基于手机的远程可视化医学技术研究

2010-09-06 01:30:28张晓丁刘静
中国医疗器械信息 2010年10期
关键词:摄像头远程监控

张晓丁刘静,2

1 清华大学医学院生物医学工程系 (北京 100084)

2 中国科学院理化技术研究所 (北京 100190)

基于手机的远程可视化医学技术研究

张晓丁1刘静1,2

1 清华大学医学院生物医学工程系 (北京 100084)

2 中国科学院理化技术研究所 (北京 100190)

随着手机硬件配置及功能日益丰富,其包含的服务种类与日俱增,在人们的日常生活中正发挥着愈加重要的作用,手机医疗相关问题逐步受到国内外关注。本文以手机远程可视化医学应用技术为中心,研究了基于IP摄像头和服务器推送模式的远程医学视频监控解决方案,构建了原理性应用系统并编写了软件接口和显示界面,就该系统的视频特性给出了测试结果,证实了新技术的有效性和低成本特性,并归纳出手机远程可视化技术的系列新颖的医学用途。

IP摄像头 手机 医学视频监控 远程医学 低成本医学

Abstract:With the advancement in hardware configurations, more abundant functional features and increasing services incorporated,mobile phones are playing an ever important role in people’s daily life. Among the many efforts ever made, mobile phone enabled healthcare technologies and related issues gradually received attentions over the world. Aiming to push forward the application of visualized healthcare technology enabled by mobile phone, a remote medical monitoring solution based on IP camera and server push modality was established. A system prototype with software connecting the camera and the monitoring interface was realized.Experimental tests on the video features of the system were performed which demonstrates the feasibility and low cost properties of the new technology. A series of novel medical implementations of the mobile phone based remote visual technologies were outlined.

Key words:IP camera, mobile phone, medical video monitoring, telemedicine, low cost medicine

0 引言

近年来,手机发展十分迅猛,它已不再只充当一个基本的通讯工具,而是融合了大量先进技术如互联网、个人电脑、摄像头、娱乐终端等在内的综合电子设备。从用户数量上看,我国手机用户与网民相比,已远高于后者:2009年中国大陆手机用户达7.26亿[1],而直到2010年,我国网民数量也才突破4亿[2]。手机的移动性和便携性具有电脑难以取代的地位,是真正意义上的一部可以为人人所拥有、随时随地在线的网络终端。也因如此,不少传统或新兴产业,正逐步将目光集中到手机上。

在各种努力中,手机医疗技术逐渐步入人们的视野[3,4]。将医疗与手机融合,使用者不仅可望适时获取自身的各项生理参数,从而监控健康状况,而且在必要的时候,甚至可以通过手机实现远程就医,并辅助诊断治疗。Si等提出了基于3G的远程监控构想[5],归纳出两种3G接入的拓扑结构,并比较了几类有线宽带的接入方式,但未从具体技术的实现上有更多涉及。Zhang等研究了可支持Java系统的3G手机的远程监护系统[6],可用于显示ICU/CCU病房患者的生理数据。Goñi等针对心率不齐和睡眠呼吸暂停综合征问题,考察了可穿戴生理信号传感器与智能手机的连接问题。总体上,国内外对于手机医疗技术的研究刚刚拉开帷幕,基于手机视频功能的远程医学技术的探索还比较鲜见。

实际上,视频监控在医疗卫生行业有重要应用,如医生通过远程终端可了解患者病情、状态,乃至实现远程数字化查房;而在家居环境中[7],子女则可以借助这类系统了解家中老人、儿童的状况;同时,还可洞悉家中安全情况,实时提供安防监控等。围绕这些需求,本文开展了如下尝试:首先,系统提炼了手机远程监控技术的应用范畴;以远程可视化医学应用为目标,给出了相应的软硬件解决方案,基于所构建的手机视频监控系统,评估了其性能。

1 手机远程视频监护技术的应用范畴

1.1 医疗领域

(a) 远程查房

众所周知,医院的医生和护士每天需要对住院病人进行例行查房。而且,对于一位负责任的住院医师来说,每天查房的次数不得少于两次,对于危重病人,则需保证能够随时查房。查房不仅可以确保医生对患者的病情近况有充分了解,而且对于教学、内部实习医师的培训、以及包括护士在内的医院系统工作人员的沟通协作,均具有重要的意义。而且,若能及时地得到医生的关怀,将自己的情况传达给主治医师,对于患者而言,也会从心理上得到莫大安慰。

尽管查房对于病人和医师都具有很重要的意义,但是,由于医生有很多繁琐的日常工作需要处理,使得分配给查房的时间和精力十分有限。而且,查房前要完成交接班,准备病人的病例、化验报告、医学图像等资料,时间紧迫,质量很难得到保障。这就可能导致患者无法接受到最好的医疗服务,而“以病人为中心”的理念也很难落实贯彻。

应用手机医疗视频监控系统后,医师可以坐在办公室里完成查房的大部分工作,无需奔波于病房之间。而且,医师甚至可以在前往医院的路上,即通过手机了解患者的状况和信息。另外,医师还可在任意时间和地点了解病人的最新情况,随时随地实现远程数字查房。与此同时,可以将每次查房的视频内容予以保存归档,形成多媒体数字病历,便于病人日后的治疗和诊断。这样做可以节约时间,提高效率,而且也包含了传统方式的大部分核心功能,因而能确保医院提供更好的医疗服务。

(b) 康复指导

康复是指综合协调地应用医学的社会、教育和职业功能,对患者进行训练和再训练,以使其能力达到尽可能高的水平。传统的康复常常需要医师亲自动手对患者加以引导。随着病人的数量越来越多,一些工作可逐渐交给康复机器人来完成。然而机器人毕竟是一台预先编程的、简单执行指令的机器,医生的很多工作仍无法由其所取代,为解决医生数量少、病人数量多且机器难以取代人的这个问题,手机可视化技术可望发挥一定作用。

患者不论在康复中心、还是在家中,于任何时候遇到问题时,就可以呼叫主治医师,后者只需通过手机接通监控系统,即可以记录下患者的动作,加以分析,并随后给以具体的指导意见。由于省去了烦琐的就诊程序,而且针对性强,这类措施显得效率较高。

(c) 婴儿监护

时下,很多年轻夫妇在子女出生后,依旧上班工作而把婴儿交由亲属或聘请保姆抚养。尽管如此,父母依旧十分惦念家中的婴儿,即使在上班的时候也是如此。而将手机应用于婴儿监护就可以部分解决这个问题

婴儿监控其实并非新概念,市场上已有成型的设备[8]。然而,几乎所有的婴儿监控器都是针对居室内30~100米范围的监控,且需借助专用的监控屏幕。由于大部分的父母在回家以后,会选择亲自抱着子女或将婴儿置于自己的视线范围内,因此居室内监控的意义就显得十分有限了。同时,额外的显示设备也显得有些累赘。

手机监护可为此提供新的选择,由于采用了基于互联网的无线接入方式,其好处就是,在大部分手机或3G信号覆盖到的区域,可以不受限制地实现远程监控。目前的手机信号在电梯、地下铁等地方也逐步有了覆盖,因此几乎可以实现随时随地的监控。而这正是上班族父母的真正需求。另外,监控端就是用户的手机,因而省去了携带额外设备的不便。而且,由于手机相对于电脑,具有更好的私密性,因此上班族选用手机做监控设备,不论从个人形象还是遵守工作单位的规章制度等角度考虑,都是十分合适的。

(d) 老人监护

现代社会中,老年人得不到子女及时有效的照顾已不仅是个别家庭的问题,而已发展为不容忽视的社会现象。随着我国人口老龄化的发展,该问题越发明显。由于子女大多外出上班,甚至去外地工作,因此家中留守的老人其健康和生活质量难以得到保障[8],状况令人堪忧。曾经就发生过老人在家中病倒去世,数天无人知晓的悲惨事件,让人十分痛心。手机视频的应用可以一种低成本的方式解决这个棘手难题。

通过无线互联网的接入方式,监控方可以在几乎任何时间、任何地点连接上网,并访问被监控端的摄像头,实现远程监控。因此,不论家中的老人是否有专人照料,都完全不用担心,因为一切情况皆可随时掌握。诚然,打电话也可以实现类似的功效,但是声音毕竟不如图像直接,而且老人往往会出于体谅子女的考虑,有意隐瞒自己健康不佳的状态。此外,电话的接通需要双方同时应答方可,但是在一些时间,如中午或晚间,无疑会影响到老人的休息。而视频监控则不需要被监控方主动配合,十分方便。另外,对于一些年岁很大,语言表达不便甚至老年痴呆的老人,电话同样不合适,手机可视化技术为此提供了诸多可能。

(e) 睡眠监控

不论是婴儿还是成人,都面临睡眠问题且需要对此进行监控。前者如家长需要及时获悉婴儿睡眠时的姿态、睡眠质量、是否盖着被子等信息;后者则是用户需要了解自己睡眠中的动作、姿态以及活动情况与时间的对应关系,从而分析睡眠质量并调整自己的状态。

手机视频监控系统可采用带红外的摄像头,在光线不足时,可以补充照明,且被监控者不会有不适感,因而不会影响正常睡眠。通过后期分析使用者在整个睡眠过程中不同时间段所做出的反应和动作,配合其他的生理参数监控设备以及使用者自身的感受,可更有效地衡量睡眠质量并对睡眠有问题的使用者提出建议和治疗方案。

另外,一些患有慢性疾病或动作不便的老年人,由于经常保持一个姿势卧床睡眠,容易导致褥疮发生,不仅使患者十分痛苦,而且还可能引起并发症,甚至威胁生命。在病人自己忘记或不便于做出动作时,经常为病人翻身是有效避免褥疮的非常有效的方式[10],因此可以通过该系统实时观测病人的状况,当检测到病人长时间没有翻身动作时,即可发出警报,护理人员从而能及时响应,避免褥疮的产生。

(f) 输液监控

很多住院患者都需要输液,然而一旦输液系统发生故障,如注入空气等,后果将十分严重。而这类问题往往不易发现,等到发现时,则可能为时过晚。基于手机视屏技术,可考虑将输液端的导管内加入一系列传感器,监测液滴流速、有无漏气等,将该信息集成到视频监控端,一并传到手机端显示。这样,不论是患者家属还是主治医师、护士,都可以随时了解患者的实时信息,当输液出现问题时,可以第一时间做出反应。

(g) 智能医院监控

现阶段,大部分医院都配备有视频安防监控系统,基本实现了对公共空间的无缝监控。但对于其他一些基本信息,比如空气温度、湿度、流通速度、二氧化碳浓度、刺激性气体浓度、照明亮度等信息,仍然没有涉及。此方面,可以考虑在被监控端安装多种传感器,以得到多组数据信息,从而全面反映医院的各种基本情况,并将信息实时发送到使用者的手机上,令医生和患者一目了然。

1.2 相关领域

(a) 学生安全监控

对学生人身安全的保障和维护,一直是各个学校、幼儿园等日常管理的核心问题。尤其是在一些社会上的恶性事件发生后,更成为了父母、学校关注的焦点。而一套完善的视频监控系统,不论从实际的安全管理角度、还是从威慑警示潜在的犯罪分子角度考虑,都具有重要意义。尽管安防监控系统早已在大多数学校得到装备,但学校的监控,由于资源和人力所限,是以学生集体为单位进行的,不可能精确到每个学生个体,这也为可能出现的危险埋下了隐患。

将手机视频系统应用于校园监控可望解决这一问题。在学校日常教学中,管理员可以通过手机端的监控界面查看学校主要公共场所的情况,包括教室、操场、食堂、学校周边等,甚至可以随时定位特定个体,做到心中有数。一旦发现异常,即可立即通知学校保卫科,并精确地传达事件发生的时间和地点,确保校方迅速采取行动。

需要说明的是,设计此套系统的初衷是好的,但同时也带来不少现实问题。比如,由于视频图像传到了互联网上,信息的安全性就面临很大威胁。尽管可以采取加密措施,且监控方还需输入用户名和密码方可打开程序,但仍然不能排除系统被不法分子入侵并利用的可能。若是这样,原本的监控网就变成了其“情报网”,整个学校的一举一动都在其掌握之下,后果不堪设想。此外,就是学生隐私的问题。作为独立的个体,学生有自己合理的隐私权。将自己的一举一动全部暴露在监控之下,是否合适,对青少年的心理发展会有什么影响,是有待探讨的问题。

(b) 社区安防

将这套系统应用于社区安防,是十分方便且合适的。传统的社区安防监控采用封闭系统连接摄像机和监视器,能够看到画面的人员仅限于专职的保安人员,而这些对于每个住户都息息相关的信息,却不能被广大业主得到,更不用奢谈随时随地了。但是应用手机视频监控系统,却能够实现这个愿望。应用该系统,用户可以方便地登录访问摄像头,凭借用户注册密码,获取相关视频信息,真正使自己对社区的安全做到实时掌握。

(c) 城市交通监测

在大城市里驾车,很多人面临交通拥堵的问题。而事实上,在大部分交通路口处都安装有监控摄像头,所以实时的交通信息其实是已经被获取了的。如果将手机视频监控系统连接至这个系统中,则驾驶员就可以实时获得主要路口的交通流量情况,从而优化行车路线,避免交通拥堵,这可能成为解决交通难题的一条有益措施。

2 手机远程视频监控系统实现方案

以上提炼出了手机视频功能的一些重要用途,若能充分开发,可望促成系列新的应用技术的突破。为证实借助手机实现远程视频监测的概念,我们首先通过组合多种技术,给出了相应监测平台的实现方案;其次,针对所构建的手机视频监控平台,给出了系统的测试结果,评估了手机监控技术的可行性。

本系统主体由两部分组成,分别是位于远端、连接至互联网的IP摄像头和位于用户端的手机,整个系统构成如图1所示。其中,位于被监控端的IP摄像头(环宇飞扬-501型,其自身载有可旋转的电机驱动云台并配备玻璃透镜和六颗夜视LED,机身具备液晶显示功能,同时设置有RJ45以太网接口)将采集到的视频数据源源不断地发送到互联网上,当位于监控端的手机以一定的协议通过图1所示的三种无线互联网接入方式:3G、GPRS、WIFI接入互联网,并打开相应的监控界面时,IP摄像机的视频数据就会传送到手机端,并显示在屏幕上。同时,手机还可以反向发送指令控制IP摄像机的镜头,使其做上下左右旋转,以调整显示图像的范围和内容。

图1 手机远程视频监护系统构成

这里,IP摄像头相当于一般的网络摄像头和一台小型电脑的结合体,既能获取视频信号,又能通过内置的系统联网,进行诸如视频压缩、数据传输和存储、处理指令前驱动电机等工作。内置的操作系统,允许使用者通过软件对IP摄像头进行设置。当IP摄像头上电后,在网络连接正常的情况下,内部软件会根据已有的程序,以设定的动态IP或静态IP尝试联网,当联网成功以后,获得的IP地址、子网掩码等信息将显示在液晶屏上。同时,位于互联网上的设备即可等效为一台网络服务器,可源源不断地向互联网上传数据。此时,位于监控端的手机就可以通过访问该服务器的地址,得到服务器上面的数据;同时,手机端发送的指令也可以通过同样的方式反向传输到IP摄像头端,达到控制摄像头的目的。需要注意的一点是,IP摄像头是与传统的网络摄像头完全不同的设备,后者一般通过USB连接至电脑,实现网络视频摄像、视频聊天等功能,但其一切应用都不能脱离电脑。而IP摄像头则无需电脑的参与,可上网并发送数据,自身还具备简单的服务器功能,因而是对原有网络摄像头功能的扩展和延伸。但若要实现手机端的远程视频监控,还需要有若干关键技术的支持,如服务器推送(Server Push)等。

服务器推送技术[11]不同于以往的浏览器主动查询方式,后者需等待浏览器发出请求后,才传送数据;而服务器推送则不需等待浏览器的请求,直接将数据推送到上面。这项技术突破了HTTP协议自身的一些局限性,被广泛应用于需要实时更新数据与交互体验的网站上,如股票数据更新、实时新闻、社交网站、电子邮件界面、网页聊天等。

与服务器推送相对应,实现类似功能的另一种相对传统的方式是客户端拉拽(Client Pull)。该技术将定时刷新指令装入到HTTP响应或文档头标记中,这样,在指定的时间之后,浏览器会自动刷新当前页面,装入新的数据。然而,这种原始而简单的方式效果并不好,在页面数据改动很小或者根本没有改变的情况下,仍然要刷新页面;同时,频繁的刷新和等待会给使用者非常糟糕的体验感。因此现在采用此方式的并不多。

鉴于上述因素,本文所构建系统中采用的IP摄像头的数据传输方式正是服务器推送。

3 手机软件及显示界面方案

众所周知,网页形式的页面,在没有安装插件或未使用JavaScript时,其基础的HTML代码可以支持的显示内容十分有限,只有文字、图像等静态内容。事实上,实现视频监控也不例外,同样需要对网页进行一些处理,而解决方案可以分为两种,基于服务器推送和基于ActiveX控件。前者即为本文所采用的方案;而后者也是可行方案之一,系针对Microsoft Internet Explorer实现。

我们知道,PC版的IE支持ActiveX控件自动下载,在登录一些需要安装插件的网站时,浏览器会自动弹出安装插件对话框,询问用户是否安装相应插件,从而实现比较复杂而丰富的浏览体验和功能。然而,手机版的Mobile IE并不支持ActiveX控件下载,而且,即使强行将PC版的ActiveX控件加以安装,同样无法使用,原因是由于PC和手机的编码方式不同,二者不兼容所致[12]。最后一点原因是,由于Mobile IE只是针对于Windows Mobile操作系统的,使用其他操作系统的手机并非使用这款浏览器,导致其应用范围十分有限。综上,本文没有选择基于IE的ActiveX方案,而采取了应用性相对更广的服务器推送形式。

设计手机监护程序界面的出发点在于实用。由于手机屏幕尺寸的限制,本文设计了大尺寸的摄像方向控制按钮。除监控窗口、控制按钮等主要构成外,整个界面只有系统登录时间显示和系统Logo等内容,如图2所示,总体上简洁明快。

图2 手机端监控系统的界面

4 实测结果

本文所实现的手机监视平台的实际测试结果分别如图3、图4所示。其中,图3是由相机实际拍摄的手机屏幕照片,而图4则是由手机模拟器在电脑端运行,截取的屏幕图片(这从清晰度、显示比例上亦可判别)。本系统可根据需要分别显示实拍的全景尺寸界面、监视窗口局部放大界面以及标题栏局部放大界面,三者实质是同一界面的三个不同部分。除了可以看到监控图像窗口以及控制按钮之外,在标题栏还可以看到登录系统的具体时间以及系统的名称等基本信息。图4是主控界面的全景和局部,分别突出了视频窗口和监控标题栏;云台控制的各个按钮,分别对应“上”、“下”、“左”、“右”、“复位”和“切换至快速控制面板”等按钮。

图3 显示于Acer F900手机屏幕的室内环境(实拍)

图4 手机主监控界面(截图)

图5 横向屏幕下IP摄像头所获图像的形状和颜色还原情况(截图)

图5展示的是由摄像头拍摄的标尺图形和色彩,图6则为所拍摄图片对应的原始图片。可以看到,手机镜头存在严重的图形扭曲,对形状的还原质量不好,但色彩还原尚可接受。对此成像质量的提升,更多的是需要从手机自身硬件着手,在软件方面也可进行一定的工作,相应的内容有待于进一步开展。

图6 测试用原始图片

5 讨论

以上实现的系统在总体性能上尚有待提高,分析如下。

首先,本设计的实现仍然是基于静态内网IP地址的,也就是说,IP摄像头通过网线连接至无线路由器,而手机通过WIFI同样连接至路由器,摄像头、手机构成内网中的两台设备。在实验中,将IP摄像头的地址设为固定内网IP:192.168.1.234,然后,将此IP嵌入到用户端网页界面中,以实现内网访问的目的。当IP摄像头获得外网IP地址时,需要将网页内IP地址代码改成相应的外网IP。无疑,这对于使用者而言会带来很多不便;若能使用DDNS则会方便得多。所以下一步的改进可以首先考虑将DDNS加入到设计中,并通过固定的域名访问IP摄像机。

第二个有待改进的地方在于浏览器的缓存(Browser Cache)问题。众所周知,浏览器在浏览网页的同时,会将很多网页上的内容下载至本地磁盘,这样做的好处是可以加速再次浏览相同页面时的浏览速度。缓存可以让浏览器直接从本地读取文件,免去了再次下载的工作,从而可以加速浏览、节约网络资源、节省资费甚至实现脱机工作。但是这个原本是优点的功能,在视频监控中反倒成为了缺点。由于本设计采用的是服务器推送模式的视频传输,也就是说,服务器通过长连接主动地发送数据包至浏览器,后者被动地不断接收。这样做的结果就是,在浏览器一边,看起来页面总是没有载入完成,载入进度永远不会达到100%。这对于监控的诸多功能并不造成影响,但对于缓存却是致命的问题。由于不断地载入内容,浏览器因而不断地保存临时文件至缓存中,这样,如果长时间连续监控,比如1小时以上,则产生的缓存将会超过100MB。虽然现有的手机存储卡容量很大,可以达到32GB,但是这些无用而巨大的垃圾文件无疑是用户所不需要的。因此,可以考虑编写一个小程序,专门负责动态删除浏览器产生的缓存,这也是很重要的有待提高之处。

第三个可以改进之处则主要为了适应现阶段手机上网资费收费标准。如前所述,本设计方案手机端采用的上网方式是3G、GPRS、WIFI中的任意一种。虽然WIFI具有最好的网络质量,但其一般只在一些建筑室内才有信号覆盖,而且很多为内部使用网络,一般用户由于不知道网络密码因而无法访问。3G和GPRS则不同,随着各大电信运营商工作的不断推进,网络质量不断提升,在一些特殊的场所,如地铁内、地下停车场内、电梯内,甚至高山上,都实现了信号的覆盖,可以说几乎是无处不在。因此,这两种网络接入方式,尤其是3G网络,无疑是最理想的。然而,现阶段的3G和GPRS网络资费全部是按流量收取,如果不购买套餐,资费为0.01元/KB。以1MB/Min的数据估算,监控一段5分钟的视频数据的花费大约为5元。而如果一天之内需要经常监控,其流量和相应的资费将相当可观。因此,下一个有待改进的地方就是针对这类用户,定制一套特别的解决方案,允许其在监控的同时,最大限度地减少流量和资费,而最直观的方式就是降低帧频。目前,本方案选择的帧频为30Frames/s,等效于一秒钟要传输30幅同样尺寸的图片。如果把帧频降低,比如降低10倍,到达3Frames/S的话,则相应的资费也会降低为原来的1/10,这时,同样5min的数据大约只需花费0.5元。当然,这样做的后果是牺牲了动作的连贯性,可以明显看出图像是每0.33s刷新一次,因而会显得不连贯。但是对于一般视频监控用户来说,这已经是可以接受的。

6 小结

本文首先提炼出了手机远程监测系统的典型应用途径,给出了一种实用化系统的实现方案,剖析了工作原理并阐述了关键技术;基于所构建的原理性平台,证实其可用于医学监测的可行性;最后,指出了存在的问题和有待提高的部分。总体上,手机作为一个被大部分人随时携带于身边的电子设备,其重要性已日益显现。若能充分发掘手机的视频功能,将其应用于医疗卫生行业,将能满足更多的重要需求。

致谢:感谢清华-裕元医学科学研究基金及中国科学院低成本医疗技术研究项目的资助。

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[10] 李志敏.褥疮的预防与护理.中国水电医学 [J],2006年第1期:45~46.

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[12] http://www.rosoo.net/a/mobile_ppc/201002/8540.html[EB/OL] Retrieved 2010-7-22.

Study on Mobile Phone Based Remote Medical Visualization Technology

ZHANG Xiao-ding1LIU Jing1,2
1 Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Tsinghua University (Beijing 100084)
2 Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences (Beijing 100190)

1006-6586(2010)10-0028-07

R197.324

A

2010-07-27

刘静,博士,教授,通讯作者,E-mail: jliubme@tsinghua.edu.cn

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