<1530)//心率傳感器{

POINT_COLOR=WHITE; //畫筆顏色

LCD_DrawRectangle(97,90,142,115); //畫框

LCD_DrawRectangle(162,90,207,115); //畫框

POINT_COLOR=RED; //畫筆顏色

LCD_DrawRectangle(30,90,75,115); //畫框

Manual_control=1; //手動控制

Send_Node_Data(To_one,1);

}

else if(Coordinate_X>1730 && Coordinate_X<2310) {//血氧檢測儀

POINT_COLOR=WHITE; //畫筆顏色

LCD_DrawRectangle(30,90,75,115); //畫框

LCD_DrawRectangle(162,90,207,115); //畫框

POINT_COLOR=RED; //畫筆顏色

LCD_DrawRectangle(97,90,142,115); //畫框

Manual_control=1; //手動控制

Send_Node_Data(To_two,1);

}

else if(Coordinate_X>2550 && Coordinate_X<3070) {//血壓傳感器

POINT_COLOR=WHITE; //畫筆顏色

LCD_DrawRectangle(30,90,75,115); //畫框

LCD_DrawRectangle(97,90,142,115); //畫框

POINT_COLOR=RED; //畫筆顏色

LCD_DrawRectangle(162,90,207,115); //畫框

Manual_control=1; //手動控制

Send_Node_Data(To_three,1);

}

}

else if(Coordinate_Y>3355) {//返回區(qū)間

Interface=0x02; //按下返回

Interface_Touch=1; //界面觸摸編碼

}

}

5 結(jié)語

隨著國家政策的不斷推進(jìn)以及國家經(jīng)濟(jì)化進(jìn)程的不斷加快，越來越凸顯出了大數(shù)據(jù)技術(shù)下的智慧健康有很大的里程碑意義，可以更好地保證體檢信息的完整性和安全性，同時，可在課余的時間到社區(qū)做志愿者，為各個小區(qū)的老人體檢（如圖4 所示），將便攜式體檢箱應(yīng)用到現(xiàn)實生活中，希望能通過我們的努力增強(qiáng)中老年人對待健康的意識，讓他們對自己的身體健康有充分的認(rèn)識，可以做到提前預(yù)防，及時控制，時常關(guān)注，把健康放在第一位。

圖4 志愿服務(wù)活動Fig.4 Volunteering activities

在大量的志愿者工作中，我們得到了一些經(jīng)驗，首先是體檢箱里有些設(shè)備的續(xù)航能力還不夠完善，我們將會在未來繼續(xù)努力改進(jìn)；其次是通過這次測試，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可以正常使用，也可以建立屬于自己個人的檔案，且可以查找歷史體檢的記錄以方便我們對比、監(jiān)測自己的身體狀態(tài)。綜上所述，此體檢箱基本可以滿足日常生活的體檢需求，在很多場景中都可以應(yīng)用，效果良好。