一种新型快速体检设备的研制

王 洵，朱 伟，时粉周，王庆敏，王 伟，姚永杰

（海军特色医学中心，上海 200433）

0 引言

在日常工作中，有一些职业对人员的身体条件要求较高，在每次工作前都需要对身体情况做一个快速的检查，以确认身体状况是否符合工作要求。例如，现在高性能战斗机对飞行人员身体情况提出了更高要求，飞行人员在飞行过程中必须保持最好的身体状态，这就要求航空军医要把好飞行放飞关[1]。对医生来说，面对短时集中的体检任务，如何提高检测效率以及方便管理大量的体检数据尤为重要。目前，较多的类似任务多由医生手工登记完成，没有专门的信息采集和管理系统。现在市售的监护仪等产品可以实现体温、脉搏和血压等指标的自动检测和记录，但是缺乏问询功能，而该功能是目前飞行人员飞行前体检的关键内容之一。为满足这一体检需求，本课题组研制了一种新型快速体检设备，可以快速检测基本生理信息（包括体温、脉搏和血压）、心理量表、心率变异性分析、闪光融合频率等指标[2-4]，并依据检测结果，结合被体检人员日常体检数据，对其身体状况是否符合工作要求作出综合评价。该设备的研制，集成实现了平时需监护仪或单独测量体温、脉搏和血压的仪器，以及心理量表、心率变异性分析、闪光融合频率等日常需要单独检测设备才能完成的功能，并实现了问询功能的电子化，为实现体检的综合评价提供了设备保障。

1 总体设计

1.1 设计原则

为提高体检的效率，设计上采用主机管理体检数据、多项生理指标通过体检终端机并行检测的手段。主机由体检医生操作，可进行数据的收集、整理和分析。终端机的设计考虑体检者经过简单学习能够自主操作进行体检。体检的各个项目可以分开执行。

1.2 结构

该新型快速体检设备的硬件部分由1台主机、10个体检终端、1个交换机等部分组成，软件部分由体检终端的交互式问询系统和主机上的飞行员生理心理数据管理与分析软件系统组成。体检终端及其传感器部分可单独使用，体检者采用交互式问答方式完成问卷调测，然后自行完成血压、脉搏和体温等指标检查。

体检仪整机基本结构如图1所示。

图1 整机基本结构示意图

1.3 使用流程

从快速体检设备的应用来分析，在有条件整体展开设备的环境，如会议室等，整套设备可以联网操作使用。体检医生操作主机，体检者操作终端机进行自主检测，体检数据通过网络自动上传至主机。在无条件整体展开设备的环境，如舰、船、舱室等分散小空间，设备可以不联网分开操作使用，体检数据暂存在终端机，体检医生到各个舱室通过U盘将终端机的体检数据传递至主机。每次体检，体检医生可以根据任务的不同指定体检者完成不同的体检项目。最后体检医生通过对主机中体检数据进行对比分析，得出体检结果。

2 主机软件设计

2.1 软件总体设计

主机系统软件基于Windows操作系统，采用客户机/服务器（Client/Server，C/S）架构，使用 SQL Server数据库开发底层，使用VS.net开发应用层，主要实现信息管理、硬件管理、生理心理数据分析和智能评价等功能。

2.2 信息管理设计

对新型快速体检设备的功能需求进行分析后，得到了数据流图，如图2所示。各输入数据通过输入通道进入系统，整个数据具有变换流的特征。

图2 数据流图

软件系统由用户信息维护模块、体检信息管理模块、实时查看管理模块组成，每个模块又有各自的数据流。分别对各个模块进行分解：（1）体检信息管理模块。首先收集体检者数据，然后录入到系统中，保存生成记录。体检者信息保存到数据库中以后，可根据这些信息进行相应的操作，例如查询、统计、打印等。该模块是系统的主要模块。（2）实时查看模块是通信协议中的一种数据类型，实时地检测终端的工作状态。实时数据属于临时数据，接收后如果有要求则显示，否则丢弃。（3）用户信息管理模块实现了系统的登录管理。用户分为2种：管理员与普通用户，他们的区别是普通用户只能维护个人的基本信息，而管理员可以维护所有用户的信息。通过分析数据流图，可以看出模块调用关系较为明确，在接收体检终端传来的体检数据模块里会调用通信协议，生成保存后的体检数据[5]。

2.3 硬件管理设计

作为主机软件，它可以对该设备的多个体检终端进行集成化管理。在设备联网使用状态下，可以实时监控终端的使用状态，对终端体检数据进行收集整理，并存入数据库[5]。

2.4 生理心理数据的分析和智能评价

测完体温、脉搏、血压等指标后，需要及时对测试结果进行评价，辅助医生决策。对体检指标的综合评价遵循以下原则：单指标参考被体检人员历史测试数据进行评价；综合评价根据被体检人员群体的整体测试指标数据，运用模糊判断和定量分类相结合的方法进行分析，实现被体检人员生理心理状态的综合评价。

基于反馈机制的动态评价是指对于被体检人员群体，一般都经过了筛选和针对性的训练，其测试成绩都比较接近，分布上满足一定规律，即大部分的被体检人员在各项指标的测试成绩都集中在一个指标区间Ω内。Ω是基于整个被体检人员群体体检测试数据的统计值。对于被体检人员的某个单项生理心理指标，在相对长的一个时间段内测试的所有数据总体上看应当趋于一个较为稳定的状态，即正常情况下的测试数据应当在某一个常值C附近波动。C的取值是基于相对长的一个时间段内测试的所有数据的一个统计值。可见，指标区间Ω和常值C都是基于已有测试数据的数理统计值，由于体检仪测试数据是不断增加更新的，因而这2项指标也需要自动修正。

综合评价体系的建立是一个动态的、不断修正的过程。通过多人次的测试，建立测试成绩库D，按照统计原则建立初步的评价指标S。对新进行的测试结果T，按照S进行评价，得到评价结果R，同时将测试结果T存入D，并更新D和对评价指标S进行微调修正，该过程是一个不断更新的进程。

3 终端机设计

3.1 终端机检测指标确定

根据电子血压计和电子体温计等相关计量标准，确定了终端机的基本生理参数检测范围：（1）血压0～260 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa），误差±4 mmHg。（2）脉搏 30～250 次/min，误差±1%。（3）体温 30～43℃，低于35.3℃或高于41.0℃时误差为±0.3℃，37.0～39.0℃时误差为±0.1℃，其余为±0.2℃；重复性误差≤0.2℃。

针对不同的特殊职业人群特点，需要相应身体状况评价指标体系，本设备对特殊生理心理环境下从事高危作业的人群选择了心理量表、心率变异性和闪光融合频率等测试项目。上述3个测试项目的选择是基于目前对疲劳检测比较成熟的手段，每项检测都有相应的检测标准，在实际使用中还可以结合具体情况根据检测群体的特点，针对具体的标准做出修正。体检医生可以通过主机综合分析3个项目的测试数据，对疲劳情况做出判断。

3.2 终端机外观

终端机的外观如图3所示。体检仪终端机的屏幕为触摸式液晶显示屏，屏幕上方设有4个闪光融合频率测试灯，相对应在显示屏下方设有4个功能按钮，是闪光融合频率测试按键，显示屏下方左侧设有开关和状态指示灯；机器的左侧端面设计有网络接口、数据接口和电源接口；右侧端面设计有血压接口、体温接口和心电接口。

图3 终端机示意图

3.3 终端机硬件设计

3.3.1 硬件总体设计

本研究采用以三星S3C2440为核心的嵌入式系统。外部模块有体温测量模块、心电测量模块、血压测量模块、单片机模块。心电测量模块和体温测量模块通过串口2与S3C2440相连，血压测量模块连接到串口3上。体检终端机由核心板加扩展底板构成。

液晶屏选用 7 in（1 in=25.4 mm）TFT（thin film transistor）显示屏，配套触摸屏为右侧出线4线电阻式触摸屏。子模块芯片可完成按键扫描检测、LED灯的闪烁控制以及串口0到S3C2440的通信。电源管理模块电路设计能够实现开关机、电池电压检测以及充电的开启与关断等功能。

3.3.2 各测量模块设计

血压测量模块与IC卡识别模块共用串口3，用模拟开关进行切换，系统默认模拟开关切换到IC卡侧，当登录以后切换到血压模块。该模块采用示波法进行血压测量。示波法又称为压力振荡法，其工作过程是先将袖带充气以阻断动脉血流，然后在放气过程中检测袖带内的气体压力并提取微弱的脉搏波。

心电测量模块主要负责心电信号的采集以及对心率变异性的分析，心电采集采用多参数模块中心电采集技术。采集模块通过串口2与核心板相连。串口采用光电进行隔离，电源部分采用耐压6 000 V的电源隔离模块进行隔离。

体温测量模块与串口1进行连接，通过接收核心板的控制命令进行体温测试，测量完毕后，将测得的体温数据传递给核心板进行处理。串口采用光电隔离，电源采用6 000 V的电源隔离模块进行隔离。不同于传统的热敏电阻加数据线直接连接的方式，该设备的体温探头采取电子体温计加数据连接线的形式，可靠性高，操作方便。

闪光融合频率的测量包括闪光融合临界频率和反应时。闪光融合临界频率测量时，开始4个灯以60 Hz的频率闪烁，然后其中1个灯以每秒1 Hz递减的速率进行闪烁，当测试者发现哪个灯闪烁时，按其相对应的按键，记录此时的频率。反应时测量时，开始4个灯同时以60 Hz闪烁，一段时间后，随机一个灯以20 Hz的频率闪烁，此时需要测试者按下相对应的按键，计算并记录两者间的时间差。

3.4 终端机软件设计

3.4.1 终端软件系统界面设计

登录界面设有0~9数字键用于输入证件号。登录后进入主界面，显示“一问三查”“拓展功能”“系统设置”以及“退出登录”4个按钮，最上方工具栏显示证件号、时间、日期、电池电量以及网络连接状态。

进入“一问三查”界面，可以进行问询，血压及脉搏、体温测量；进入“拓展功能”界面，可以进行心理、心率变异性、闪光融合频率测试；进入“系统设置”界面，可以进行时间设置、数据传输等系统功能设定。

3.4.2 终端机拓展检测功能

心理测评内容包括疲劳主观感觉自评量表和认知能力评定两大部分。其中疲劳主观感觉自评量表由美国国家宇航局任务负荷指数（National Aeronautics and Space Administration-Task load Index，NASATLX）评价量表和日本工业卫生学会疲劳感觉调查表的测试内容组成。NASA-TLX量表中多维脑力负荷评价包括心理需求、体力需求、时间需求、作业绩效、努力程度、挫折水平等。黄杨森等[6]提到，采用NASATLX量表作为主观脑力负荷水平的评价指标，能够较为真实地反映女飞行学员在不同飞行条件下的脑力负荷状态。疲劳感觉调查表由日本工业卫生学会工业疲劳研究委员会编制，该表共30项，分成3类，每类10个项目。其中认知能力评定的内容共分5个部分，包括计算能力、追踪试验、仪表判读、兰多尔特环测验和特殊图形辨认。

心率变异性是指逐次心跳间RR间期的微小涨落，是一种研究人体心脏自主神经系统功能调节能力的无创可靠方法[7]。心率变异性是测量应激水平的可靠指标，也可间接反映疲劳情况[8]。测试中采用时域分析法，选取5 min作为心电波形的记录时长，计算选用相邻窦性RR间期长度差异均方根（r-MSSD）、相邻窦性RR间期的标准差（SDNN）和相邻窦性RR间期大于50 ms的百分比（PNN50）等时域指标。

闪光融合频率是指刚刚能够引起闪光融合感觉刺激的最小频率，也称作闪光融合临界频率或闪烁临界频率，它表现了视觉系统分辨时间能力的极限，体现了人们辨别闪光能力的水平。检测闪光融合频率值的变化是判断疲劳产生的方法之一[9]。疲劳前、后测量的闪光融合频率差异显著，且与疲劳呈高度显著相关[10]。闪光融合频率越高，表示大脑意识水准也越高。人体疲劳时，闪光融合频率降低。目前，用视觉闪光融合临界频率检测疲劳的应用较为广泛，如对艇员长航耐力的评价、飞行人员的飞行疲劳检测和击剑运动员机能评定等研究。

4 试验

针对该快速体检设备，对血压、脉搏和体温等性能检测精度在部队认可的第三方实验室进行了检测，检测结果符合指标要求。同时，还进行了环境适应性试验，如作业环境温度、储存极限温度、相对湿度耐受能力、抗盐雾腐蚀能力、抗冲击振动能力和电磁兼容性等。试验中，组织10人同时操作体检终端机，1名体检医生操作主机，在联网和非联网状态下进行检测。该设备可满足10人同时独立检测，单人完成问询及血压、脉搏和体温检测可以控制在8 min内，体检医生可以使用该设备有效组织和进行体检任务。试验结果证明了整体设计合理，符合研究的各项性能指标要求。

5 结语

本文研制的新型快速体验设备的创新点主要体现在3个方面：一是通过对问询情况，以及血压、脉搏和体温等指标测量功能的集成设计，实现了快速体检设备的小型化；二是采用基于反馈机制的动态评价手段，方便体检医生对大量体检数据进行分析；三是提出综合对比分析心理量表、心率变异性和闪光融合频率等测试数据，能更科学地确定体检者的身体疲劳状况。

通过对该新型快速体检设备的试验，证明采用文中所叙述的总体设计方案以及主机软件和终端机设计方案，能够实现一台主机同时管理多台终端机及多人同时采用体检终端机自行操作，能有效辅助医生快速了解体检者的身体状况，显著提高了体检效率。