基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧病房的建設(shè)與實現(xiàn)

關(guān)鍵詞：智慧病房；ThinkPHP5框架；MVC設(shè)計模式；圖像識別；灰度直方圖

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）36-0029-03"開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益完善以及全球范圍內(nèi)醫(yī)療需求的持續(xù)增長，智慧醫(yī)療應(yīng)運而生，成為醫(yī)療行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。而醫(yī)院作為醫(yī)療服務(wù)的核心場所，智慧病房的建設(shè)意義尤為重大。智慧病房旨在實現(xiàn)患者與醫(yī)護人員之間的高效溝通，能夠?qū)颊呱眢w指標(biāo)進行全天候監(jiān)測，并對潛在風(fēng)險進行預(yù)警與干預(yù)，從而提升住院服務(wù)的質(zhì)量水平，優(yōu)化醫(yī)患關(guān)系。本項目提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧病房構(gòu)建方案，旨在實現(xiàn)“床旁知天下”的愿景[1]。

傳統(tǒng)病房通常依賴于紙質(zhì)病歷和簡單設(shè)備，管理模式相對滯后，導(dǎo)致資源調(diào)配效率低下且信息交流不暢。智慧病房則通過引入智能設(shè)備和信息化管理系統(tǒng)，提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量、管理效率和患者體驗。智慧病房在管理模式上以患者為中心，整合信息流和工作流，為醫(yī)護人員提供實時數(shù)據(jù)支持，實現(xiàn)高效資源調(diào)配與優(yōu)化工作流程。通過利用皮膚紋理特征灰度直方圖監(jiān)測患者表情變化，醫(yī)生能夠?qū)崟r關(guān)注患者狀態(tài)，從而優(yōu)化醫(yī)院整體形象，并直觀呈現(xiàn)信息化建設(shè)成果。

1 開發(fā)技術(shù)

在項目的設(shè)計與實現(xiàn)中，本系統(tǒng)采用了在Web開發(fā)領(lǐng)域中較為流行的腳本語言PHP。同時，Think? PHP5框架作為PHP腳本語言的一個備受歡迎的框架，在智慧病房的構(gòu)建與實現(xiàn)過程中發(fā)揮了重要作用，并結(jié)合了多種前沿開發(fā)技術(shù)[2]。

1.1 PHP 與ThinkPHP5框架

本項目選用了PHP這一在Web開發(fā)中廣泛應(yīng)用的腳本語言，而ThinkPHP5框架在其中占據(jù)了關(guān)鍵地位。ThinkPHP5框架基于MVC架構(gòu)和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計理念構(gòu)建[3]。自2006年創(chuàng)立以來，ThinkPHP5框架始終秉持簡潔實用的原則，在確保性能的同時注重代碼的精煉性，并極為重視開發(fā)體驗和易用性。其獨特的功能特性為Web應(yīng)用和API開發(fā)提供了堅實的技術(shù)支持。

1.2 技術(shù)組合

1.2.1 MySQL概要

MySQL是一款安全性高、效率高且跨平臺的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，與PHP、Java等語言緊密結(jié)合。該數(shù)據(jù)庫因其小巧、快速、成本低等特點，在中小型網(wǎng)站中被廣泛應(yīng)用。其開源特性使許多公司能夠通過使用MySQL 來節(jié)省成本，用戶可以直接從網(wǎng)絡(luò)下載并使用。

1.2.2 Apache簡述

Apache是一款著名的Web服務(wù)器軟件，具有高性能和高可靠性，能夠處理大量請求。它具有良好的可擴展性和跨平臺特性，支持多種操作系統(tǒng)。同時，Apache提供了多種安全機制，能夠有效保障服務(wù)器與數(shù)據(jù)的安全[4]。在智慧病房系統(tǒng)中，Apache作為Web服務(wù)器，負責(zé)接收和處理請求并返回數(shù)據(jù)，為前端展示和交互提供重要支持。

1.2.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧病房建設(shè)中，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無疑占據(jù)著極其關(guān)鍵的地位。該架構(gòu)由眾多傳感器與智能終端設(shè)備組成，例如生命體征監(jiān)測儀等，用于采集病房內(nèi)的各類數(shù)據(jù)信息。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，借助高速且穩(wěn)定的通信技術(shù)，確保感知層數(shù)據(jù)能夠安全、及時地傳輸至數(shù)據(jù)處理中心。

數(shù)據(jù)處理中心通過服務(wù)器和相關(guān)軟件對感知數(shù)據(jù)進行存儲、分析和挖掘，并通過算法和模型提取有價值的信息，為醫(yī)療決策提供支持。在應(yīng)用過程中，系統(tǒng)涵蓋了面向醫(yī)護人員和病人的多種應(yīng)用系統(tǒng)，例如電子病歷系統(tǒng)等，為醫(yī)護人員提供高效的工作平臺，同時為病人提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)體驗。各層面之間相互協(xié)作，共同構(gòu)建起高效智能的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為提升醫(yī)療質(zhì)量和服務(wù)水平奠定了堅實基礎(chǔ)。

圖示呈現(xiàn)中，橫軸表示人臉的各個部位，如額頭、鼻子等，縱軸體現(xiàn)各部位的圖像特征值。從圖中可以看出，眼睛的特征值最為顯著，其次是額頭較為明顯，而鼻子、嘴唇和顴骨的圖像特征值差異相對較小。

對于圓形度變化的狀態(tài)說明：首先需要確定人臉區(qū)域，得到圓心坐標(biāo) R（x，y）以及圓上任意選取的三點坐標(biāo) A、B、C。隨后采集皮膚紋理特征的相關(guān)參數(shù)，主要是對所選區(qū)域的外接圓進行解釋，以說明病人的情況。通過計算的面積閾值和圓形度，并結(jié)合質(zhì)心的變動，可以實現(xiàn)對特定狀態(tài)的評定。例如，當(dāng)質(zhì)心產(chǎn)生較大偏離時，可能表明病人存在異常活動[10]。

圓形度作為一種形狀特征，通常通過輪廓的周長與面積的比值來表示。通過計算外接圓形框的像素點數(shù)量及其半徑和圓心坐標(biāo)，可以精確描述病人圖像的形狀特征。這對于輔助分析和識別病人表情變化具有重要意義，例如判斷病人是否處于疼痛狀態(tài)。當(dāng)病人處于病重狀態(tài)時，其臉部表情可能會發(fā)生明顯變化，從而導(dǎo)致皮膚紋理特征和圓形度發(fā)生相應(yīng)改變。通過對這些特征的分析，可以及時發(fā)現(xiàn)病人的異常狀態(tài)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 本系統(tǒng)架構(gòu)方案

本系統(tǒng)采用 ThinkPHP5 框架推進開發(fā)進程。該框架是一種高效、兼容性強且使用便捷的國產(chǎn) PHP 開發(fā)框架，基于 Apache2 開源協(xié)議發(fā)布[11]。它采用了 MVC（模型-視圖-控制器） 架構(gòu)模式，并融入了多種優(yōu)秀的設(shè)計理念。本系統(tǒng)的架構(gòu)體系如圖5所示。

M（Model） 模型：主要負責(zé)處理數(shù)據(jù)邏輯，包括數(shù)據(jù)的讀取、存儲以及驗證等相關(guān)任務(wù)。

V（View） 視圖：負責(zé)數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)，將模型中的數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)姆绞秸故窘o用戶。

C（Controller） 控制器：負責(zé)響應(yīng)用戶的輸入，管理用戶與視圖之間的交互，是連接模型與視圖的重要橋梁。

在該架構(gòu)中，各模塊之間的交互方式如下：用戶的請求首先由控制器接收，控制器根據(jù)請求的類型和內(nèi)容調(diào)用相應(yīng)的模型進行數(shù)據(jù)處理。模型完成數(shù)據(jù)處理后，將結(jié)果反饋給控制器，控制器再將數(shù)據(jù)傳遞至視圖進行展示。數(shù)據(jù)流的流動方向從用戶發(fā)起請求開始，經(jīng)過控制器和模型的處理流程，最終在視圖中呈現(xiàn)給用戶。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

本系統(tǒng)的圖像處理架構(gòu)旨在發(fā)現(xiàn)病人的不同特征，其流程為：數(shù)據(jù)采集通過病房攝像頭獲取面部圖像并收集相關(guān)人員信息；數(shù)據(jù)處理包括圖像預(yù)處理、平滑處理與噪聲過濾。預(yù)處理通過增強、歸一化等操作提升圖像質(zhì)量與可讀性；平滑處理利用算法去除噪聲；噪聲過濾則用于消除干擾信息，確保特征提取的準(zhǔn)確性。皮溝紋理特征檢測通過灰度直方圖特征提取和圓形度描述分析表情變化。前者依據(jù)皮膚紋理特征變化在直方圖中的體現(xiàn)，計算灰度級別像素數(shù)量變化程度以描述向量變化；后者根據(jù)臉部表情變化的圓形度變化，通過計算區(qū)域面積等參數(shù)判斷狀態(tài)。在表情識別模型中，直方圖變化狀態(tài)識別通過設(shè)定閾值分析當(dāng)前圖像與原始圖像特征，經(jīng)平滑處理后利用有效直方圖判斷表情狀態(tài)；圓形度變化狀態(tài)識別則先獲取人臉區(qū)域，描述連通區(qū)域的圓形度，確定坐標(biāo)等信息，采集皮膚紋理特征參數(shù)，分析外接圓面積，并依據(jù)閾值和圓形度變化，通過質(zhì)心變化評估病人的異?；顒?。通過上述方法，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)病人特征，及時監(jiān)測表情和身體狀態(tài)變化，為醫(yī)護人員提供預(yù)警與決策支持。

3 智慧病房發(fā)展趨勢

隨著物聯(lián)網(wǎng)信息互聯(lián)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的不斷深入應(yīng)用，智慧病房已成為未來醫(yī)院的重要發(fā)展方向。其具備遠程監(jiān)護、智能預(yù)警和數(shù)據(jù)分析等功能。遠程監(jiān)護能夠讓醫(yī)護人員實時監(jiān)測患者生命體征，及時發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，提升醫(yī)療服務(wù)的及時性與準(zhǔn)確性，從而提高服務(wù)質(zhì)量。智能預(yù)警可以提前察覺潛在風(fēng)險，降低醫(yī)療事故發(fā)生率及醫(yī)院損失，節(jié)省醫(yī)療成本。數(shù)據(jù)分析能夠?qū)颊邤?shù)據(jù)進行深度剖析，為醫(yī)院管理和決策提供科學(xué)依據(jù)，優(yōu)化資源配置，提高運營效率。

智慧病房具備多重效益。自動化與信息化管理能夠降低人工及物資的消耗，智能預(yù)警功能則可有效降低醫(yī)療事故及并發(fā)癥的發(fā)生率，從而減少治療和賠償方面的成本。在收益增長方面，優(yōu)質(zhì)的服務(wù)以及高效的管理能夠吸引更多患者，促使門診和住院量增加，提升醫(yī)療收入。同時，特色和增值服務(wù)還能拓展收入來源[12]。在運營效率提升方面，智慧病房表現(xiàn)為對醫(yī)療流程的優(yōu)化，可減少患者的等待時間，提高病床周轉(zhuǎn)率。

4 總結(jié)

在信息時代迅猛發(fā)展的背景下，智慧病房的建設(shè)具有極為重要的意義。鑒于病房健康管理系統(tǒng)的特殊性，其安全保障和穩(wěn)定性至關(guān)重要。通過采用加密技術(shù)、設(shè)置嚴(yán)格的權(quán)限管理、定期進行漏洞掃描和安全測試等措施，可確保系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，并在開發(fā)過程中進行充分的測試與驗證。從功能結(jié)構(gòu)來看，該項目的業(yè)務(wù)邏輯相對簡單，ThinkPHP5框架能夠滿足開發(fā)需求，但仍需根據(jù)實際情況進行評估與選擇。

系統(tǒng)通過灰度直方圖處理病人圖像，提取相關(guān)特征信息，并結(jié)合其他傳感器數(shù)據(jù)判斷病人狀態(tài)，及時將信息傳輸給醫(yī)生，實現(xiàn)遠程監(jiān)測與預(yù)警。

智慧病房具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益，能夠提升醫(yī)療資源利用效率，緩解資源緊張狀況，提高患者就醫(yī)體驗，降低醫(yī)院運營成本，提高醫(yī)護工作效率，同時還可帶來商業(yè)機會。然而，智慧病房的發(fā)展尚處于初期階段，仍需持續(xù)引入創(chuàng)新技術(shù)，健全建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和管理規(guī)范，以推動其實現(xiàn)更優(yōu)質(zhì)的發(fā)展。