淮旭鴿,莊 未,梁才航,高興宇,郝衛(wèi)東,黃 揚(yáng)
(桂林電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣西 桂林 541004)
2019年12月8日,湖北省武漢市發(fā)現(xiàn)第一例新型冠狀病毒肺炎患者,隨后疫情在全國(guó)甚至全世界被發(fā)現(xiàn)并快速傳播,被WHO定義為國(guó)際關(guān)注的突發(fā)公共衛(wèi)生事件。自新冠疫情爆發(fā)以來(lái),“新冠肺炎”持續(xù)對(duì)人類健康造成重大危害。發(fā)熱作為新冠病毒發(fā)病的常見(jiàn)現(xiàn)象,各省市在國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)的指引下建立了比2003年非典時(shí)期更加科學(xué)、全面的防控體系,單位、社區(qū)均設(shè)立了體溫檢測(cè),構(gòu)建了疫情防控必不可少的第一道防線,“早發(fā)現(xiàn),早診斷,早隔離,早治療”可以將傳染病控制在萌芽狀態(tài)[1-2]。
由于紅外測(cè)溫技術(shù)可快速、無(wú)接觸地測(cè)量出人體的表面溫度,具有精度高、成本低、壽命長(zhǎng),使用安全等優(yōu)點(diǎn),能夠有效避免交叉感染,因而我國(guó)在體溫篩查過(guò)程中大量使用了紅外測(cè)溫儀[3-7]。2003年抗擊“非典”期間,我國(guó)的紅外體溫檢測(cè)儀已取得豐碩的成果,并制定了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19146—2003《紅外人體表面溫度快速篩檢儀通用技術(shù)條件》[8]。
傳統(tǒng)的數(shù)字化基層疫情防控系統(tǒng)中的體溫上報(bào)這一環(huán)節(jié)通常由防疫人員用測(cè)溫儀測(cè)量體溫,登記體溫,錄入表格,上報(bào)系統(tǒng),再由相關(guān)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,最后由決策者做出決策。以上流程在實(shí)際操作中直接導(dǎo)致防疫人員對(duì)各類人員的體溫檢測(cè)和記錄工作量的倍增,還容易出現(xiàn)失誤。若簡(jiǎn)化流程,由住院患者手動(dòng)填寫(xiě)、上報(bào)健康信息,則存在有意或無(wú)意誤報(bào)健康信息的可能,繼而降低體溫監(jiān)測(cè)在傳染病早期發(fā)現(xiàn)和預(yù)警中的作用。
目前,市場(chǎng)上的主流紅外測(cè)溫設(shè)備有手持式紅外額溫槍、立柱式紅外體溫檢測(cè)儀、門框式紅外體溫檢測(cè)儀及全自動(dòng)紅外熱成像體溫檢測(cè)儀等[1],如圖1~圖4所示。
圖1 額溫槍
圖2 立柱式紅外體溫檢測(cè)儀
圖3 門框式紅外體溫檢測(cè)儀
圖4 全自動(dòng)紅外熱成像體溫檢測(cè)儀
手持式紅外額溫槍對(duì)小流量人群的體溫檢測(cè)快捷、有效,但對(duì)于某些重癥疫區(qū)的醫(yī)療單位、新冠肺炎定點(diǎn)醫(yī)院及人員密集區(qū)域,這種排查方法存在效率低下和交叉感染的缺陷[9]。立柱式紅外體溫檢測(cè)儀無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊身高人群的體溫檢測(cè),往往需結(jié)合人工使用手持式紅外額溫槍進(jìn)行檢測(cè)。門框式紅外體溫檢測(cè)儀和全自動(dòng)紅外熱成像體溫檢測(cè)儀雖然可以適應(yīng)特殊身高人群的體溫檢測(cè),但在某些重癥疫區(qū)的醫(yī)療單位或新冠肺炎定點(diǎn)醫(yī)院場(chǎng)合無(wú)法對(duì)住院患者身份進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別并記錄。
綜上所述,針對(duì)重癥疫區(qū)的醫(yī)療單位或新冠肺炎定點(diǎn)醫(yī)院工作環(huán)境,尚無(wú)一套成熟的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫設(shè)備與醫(yī)院信息系統(tǒng)對(duì)接,然后對(duì)住院患者身份進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,并實(shí)現(xiàn)特殊身高人員的自動(dòng)化無(wú)接觸檢測(cè),最終將檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警上報(bào)。
針對(duì)以上問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種體溫智能檢測(cè)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng)),該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)溫設(shè)備與醫(yī)院信息系統(tǒng)對(duì)接,做到“準(zhǔn)確識(shí)別身份”、“身高不受限制”、“無(wú)接觸自動(dòng)測(cè)溫”、“高溫智能預(yù)警并上報(bào)”。
基于系統(tǒng)所處的工作環(huán)境的特點(diǎn),并方便準(zhǔn)確錄入住院患者身份資料和檢測(cè)數(shù)據(jù),本系統(tǒng)需滿足如下功能:
1)準(zhǔn)確識(shí)別住院患者身份;
2)滿足不同身高人群的自動(dòng)化檢測(cè)要求;
3)實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸體溫檢測(cè);
4)體溫檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠,滿足醫(yī)生診斷標(biāo)準(zhǔn);
5)有人機(jī)交互功能。
系統(tǒng)采用有線與無(wú)線相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式。圖5為系統(tǒng)整體框圖,包括體溫檢測(cè)終端、數(shù)據(jù)傳輸通道和數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)三部分[10]。
圖5 智能檢測(cè)系統(tǒng)整體框圖
體溫檢測(cè)終端定點(diǎn)采集數(shù)據(jù)后,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)傳輸通道,數(shù)據(jù)傳輸通道包括無(wú)線收發(fā)模塊和無(wú)線數(shù)傳電臺(tái),由數(shù)據(jù)傳輸通道通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái),最終由數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)對(duì)所測(cè)身份和體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
系統(tǒng)以每棟住院樓為一個(gè)監(jiān)測(cè)單位,每層樓布局一個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊,以無(wú)線橋接實(shí)現(xiàn)整棟樓的無(wú)線信號(hào)覆蓋。住院患者在病房?jī)?nèi)自行走到體溫監(jiān)測(cè)終端,測(cè)得的身份和體溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)由無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)傳輸至數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái),實(shí)現(xiàn)雙向通信。數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)患者身份和體溫等相關(guān)數(shù)據(jù)的查看、分析、處理等操作。該平臺(tái)允許醫(yī)護(hù)人員根據(jù)不同類型的患者設(shè)置不同的體溫監(jiān)測(cè)閾值。當(dāng)患者體溫超過(guò)預(yù)設(shè)閾值,平臺(tái)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào),便于醫(yī)護(hù)人員和患者及時(shí)采取相應(yīng)措施。
根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)的系統(tǒng)體溫檢測(cè)終端為定點(diǎn)識(shí)別并采集住院患者數(shù)據(jù),如圖6所示,系統(tǒng)體溫檢測(cè)終端主要由身份識(shí)別并確認(rèn)單元、體溫測(cè)量單元和報(bào)警提示單元組成。體溫檢測(cè)終端整體外形結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖6 體溫檢測(cè)終端框圖
圖7 體溫檢測(cè)終端外形結(jié)構(gòu)
身份識(shí)別并確認(rèn)單元由身份證識(shí)別單元、人臉識(shí)別單元、手指信息識(shí)別單元和LED燈組成,具體流程如圖8所示。
圖8 身份識(shí)別并確認(rèn)單元流程
當(dāng)住院患者進(jìn)行體溫檢測(cè)前,首先使用身份證識(shí)別模塊讀取身份證號(hào),通過(guò)身份證號(hào)碼比對(duì)身份信息數(shù)據(jù)庫(kù)里是否有此號(hào)碼,若無(wú),則在系統(tǒng)中錄入此號(hào)碼,并采集人臉信息和手指信息入庫(kù);若有,則進(jìn)一步采集人臉信息和手指信息,其中人臉信息通過(guò)面部識(shí)別攝像頭采集,手指信息通過(guò)手指信息識(shí)別模塊采集。程序?qū)⒉杉降娜四樞畔⒑褪种感畔⒎謩e與人臉信息數(shù)據(jù)庫(kù)和手指信息數(shù)據(jù)庫(kù)中提取該的身份證號(hào)對(duì)應(yīng)的照片信息和手指信息進(jìn)行比對(duì)。2種核驗(yàn)相結(jié)合可做到準(zhǔn)確核驗(yàn)住院患者的身份[12-14]。若2種核驗(yàn)信息不一致,則通過(guò)揚(yáng)聲器和顯示屏對(duì)話框發(fā)出提示信息,若一致,則進(jìn)入體溫檢測(cè)環(huán)節(jié)。身份識(shí)別并確認(rèn)單元外觀結(jié)構(gòu)如圖9所示。
圖9 身份識(shí)別并確認(rèn)單元
體溫檢測(cè)單元包括身高測(cè)量單元、測(cè)溫平臺(tái)高度調(diào)整單元、紅外測(cè)溫儀、環(huán)境溫度補(bǔ)償單元、距離補(bǔ)償單元和面部識(shí)別攝像頭六部分。體溫檢測(cè)單元具體流程如圖10所示。
圖10 體溫檢測(cè)單元流程
住院患者身份確認(rèn)后,身高測(cè)量單元采集住院患者身高數(shù)據(jù);根據(jù)所得數(shù)據(jù),測(cè)溫平臺(tái)高度調(diào)整單元初步調(diào)整紅外測(cè)溫傳感器垂直方向的高度,然后根據(jù)面部識(shí)別攝像頭信息語(yǔ)音和圖像結(jié)合提醒住院患者左右調(diào)整位置,并再次微調(diào)垂直方向的高度,使得紅外測(cè)溫傳感器對(duì)準(zhǔn)額頭正中位置;環(huán)境溫度補(bǔ)償單元通過(guò)環(huán)境溫度傳感器采集環(huán)境溫度;距離補(bǔ)償單元通過(guò)測(cè)距傳感器采集住院患者額頭的前后距離,分別進(jìn)行補(bǔ)償后,進(jìn)行體溫測(cè)量,將所測(cè)結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)。
3.2.1 身高測(cè)量單元
目前可實(shí)現(xiàn)身高測(cè)量的方法有多種,如超聲波測(cè)距、激光雷達(dá)測(cè)距、紅外測(cè)距和基于圖像/視頻的測(cè)距等。根據(jù)工作環(huán)境的特點(diǎn),本方案采用超聲波測(cè)距原理測(cè)量人體身高,也就是傳感器通過(guò)聲波的波長(zhǎng)和發(fā)射聲波及接收到的返回聲波的時(shí)間差確定人體身高。在傳感器發(fā)送脈沖的同時(shí),接收器的計(jì)時(shí)器啟動(dòng)并計(jì)數(shù),直到傳感器接收反射回波后,計(jì)數(shù)停止,從而測(cè)算出測(cè)量?jī)x與頭頂之間的距離,即人體的身高[15-16]。身高測(cè)量單元如圖11所示。
圖11 身高測(cè)量單元
3.2.2 測(cè)溫平臺(tái)高度調(diào)整單元設(shè)計(jì)
測(cè)溫平臺(tái)高度調(diào)整單元根據(jù)身高測(cè)量單元提供的身高數(shù)據(jù)初步將裝有紅外測(cè)溫傳感器的測(cè)溫平臺(tái)高度自動(dòng)調(diào)整到住院患者的面部位置,方便下一步進(jìn)行無(wú)接觸體溫測(cè)量。測(cè)溫平臺(tái)高度調(diào)整單元結(jié)構(gòu)如圖12所示。
圖12 測(cè)溫平臺(tái)高度調(diào)整單元結(jié)構(gòu)
測(cè)溫平臺(tái)高度調(diào)整單元采用電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力,傳動(dòng)方式是同步帶傳動(dòng),同時(shí)利用同步輪的直徑比進(jìn)行減速。啟動(dòng)電機(jī),利用分布在傳動(dòng)帶內(nèi)表面上的等距橫向齒與帶輪上的相應(yīng)齒槽進(jìn)行嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng),同步帶將電機(jī)的動(dòng)力和轉(zhuǎn)矩傳遞到安裝有體溫檢測(cè)單元的升降平臺(tái)上。升降臺(tái)通過(guò)上下直線運(yùn)動(dòng)調(diào)整測(cè)溫平臺(tái)的高度,以適應(yīng)不同身高人群的檢測(cè)要求,其升降速度可達(dá)40~50 mm/s,能夠測(cè)量的上、下極限高度分別為2 300、700 mm。
3.2.3 體溫檢測(cè)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
當(dāng)住院患者進(jìn)行體溫檢測(cè)時(shí),程序根據(jù)面部識(shí)別攝像頭采集到的人臉信息確定住院患者額頭的準(zhǔn)確高度,再次微調(diào)測(cè)溫平臺(tái)高度調(diào)整單元,使得紅外測(cè)溫傳感器對(duì)準(zhǔn)額頭正中位置進(jìn)行體溫測(cè)量。
測(cè)溫平臺(tái)如圖13所示。測(cè)溫平臺(tái)正面裝有包含觸摸效果良好的13.3英寸高清電容顯示屏,顯示屏上部有超聲波測(cè)距傳感器、環(huán)境溫度傳感器、紅外測(cè)溫傳感器、揚(yáng)聲器、面部識(shí)別攝像頭等。顯示屏下部為身份證識(shí)別、手指信息識(shí)別等模塊。顯示屏分辨率為1 920像素×1 080像素,攝像設(shè)備為200萬(wàn)像素高清寬動(dòng)態(tài)攝像頭,具備防偽功能,可有效規(guī)避照片、視頻等作假行為[12]。
圖13 測(cè)溫平臺(tái)
3.2.4 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)
由于紅外測(cè)溫是非接觸式,會(huì)存在各種誤差。影響誤差的因素很多,除了儀器本身的因素外,還包括輻射率、測(cè)量距離、目標(biāo)尺寸、響應(yīng)時(shí)間、環(huán)境溫度和大氣吸收等[17]。本系統(tǒng)中,人體的額頭裸露在室內(nèi)環(huán)境下,影響測(cè)量結(jié)果最大的因素是測(cè)量距離,其次是環(huán)境溫度,最后是發(fā)射率[18]。
本系統(tǒng)采用渡越時(shí)間法進(jìn)行超聲波測(cè)距,并結(jié)合算法及語(yǔ)音與文字提示實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng),確保測(cè)量位置保持在額頭中間。
鑒于系統(tǒng)的工作環(huán)境在室內(nèi),主要考慮環(huán)境溫度對(duì)紅外溫度傳感器的影響。除了在傳感器內(nèi)部采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行溫度補(bǔ)償外,還可以在傳感器外部加入鋁罐,將傳感器套入鋁罐后,當(dāng)傳感器由于某種原因觸碰到其他物體時(shí),不至于導(dǎo)致傳感器自身殼體溫度發(fā)生突變,從而達(dá)到穩(wěn)定的效果[19]。
另外,通過(guò)向紅外溫度傳感器寫(xiě)入被測(cè)目標(biāo)的實(shí)際發(fā)射率來(lái)進(jìn)行發(fā)射率的修正補(bǔ)償[20-21]。
報(bào)警提示單元硬件主要由揚(yáng)聲器和顯示屏組成,用于將數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)分析所得結(jié)果進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)輸出顯示,主要包括無(wú)效身份證提示、證件出錯(cuò)提示、手指信息識(shí)別出錯(cuò)提示、測(cè)溫區(qū)域調(diào)整提示和體溫超出閾值提示等。
數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)除了用于保存用戶基本信息(主要包括身份證、面部和手指等信息)、體溫?cái)?shù)據(jù)、測(cè)溫時(shí)間等基本信息外,還需要給身份識(shí)別并確認(rèn)單元提供調(diào)用數(shù)據(jù)功能,并對(duì)體溫檢測(cè)單元所采集的體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,最后向報(bào)警提示單元發(fā)送報(bào)警提示指令。該平臺(tái)的硬件主要是作為服務(wù)器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)。臺(tái)式計(jì)算機(jī)聯(lián)入醫(yī)院局域網(wǎng)后,每個(gè)醫(yī)生的聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)均可實(shí)時(shí)查看住院患者的體溫檢測(cè)數(shù)據(jù),便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況。圖14為數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)的工作流程。
圖14 數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)工作流程
數(shù)據(jù)傳輸通道主要包括大功率無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)和集成到體溫檢測(cè)終端內(nèi)的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)通過(guò)RS232/RS485接口從無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)獲取所有住院患者體溫?cái)?shù)據(jù),無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)與無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊之間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸,接收體溫檢測(cè)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。各體溫檢測(cè)終端的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊相互之間不進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
考慮到無(wú)線傳輸受墻體等障礙物的影響,選用穿透能力強(qiáng)的頻段信道傳輸,如較常見(jiàn)的170或433 MHz[22]。
該系統(tǒng)主要用于重大疫情流行期間的體溫監(jiān)測(cè),尤其是類似方艙醫(yī)院的大量病人集中場(chǎng)所,也可作為普通醫(yī)院住院患者的日常體溫檢測(cè)。
1)系統(tǒng)架設(shè)部署。以醫(yī)療機(jī)構(gòu)為單位配備一套智能體溫檢測(cè)系統(tǒng),包括無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)1個(gè)、體溫監(jiān)測(cè)終端若干個(gè)、作為服務(wù)器的臺(tái)式計(jì)算機(jī)1個(gè)。
2)建立身份證、面部識(shí)別和手指信息數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)管理控制平臺(tái)的服務(wù)器和身份證識(shí)別設(shè)備、面部識(shí)別攝像頭和指紋采集器采集相關(guān)人員的基本信息,形成對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。
3)體溫檢測(cè)終端的使用。體溫檢測(cè)終端先通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊調(diào)用身份證、面部識(shí)別和手指信息數(shù)據(jù)庫(kù)匹配住院患者信息,確認(rèn)身份,再測(cè)量住院患者身高,根據(jù)身高數(shù)據(jù)調(diào)整測(cè)溫平臺(tái),使紅外傳感器對(duì)準(zhǔn)住院患者額頭正中來(lái)測(cè)量體溫,最后將所得體溫?cái)?shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理控制平臺(tái)。
4)數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警。體溫檢測(cè)終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息到達(dá)數(shù)據(jù)管理控制平臺(tái)后,以身份信息為單位形成體溫?cái)?shù)據(jù)庫(kù),包括人員姓名、時(shí)間及其對(duì)應(yīng)的體溫等。相關(guān)程序?qū)崟r(shí)對(duì)體溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)警。
1)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。住院患者以人證合一雙重確認(rèn)的方式進(jìn)行體溫采集,可以杜絕漏測(cè)、誤測(cè)和數(shù)據(jù)造假行為,確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性。
2)住院患者身高不受限制。通過(guò)專用模塊上下調(diào)整紅外傳感器,可以滿足坐輪椅或者特殊身高人員的檢測(cè)需求,避免特殊人群進(jìn)醫(yī)院檢測(cè)的尷尬不便。
3)安全性能好。體溫監(jiān)測(cè)終端采用紅外體溫檢測(cè)的方式,非直接接觸,避免了傳統(tǒng)接觸式測(cè)量體溫造成的病毒交叉?zhèn)鞑デ?,同時(shí)可以避免水銀體溫計(jì)一用一消毒的繁瑣過(guò)程和摔碎后污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn),確保安全。
4)體溫檢測(cè)準(zhǔn)確性高。溫度補(bǔ)償單元和距離補(bǔ)償單元可以使得測(cè)量的體溫滿足醫(yī)生診斷的標(biāo)準(zhǔn)。
以新冠肺炎這一類傳染病的早期控制手段——體溫檢測(cè)為背景,設(shè)計(jì)了一種不限制身高,身份能準(zhǔn)確識(shí)別,智能無(wú)接觸,自動(dòng)化的體溫檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的人體測(cè)溫方式自動(dòng)化程度較高,可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守,適用于醫(yī)療系統(tǒng)、學(xué)校、部隊(duì)等需要準(zhǔn)確識(shí)別患者身份且無(wú)接觸采集體溫的場(chǎng)所,可以提高工作人員的工作效率,降低工作人員與病人直接接觸的時(shí)間,減小被感染概率。
雖然本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡可能地采取了無(wú)接觸技術(shù),但限于各種現(xiàn)實(shí)技術(shù)條件的限制,身份識(shí)別并確認(rèn)環(huán)節(jié)仍存在住院患者之間交叉感染的風(fēng)險(xiǎn),后續(xù)將作進(jìn)一步研究。