基于微信小程序的心電圖像智能校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹鵬，張翰文，張志常，常世杰

(1.中國醫(yī)科大學(xué)智能醫(yī)學(xué)學(xué)院計(jì)算機(jī)教研室，遼寧沈陽 110122；2.中國醫(yī)科大學(xué)智能醫(yī)學(xué)學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系，遼寧沈陽 110122)

1 研究背景

隨著生活水平不斷提高，人們的健康意識不斷增強(qiáng)，對于身體指標(biāo)的各項(xiàng)檢查隨之增加。心電圖(Electrocardiogram，ECG)是利用心電圖機(jī)從體表記錄心臟每一心動(dòng)周期所產(chǎn)生的電活動(dòng)變化圖形的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于記錄人體心臟的電活動(dòng)以及幫助診斷心臟類疾病[1]。由于傳統(tǒng)紙質(zhì)心電圖不利于保存與傳輸，所以將如心電圖像之類的紙質(zhì)病歷及檢查報(bào)告電子化成為近年來的研究熱點(diǎn)[2]。

利用手機(jī)拍攝心電圖像可快速實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)圖像電子化，但在拍攝過程中會產(chǎn)生圖像畸變，對圖像準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。同時(shí)心電圖像結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與傳統(tǒng)圖像校準(zhǔn)存在區(qū)別[3]。

智能手機(jī)日益普及，移動(dòng)端App被廣泛使用。小程序作為移動(dòng)端App具有多平臺兼容、易推廣和成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為主流移動(dòng)端App 之一[4]。本設(shè)計(jì)利用小程序搭建心電圖像智能校準(zhǔn)平臺，通過移動(dòng)端小程序拍攝心電圖像實(shí)現(xiàn)上傳、服務(wù)端利用OpenCV 算法對拍攝心電圖像進(jìn)行校準(zhǔn)處理，還原原始數(shù)據(jù)，最終將校正后結(jié)果存儲并返回移動(dòng)端，達(dá)到利用移動(dòng)端App智能還原原始心電數(shù)據(jù)并存儲的目的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

用戶登錄系統(tǒng)后，上傳拍攝的紙質(zhì)心電圖像，由于在拍攝過程中，角度、光線等因素可能使圖像產(chǎn)生傾斜、扭曲等畸變，對后續(xù)醫(yī)療信息的準(zhǔn)確性和診斷產(chǎn)生影響，心電圖像智能存儲系統(tǒng)可以自動(dòng)完成拍攝心電圖像的預(yù)處理，輪廓檢測，多邊形擬合以及圖像校準(zhǔn)，最終返回還原的心電圖像，以備后續(xù)存儲、傳輸與診斷。

由于醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的隱私性，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)利用鑒權(quán)及對象存儲等方式保護(hù)用戶數(shù)據(jù)隱私及系統(tǒng)安全性[5]。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)與技術(shù)介紹

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為移動(dòng)客戶端和服務(wù)器端兩部分。移動(dòng)客戶端利用微信小程序?qū)崿F(xiàn)，采用微信開發(fā)者工具進(jìn)行開發(fā)?？蛻舳藢?shí)現(xiàn)用戶對拍攝紙質(zhì)心電圖像的上傳功能，隨后將心電圖像上傳到至對象存儲中。服務(wù)端使用ubuntu操作系統(tǒng)，采用云托管實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器端通過權(quán)限訪問對象存儲桶，下載相應(yīng)心電圖像對象，在服務(wù)端對心電圖像進(jìn)行預(yù)處理，輪廓檢測，多邊形擬合以及圖像校準(zhǔn)，最終將處理后的校準(zhǔn)圖像上傳至對象存儲中，最終客戶端獲取相應(yīng)心電校準(zhǔn)圖像。

圖1 微信小程序+微信云托管搭建系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用對象存儲操作心電圖像，以及通過云托管搭建服務(wù)器端，是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要核心點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)，下面對這兩種技術(shù)給予說明。

1)對象存儲

本設(shè)計(jì)通過對象存儲實(shí)現(xiàn)心電圖像的上傳與下載，對象存儲(Cloud Object Storage，COS) 是騰訊云提供的一種存儲海量文件的分布式存儲服務(wù)，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)存儲和查看數(shù)據(jù)。騰訊云COS 使所有用戶都能使用具備高擴(kuò)展性、低成本、可靠和安全的數(shù)據(jù)存儲服務(wù)。

COS通過控制臺、API、SDK和工具等多樣化方式簡單、快速地接入，實(shí)現(xiàn)了海量數(shù)據(jù)存儲和管理。通過COS 可以進(jìn)行任意格式文件的上傳、下載和管理。同時(shí)遍布全國范圍的CDN/EdgeOne 節(jié)點(diǎn)可以對文件下載進(jìn)行加速。利用騰訊云COS 可更好地對存儲圖像實(shí)現(xiàn)并發(fā)存儲和傳輸，同時(shí)也能更好地保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私性[6]。

在實(shí)際操作中，文件對象被存儲在對象存儲的存儲桶中，存儲桶(Bucket)是對象的載體，可理解為存放對象的“容器”，且該“容器”無容量上限。對象以扁平化結(jié)構(gòu)存放在存儲桶中，無文件夾和目錄的概念，用戶可選擇將對象存放到單個(gè)或多個(gè)存儲桶中。對象存儲主要功能如表1所示。

表1 對象存儲主要功能

2)云托管

本設(shè)計(jì)的服務(wù)器端采用微信云托管實(shí)現(xiàn)。微信云托管是微信團(tuán)隊(duì)提供的以云原生為基礎(chǔ)的，免運(yùn)維、高可用服務(wù)上云解決方案[7]。云托管支持目前絕大多數(shù)語言以及框架項(xiàng)目，本設(shè)計(jì)服務(wù)端采用Flask框架部署，利用Python和OpenCV實(shí)現(xiàn)圖像處理功能。

同時(shí)，微信云托管還集成持續(xù)交付部署，DevOps自動(dòng)化，安全鑒權(quán)等眾多能力，微信云托管與微信生態(tài)深度融合，具有免鑒權(quán)，云調(diào)用，消息推送等眾多優(yōu)勢特性，并且在安全、可靠性方面有專業(yè)保障。

微信云托管使用目前主流的容器平臺Docker 以及容器編排技術(shù)Kubernetes(K8S)[8]。當(dāng)使用微信生態(tài)下客戶端（小程序、公眾號），向部署在微信云托管上的后端服務(wù)發(fā)送請求時(shí)，會自動(dòng)經(jīng)過微信接入層（內(nèi)網(wǎng)），并附帶微信校驗(yàn)的權(quán)威用戶信息。

非微信生態(tài)下的客戶端（普通Web 網(wǎng)頁、App)，向部署在微信云托管上的后端服務(wù)發(fā)送請求時(shí)，會經(jīng)過微信云托管公網(wǎng)網(wǎng)關(guān)層（所有用戶共用，由微信云托管團(tuán)隊(duì)維護(hù)），并根據(jù)域名轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的用戶服務(wù)。微信云托管提供默認(rèn)公網(wǎng)域名，也可以接入自己備案好的自定義域名。

圖2 微信云托管架構(gòu)

3 心電圖像智能分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 客戶端功能實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中客戶端為移動(dòng)端微信小程序，開發(fā)語言主要為JS 語言。小程序端主要功能為將拍攝心電圖像上傳至對象存儲的存儲桶，同步顯示上傳原始拍攝圖像，并在服務(wù)端處理圖像后顯示校準(zhǔn)后圖像。

首先實(shí)現(xiàn)將拍攝心電圖片上傳至緩存，并返回臨時(shí)路徑，微信小程序開發(fā)API 中wx.chooseMedia 接口用于實(shí)現(xiàn)拍攝或從手機(jī)相冊中選擇圖片或視頻進(jìn)行上傳，具體實(shí)現(xiàn)如下：

第二步利用上傳圖片的臨時(shí)路徑將圖片存儲至對象存儲的存儲桶，微信小程序云開發(fā)API 中wx.cloud.uploadFile 用于將文件上傳至云開發(fā)存儲或者對象存儲中，具體實(shí)現(xiàn)代碼如下：

最后在移動(dòng)客戶端界面利用image組件和setData()方法同步顯示上傳的心電拍攝圖像。

3.2 服務(wù)端功能實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中服務(wù)端利用云托管搭建基于Python 的Flask框架，開發(fā)語言主要為Dockerfile腳本指令和Python。

首先利用Dockerfile 部署云托管服務(wù)器，服務(wù)器端使用ubuntu 系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中服務(wù)器端需實(shí)現(xiàn)心電圖像的預(yù)處理，輪廓檢測，多邊形擬合以及圖像校準(zhǔn)等功能，故在服務(wù)器端安裝Python 環(huán)境及OpenCV 等圖像處理相關(guān)庫，Dockerfile文件主要腳本指令如下：

在requirements 文件中指定所需庫及相應(yīng)版本，主要包括Flask 環(huán)境、Python 環(huán)境、OpenCV 庫以及對象存儲所需庫，主要指令如下：

第二步，在云托管服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)對象存儲中文件的訪問，通過COS 默認(rèn)域名訪問時(shí)，SDK 會以{bucketappid}.cos.{region}.myqcloud.com 的域名形式訪問COS。訪問對象存儲需先生成CosS3Client實(shí)例，然后循環(huán)上傳或下載對象，生成CosS3Client實(shí)例主要代碼如下：

生成CosS3Client 實(shí)例后對指定存儲桶中的文件對象進(jìn)行上傳及下載操作，利用client.get_object 方法下載存儲桶中的對象文件，主要代碼如下：

bucket_MP=config.COS_BUCKET_MP #指定訪問存儲桶

#通過存儲桶+路徑獲得圖片文件到服務(wù)器端

利用client.upload_file方法上傳對象文件，根據(jù)文件大小自動(dòng)選擇簡單上傳或分塊上傳，分塊上傳具備斷點(diǎn)續(xù)傳功能，主要代碼如下：

最后在服務(wù)器端利用OpenCV對獲得的心電拍攝圖像依次進(jìn)行預(yù)處理[9]，輪廓檢測[10]，多邊形擬合以及圖像校準(zhǔn)，流程圖如圖3所示。

圖3 服務(wù)端處理心電圖像流程圖

至此，完整地實(shí)現(xiàn)了心電圖像智能存儲系統(tǒng)的小程序部分和服務(wù)器端，通過訪問測試，可以較好地實(shí)現(xiàn)心電拍攝圖像的校準(zhǔn)及存儲，運(yùn)行示意結(jié)果如圖4所示。

圖4 心電圖像智能校正系統(tǒng)運(yùn)行示意圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了心電圖像智能校準(zhǔn)系統(tǒng)，可對用戶上傳的拍攝心電圖像進(jìn)行圖像校準(zhǔn)操作，還原初始心電圖像數(shù)據(jù)，為后續(xù)的傳輸、存儲及診斷提供輔助，有較強(qiáng)實(shí)用價(jià)值。系統(tǒng)采用對象存儲技術(shù)，增強(qiáng)了心電圖像網(wǎng)絡(luò)中上傳下載速度以及安全性，同時(shí)對保護(hù)用戶隱私有積極作用。