基于大數(shù)據(jù)的青少年視力健康公共服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)＊

張玉霞 孫婧

1.中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.河南中醫(yī)藥大學(xué)

世衛(wèi)組織2020年公布的研究報(bào)告顯示，中國(guó)青少年近視率居世界第1 位。我國(guó)青少年近視率多年來(lái)不斷上漲且居高不下的原因，除了長(zhǎng)時(shí)間看電視、玩手機(jī)、遺傳因素等原因之外，青少年不良的學(xué)習(xí)習(xí)慣和不正確的坐姿習(xí)慣也占據(jù)很大一部分原因。在以預(yù)防為主的指導(dǎo)思想下，從家庭和青少年自身學(xué)習(xí)習(xí)慣的角度，設(shè)計(jì)和搭建了一個(gè)青少年視力健康公共服務(wù)平臺(tái)，該平臺(tái)包含能在家里電腦上或手持移動(dòng)終端上進(jìn)行視力測(cè)試、視力數(shù)據(jù)管理及分析的視力檢測(cè)預(yù)警服務(wù)系統(tǒng)和對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程中的坐姿、視距、用眼時(shí)長(zhǎng)及環(huán)境光進(jìn)行監(jiān)測(cè)和提醒的輔助青少年生活和學(xué)習(xí)的監(jiān)護(hù)的視力監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。輔助青少年養(yǎng)成衛(wèi)生用眼的好習(xí)慣，以期從家庭和個(gè)人層面為青少年視力防控提供借鑒。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)青少年近視率已經(jīng)高居世界第一，其中中國(guó)初高中生和大學(xué)生的近視率均已超過(guò)70%[1]，而美國(guó)青少年的近視率約為25%，澳大利亞僅為1.3%，德國(guó)的近視率也一直控制在15%以下。由近視所造成的視力下降不僅影響了青少年的日常生活和學(xué)習(xí)效率，更對(duì)其未來(lái)的升學(xué)和就業(yè)發(fā)展帶來(lái)諸多限制，給個(gè)人帶來(lái)很大健康危害[2]，也給社會(huì)帶來(lái)很大的負(fù)擔(dān)。因此，加強(qiáng)對(duì)近視的預(yù)防，是當(dāng)前我國(guó)乃至國(guó)際社會(huì)面臨的刻不容緩的任務(wù)。我國(guó)政府也高度重視這一問(wèn)題，2018年8月30日，教育部等八部門聯(lián)合印發(fā)《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》，將中國(guó)兒童青少年近視防控上升為國(guó)家戰(zhàn)略；2021年4月，教育部等十五部門聯(lián)合印發(fā)《兒童青少年近視防控光明行動(dòng)工作方案（2021—2025年）》，共同實(shí)施八個(gè)專項(xiàng)行動(dòng)防控兒童青少年近視。

預(yù)防近視最好的方法就是全面設(shè)防、長(zhǎng)期預(yù)防，措施就是盡可能頻繁地進(jìn)行視力檢測(cè)。目前，在視力檢測(cè)中，一般要去眼科服務(wù)機(jī)構(gòu)或配鏡中心，流程繁瑣，即使買了家用的視力測(cè)試表，但容易測(cè)試數(shù)據(jù)分散，沒(méi)有統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。還有一種監(jiān)視方式是在醫(yī)院用大型驗(yàn)光設(shè)備如驗(yàn)光儀、檢影鏡進(jìn)行專業(yè)的視力檢測(cè)，這種檢測(cè)結(jié)果比較準(zhǔn)確，但使用門檻高、設(shè)備造價(jià)昂貴，這在一定程度上都造成了視力檢測(cè)的不便。本研究針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)和搭建了一個(gè)能在家里電腦上或手持移動(dòng)終端上測(cè)試視力的便捷服務(wù)系統(tǒng)，簡(jiǎn)化當(dāng)前視力測(cè)試的流程和時(shí)間，能自助的隨時(shí)隨地檢測(cè)自己的視力。并把每次的測(cè)試結(jié)果上傳到服務(wù)平臺(tái)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，可根據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析隨時(shí)掌握視力的變化情況。這樣可改善視力檢測(cè)不及時(shí)、數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)難分析及無(wú)法實(shí)時(shí)預(yù)警提醒的問(wèn)題。同時(shí)該服務(wù)平臺(tái)還設(shè)計(jì)了一個(gè)輔助青少年生活和學(xué)習(xí)中對(duì)視力進(jìn)行監(jiān)護(hù)的系統(tǒng)，對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程中的坐姿、視距、用眼時(shí)長(zhǎng)及環(huán)境光進(jìn)行監(jiān)測(cè)和提醒，輔助其養(yǎng)成良好的用眼習(xí)慣。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)技術(shù)構(gòu)建視力健康公共服務(wù)平臺(tái)。通過(guò)電腦或移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)視力在線檢測(cè)，讓視力檢測(cè)普遍化、家庭化。通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，形成分析報(bào)告及視力健康畫像，為青少年視力發(fā)展及異常提供預(yù)警分析服務(wù)，讓用戶能及時(shí)了解自己的視力健康狀態(tài)，為個(gè)人視力發(fā)展?fàn)顩r及以后的視力診療提供參考。平臺(tái)還設(shè)計(jì)有視力監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，主要功能是輔助青少年在平時(shí)的生活和學(xué)習(xí)中對(duì)視力進(jìn)行監(jiān)護(hù)和提醒，幫助其養(yǎng)成良好的用戶習(xí)慣，把近視重點(diǎn)防控在預(yù)防階段，減少近視的發(fā)生率或嚴(yán)重率。平臺(tái)的總體方案框圖如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總體方案框圖Fig.1 Block diagram of the overall plan of the platform

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 視力健康數(shù)據(jù)云平臺(tái)設(shè)計(jì)

視力健康數(shù)據(jù)云平臺(tái)主要為用戶提供注冊(cè)、視力數(shù)據(jù)檢測(cè)和存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析和智能推薦等服務(wù)的云平臺(tái)。利用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上報(bào)環(huán)境光線強(qiáng)度、視距等傳感器數(shù)據(jù)及攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)接入服務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)至視力健康服務(wù)平臺(tái)，視力健康服務(wù)平臺(tái)處理數(shù)據(jù)并寫入統(tǒng)計(jì)文件，數(shù)據(jù)可視化服務(wù)從統(tǒng)計(jì)文件讀取數(shù)據(jù)展現(xiàn)為報(bào)表。同時(shí)設(shè)計(jì)了MySQL 打通了更多外界的數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新。平臺(tái)的架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.2 Platform architecture diagram

2.2 視力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視力檢測(cè)系統(tǒng)主要包括視力檢測(cè)、視力檢測(cè)報(bào)告及個(gè)人視力健康畫像[3]。針對(duì)上述功能，設(shè)計(jì)和開發(fā)了PC端和移動(dòng)端實(shí)現(xiàn)上述功能。

2.2.1 視力測(cè)試

采用人機(jī)交互自助智能視力測(cè)試方法，用戶輸入自己的賬號(hào)和密碼。登錄進(jìn)入自助視力測(cè)試界面，界面呈現(xiàn)預(yù)設(shè)的測(cè)試說(shuō)明，并配有語(yǔ)音講解。登錄系統(tǒng)后顯示視標(biāo)、上下左右朝向E、左眼測(cè)試、右眼測(cè)試、雙眼測(cè)試、視力判斷、視力晉級(jí)、語(yǔ)音提示、人機(jī)互動(dòng)自助完成視力測(cè)試，視力測(cè)試的時(shí)間和測(cè)試結(jié)果實(shí)時(shí)上傳到云服務(wù)器的后臺(tái)管理系統(tǒng)。用戶登進(jìn)入測(cè)試頁(yè)面后，屏幕會(huì)出現(xiàn)一個(gè)E 視標(biāo)，對(duì)應(yīng)最小的視力等級(jí)，通過(guò)控制器上的上下左右鍵來(lái)選擇E 的方向，連續(xù)選擇正確2 次，自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)等級(jí)的測(cè)試，連續(xù)選擇錯(cuò)誤2 次后則自動(dòng)結(jié)束跳轉(zhuǎn)到測(cè)試結(jié)果界面，在測(cè)試結(jié)果界面有按鈕可返回測(cè)試界面進(jìn)行另一只眼的測(cè)試或雙眼測(cè)試。測(cè)試結(jié)束后，此次測(cè)試的時(shí)間和測(cè)試的結(jié)果自動(dòng)上傳到云服務(wù)器中。同時(shí)在視力報(bào)告模塊顯示本次視力測(cè)試的結(jié)果。

用戶可以把在家用紙質(zhì)視力表測(cè)視力的數(shù)據(jù)、學(xué)校每學(xué)期定期的視力檢測(cè)結(jié)果、去眼科醫(yī)療機(jī)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)構(gòu)要及時(shí)上傳到該服務(wù)平臺(tái)，方便及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析。

本模塊也設(shè)置了一個(gè)色盲監(jiān)測(cè)的菜單和簡(jiǎn)單的散光檢測(cè)功能，可以初步篩查一下色覺(jué)和散光是否有異常的情況，如初步判斷有異常建議用戶到專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)一步檢測(cè)獲得更準(zhǔn)確的建議。

2.2.2 視力檢查報(bào)告

該模塊根據(jù)每次的測(cè)試結(jié)果生成當(dāng)次的視力檢查報(bào)告外，也可根據(jù)身份信息訪問(wèn)視力監(jiān)測(cè)檔案庫(kù)，下載該用戶的歷史視力測(cè)量數(shù)據(jù)，結(jié)合最近3 次的測(cè)量數(shù)據(jù)繪制曲線生成視力監(jiān)測(cè)報(bào)告，讓用戶更直觀的及時(shí)了解自己視力的變化，加強(qiáng)對(duì)自己視力健康的重視。

2.2.3 個(gè)人視力健康畫像

利用人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)用戶的個(gè)人信息、歷史視力監(jiān)測(cè)自動(dòng)上傳的海量數(shù)據(jù)及從學(xué)校、驗(yàn)光中心、醫(yī)院檢查后錄入的視力數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和整理，生成關(guān)鍵視力特征摘要，和用戶的個(gè)人信息一起存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶自己或授權(quán)的機(jī)構(gòu)可通過(guò)視力特征摘要和個(gè)人標(biāo)簽生產(chǎn)的健康畫像，了解用戶的病史信息，提高醫(yī)生的診療質(zhì)量和效率。

在對(duì)視力歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析時(shí)用到了樸素貝葉斯分類算法，通過(guò)樸素貝葉斯分類算法對(duì)視力歷史數(shù)據(jù)分類結(jié)果進(jìn)行訓(xùn)練，得出訓(xùn)練模型，對(duì)用戶下一步的視力發(fā)展情況進(jìn)行初步預(yù)測(cè)，讓用戶對(duì)自己的視力發(fā)展趨向有初步的了解，便于及時(shí)采取對(duì)應(yīng)的措施，同時(shí)也可為醫(yī)生診斷起輔助作用。

2.3 視力監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視力監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前主要包含坐姿監(jiān)測(cè)、視距監(jiān)測(cè)、環(huán)境光監(jiān)測(cè)、用眼時(shí)間監(jiān)測(cè)及護(hù)眼知識(shí)科普及護(hù)眼活動(dòng)。

2.3.1 坐姿監(jiān)測(cè)[4]

本模塊主要是使用攝像儀頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)，識(shí)別與提取攝像設(shè)備獲取的視頻流中的用戶特征來(lái)對(duì)不同坐姿進(jìn)行判斷，可以較為直觀、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到使用者坐姿是否準(zhǔn)確，同時(shí)對(duì)保持坐姿的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在需要的時(shí)候給予用戶提示并顯示當(dāng)下?tīng)顟B(tài)，提醒用戶更正不良坐姿，如果時(shí)長(zhǎng)太久提醒用戶離開座椅活動(dòng)身體及關(guān)節(jié)、推送眼保健操或健身操等。

2.3.2 視距監(jiān)測(cè)

據(jù)醫(yī)學(xué)研究表明，青少年看書學(xué)習(xí)時(shí)眼睛與書的距離保持在33.3cm 左右是最合理的。視距的范圍一般在60cm 內(nèi)，利用超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，用公式s=vt/2 計(jì)算距離，其中s 為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)地的時(shí)間為t，超聲波傳播速度為v。在使用過(guò)程中，平臺(tái)上實(shí)時(shí)顯示測(cè)試的距離，超出設(shè)置的閾值發(fā)出提醒，幫助使用者形成良好的坐姿及用眼習(xí)慣。

2.3.3 環(huán)境光監(jiān)測(cè)

本模塊借助智能手機(jī)、平板電腦的環(huán)境光傳感器監(jiān)測(cè)周圍光照強(qiáng)度，當(dāng)判斷當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)度超出預(yù)設(shè)的安全值（300-500lx）[5]時(shí)，發(fā)出提醒信息（如太暗、偏暗、合適、偏亮、太亮等），讓用戶在學(xué)習(xí)、工作中及時(shí)地改善照明情況，從而保護(hù)視力。

2.3.4 用眼時(shí)長(zhǎng)監(jiān)測(cè)

本模塊主要是使用攝像儀頭進(jìn)行監(jiān)測(cè)，識(shí)別與提取攝像設(shè)備獲取的視頻流中的用戶特征，根據(jù)判斷用戶特征能否繼續(xù)提取成功進(jìn)行累計(jì)計(jì)時(shí)，每分鐘提取一次，如果提取成功則時(shí)間加1，因中小學(xué)讀寫連續(xù)用眼時(shí)間不宜超過(guò)20min，所以累計(jì)到20min 提醒一次，如果用戶離開了座位，視頻中提取不到用戶的特征，則計(jì)時(shí)器一分鐘減1，減到0 為停止。借此可以輔助用戶管理持續(xù)用眼時(shí)長(zhǎng)，提醒用戶及時(shí)調(diào)節(jié)眼睛，放松眼部肌肉，多戶外活動(dòng)，眺望遠(yuǎn)處，緩解眼疲勞，預(yù)防近視。

2.3.5 視力健康教育

本模塊就是一個(gè)視力健康教育的科普宣傳的網(wǎng)頁(yè)，包含綜合防控政策宣傳、防近視知識(shí)和案例、愛(ài)眼活動(dòng)策劃、營(yíng)養(yǎng)健康、戶外活動(dòng)、眼保健操和健身操、診療常識(shí)、診療方案等科普宣傳知識(shí)，幫助青少年了解用眼衛(wèi)生及眼健康知識(shí)及近視防控知識(shí)，重視養(yǎng)成良好的用眼習(xí)慣，主動(dòng)預(yù)防階段下工夫，降低自己近視的概率。

3 討論

防控兒童青少年近視，需要全社會(huì)群策群力，形成多方合力，其中家長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)尤其重視孩子早期視力保護(hù)與健康，做到早發(fā)現(xiàn)早干預(yù)，改變“重治輕防”觀念，及時(shí)預(yù)防和控制近視的發(fā)生與發(fā)展。青少年視力健康服務(wù)平臺(tái)的建立，可實(shí)現(xiàn)家庭及個(gè)人對(duì)青少年視力檢測(cè)和視力健康數(shù)據(jù)管理的方便化、快捷化、家庭化。

該平臺(tái)主要特點(diǎn)是視力數(shù)據(jù)測(cè)試、管理和輔助培養(yǎng)青少年健康用眼習(xí)慣，注重視力預(yù)防，符合當(dāng)今國(guó)家對(duì)青少年的視力防控戰(zhàn)略要求。國(guó)家大力支持青少年視力健康防控管理，鼓勵(lì)學(xué)校、家庭結(jié)合眼科醫(yī)療中心，利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)搭建具有長(zhǎng)期跟蹤、預(yù)測(cè)預(yù)警等個(gè)性化健康管理服務(wù)功能的公共信息平臺(tái)，為預(yù)防近視、降低我國(guó)青少年的近視率提供實(shí)踐參考。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究針對(duì)青少年視力健康的現(xiàn)狀，結(jié)合目前的技術(shù)和家庭情況及青少年的學(xué)習(xí)習(xí)慣，初步構(gòu)建了青少年視力健康公共服務(wù)平臺(tái)。硬件包括云服務(wù)器和傳感器、攝像機(jī)等設(shè)備，其中云服務(wù)器選擇阿里云服務(wù)器，數(shù)據(jù)庫(kù)采用的MySQL，傳感器有光傳感覺(jué)、距離傳感器等；軟件PC 端和移動(dòng)端，平臺(tái)功能包含視力檢測(cè)預(yù)警和視力監(jiān)護(hù)兩個(gè)系統(tǒng)模塊，視力檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)包括視力測(cè)試、視力檢查報(bào)告、個(gè)人視力健康畫像3 個(gè)模塊，其中視力檢查報(bào)告和個(gè)人視力健康畫像模塊具有預(yù)警提示的功能。視力監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有坐姿監(jiān)測(cè)、視距監(jiān)測(cè)、環(huán)境光監(jiān)測(cè)、用眼時(shí)長(zhǎng)監(jiān)測(cè)和視力健康科普宣傳等功能，本研究設(shè)計(jì)并構(gòu)建的青少年視力健康公共服務(wù)平臺(tái)為青少年視力防護(hù)從醫(yī)院到家庭和個(gè)人視力健康管理的延伸提供了可能，具有良好的推廣價(jià)值及應(yīng)用空間。