基于物联网技术的远程裂隙灯诊断平台设计.pdf

文章编号：1671-7104(2024)02-0232-05基于物联网技术的远程裂隙灯诊断平台设计【作者】阙天行1，白思思1，李京儒1，蔡双双1,2，连霜1，叶志朋1，陈浩1,2，姜培培1,21温州医科大学眼视光学院（生物医学工程学院），温州市，3250352温州医科大学附属眼视光医院，温州市，325027【摘要】为实现跨区域患者的裂隙灯诊断，提高诊断的实时性和便利性，基于物联网技术设计了远程裂隙灯诊断平台。首先分析了远程裂隙灯的可行性，其次提出了医师/服务器/设备（doctor/server/facility,D/S/F）的物联网平台架构，设计了远程裂隙灯，最后测试了远程裂隙灯诊断平台的性能。该平台解决了分布式裂隙灯的通信问题，实现了多眼科专家对多区域裂隙灯的分别数控。测试结果表明，该平台远程控制延时低于20ms，支持多位专家分别诊断多位患者。【关键词】物联网；远程裂隙灯；诊断平台；D/S/F架构【中图分类号】TP393；R197.39；TH77【文献标志码】Adoi:10.12455/j.issn.1671-7104.230404Design of Remote Slit Lamp Diagnosis PlatformBased on IoT Technology【Authors 】QUETianxing1,BAISisi1,LIJingru1,CAIShuangshuang1,2,LIANShuang1,YEZhipeng1,CHENHao1,2,JIANGPeipei1,21SchoolofOphthalmology&Optometry,BiomedicalEngineering,WenzhouMedicalUniversity,Wenzhou,3250352EyeHospitalofWenzhouMedicalUniversity,Wenzhou,325027【Abstract 】Inordertorealizethediagnosisofslitlampincross-regionalpatientsandimprovethereal-timeandconvenience of diagnosis,a remote slit lamp diagnosis platform based on Internet of Things(IoT)technologyisdesigned.Firstly,thefeasibilityofremoteslitlampisanalyzed.Secondly,theIoTplatformarchitectureofdoctor/server/facility(D/S/F)isproposedandaremoteslitlampisdesigned.Finally,theperformanceoftheremoteslitlampdiagnosticplatformistested.Theplatformsolvesthecommunicationproblemofdistributedslitlampsandrealizesrespectivelynumericalcontrolofmulti-areaslitlampbymulti-eyeexperts.Thetestresultsshowthattheremotecontroldelayoftheplatformislessthan20ms,whichsupportsmultipleexpertstodiagnosemultiplepatientsseparately.【Key words】InternetofThings,remoteslitlamp,diagnosticplatform,D/S/Farchitecture0引言引言 “十四五”全国眼健康规划（20212025年）明确指出，推动眼科优质医疗资源扩容并下延，利用互联网诊疗、远程医疗等信息化技术，提升眼科医疗服务可及性。当前，我国是世界上盲和视觉损伤患者最多的国家之一，基层眼健康服务能力需加强。裂隙灯显微镜是眼科诊断中使用最频繁的一种医疗器械，需要眼科医生操作和阅片1-2。远程裂隙灯诊断可以解决偏远地区眼科医疗服务不足的问题，提高眼病诊断的覆盖率，降低诊断费用3-4。随着互联网、机器人技术的发展，裂隙灯显微镜的远程诊断开始探索新的方法。HU等5设计了一款基于智能手机摄像头的便携式手持裂隙灯显微镜用于白内障筛查。周卫斌等6设计了一款基于SIP的远程医疗会议系统，本质上是一种视频会议系统。陈俊发等7设计了一款基于Web的远程裂隙灯显微镜诊查系统。LAHAIELUNA等8设计了一款立体机器人遥控无人机裂隙灯。由于过去通信技术的限制，远程诊断存在传输的视频不清晰、远程控制存在延时等问题。上述研究也未实现对裂隙灯裂隙的远程控制。在实际应用中，医生需要实时切换裂隙灯裂隙的颜色、宽度、亮度，这只能依赖基层医护人员调整。许多患者需要远程诊断时，上述研究无法满足多组医生在一个平台下分别诊断多位患者。收稿日期：2023-07-14基金项目：浙江省科学技术厅重点研发项目（2020C03111）作者简介：阙天行，E-mail:通信作者：陈浩，E-mail:ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期临 床 医 学 工 程232笔者基于物联网技术设计了远程裂隙灯诊断平台，实现了对远程裂隙灯裂隙颜色、宽度、亮度的低延时数控，实现了远程控制XYZ三轴的运动和照明部分的绕轴旋转。平台支持多位眼科专家分别诊断多位患者，例如在永嘉苍南县等指定的县级医院部署远程裂隙灯，当有县级地区患者预约远程裂隙灯诊断时，温州市眼视光三甲医院的医生可以根据诊断地点切换远程裂隙灯，医院也可以同时安排多组医生在该平台下使用多个医师端软件对不同县级地区患者分别诊断。平台解决了医疗资源不平衡的问题，可进一步形成集预防治疗于一体的三甲医院-县级医院-社区门诊的远程诊断平台，为社区以及县级地区的患者提供高水平的诊断服务9。1远程裂隙灯可行性分析远程裂隙灯可行性分析裂隙灯显微镜主要包括数码摄像机、运动滑台、照明部分等。裂隙灯显微镜的运动主要是X轴、Y轴、Z轴和照明部分的绕轴转动。裂隙灯显微镜照明部分是不同颜色的灯光透过一个裂隙对眼睛进行照明形成一个光学切面，观察眼睛各部位的健康状况10。常规裂隙灯使用时主要功能是：机械调节裂隙形状、大小形成投影图像；机械调节滤光片形成不同颜色的光；机械调节光源入射角度；通过目镜或本地相机观察图像。远程裂隙灯诊断平台需要远程控制直接生成各种裂隙投影；远程控制三基色LED生成多种颜色；远程控制电机转动；远程采集图像传输。裂隙灯显微镜的远程控制需要将手动运动滑台改为电机驱动滑台，需要将照明部分改成可编程控制的光源。远程控制DLP光机模块，可以生成各种大小、形状的裂隙投影，降低传统调节维度和难度；控制调节三色LED电流，可产生任意颜色光源，实现传统裂隙灯滤色片调制功能；控制步进电机，可实现三维方向上的运动和改变光源的入射角度。2系统软件架构与具体实现系统软件架构与具体实现远程裂隙灯诊断平台架构是整个软件设计的基础。由于诊断平台需要满足多位眼科专家分别操作不同地区的裂隙灯显微镜，涉及多任务传输、多设备绑定等复杂问题，每个设备端软件和医师端软件都与诊断平台服务器存在多个基于TCP/IP协议的套接字连接。为了方便眼科专家分别操控不同区域的远程裂隙灯，同时提高系统通信效率，系统基于物联网技术，能够满足实际应用需求。系统整体功能包括D/S/F远程裂隙灯诊断平台的医师端软件、服务器软件、设备端软件11。2.1分布式的D/S/F物联网平台针对患者多区域分布的特点，为让远程裂隙灯诊断平台能够满足更多地区，提出了D/S/F分布式模型。模型由多个医师端、一个服务端、多个设备端组成。医师端通过诊断平台的服务端绑定设备端裂隙灯进行远程诊断。D/S/F是一种分布式系统结构，服务器只集中管理设备并中转数据，而实际任务分散在医师端和设备端上。基于物联网技术，平台终端交互性强，响应速度快，能够满足跨区域的远程诊断需求。由于传输数据的多样性，D/S/F结构自定义应用层通信协议，满足各种数据的传输需求12。2.2服务端软件多线程设计远程裂隙灯诊断平台的服务端软件，为实现不同区域的设备能够被医师端连接，从而进行实时数据传输，服务端软件采用了多线程技术。当服务器侦听到多个眼科专家或者多个设备请求后，服务器会创建不同的新线程，等待医师端主机上传用户名和密码或设备端主机上传编号和密码。然后服务器在数据库中校验上传的数据，如果校验失败，则登录失败，释放对应线程。当眼科专家或设备登录校验成功后，眼科专家根据设备编号，向服务器发起对指定设备的绑定命令，服务器将指定设备的套接字与医师端套接字绑定。服务器实现了多个医师端和多个设备端通信链路的绑定，实现了设备端和医师端数据的交互。断开连接的眼科专家或设备会在数据库中标记离线，并自动销毁对应线程，回收资源。诊断平台服务器处理流程如图1所示。开始监听医师A医师B医师C其他医师连接?是是是否设备C设备D设备E其他设备医师A线程医师B线程医师C线程设备D线程设备E线程设备F线程医师线程B设备线程D医师线程C设备线程E结束?是回收线程，等待其他用户连接绑定?绑定?失败登录?失败成功线程BA释放线程C线程D线程EF释放图1诊断平台服务器处理流程Fig.1DiagnosticplatformserverprocessingflowChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期临 床 医 学 工 程2332.3医师端软件设计医师端软件不仅需要实时采集手柄控制的信号，而且需要接收设备端的视频数据。手柄控制。设置采样周期，采样信号发出后，对应的函数采集手柄状态，如果手柄状态发生改变，状态字节转化为对远程裂隙灯显微镜的控制命令，控制命令被封装成标准的数据格式，然后通过网络发送给设备端。视频传输。当从网络中收到设备端视频数据时，判断是否收到一帧完整的视频数据，如果未收到完整的一帧视频则等待。当收到一帧完整的视频数据后，视频数据首先经过Base64解码成字节流，然后经过解压缩，最后经过图像处理模块转化成JPEG格式的图片在控制界面显示。2.4设备端软件设计设备端软件不仅需要采集相机拍摄的患者眼部图像，还需要接收来自医师端的控制命令。控制命令。从套接字中接收来自医师端的手柄控制命令，根据命令控制字节操控远程裂隙灯裂隙的颜色、宽度、亮度，以及操控步进电机在四维空间运动。视频传输。每隔50ms采集一帧相机拍摄到的患者眼部图像数据，图像数据首先经过图像处理模块转换成JPEG格式的图片数据，然后经过压缩，再经过Base64编码成字节流，在头部添加一帧图像大小信息，最后经过网络发送给医师端。3远程裂隙灯设计远程裂隙灯设计3.1远程裂隙灯的结构设计远程裂隙灯结构设计如图2所示。远程裂隙灯X轴和Y轴的步进电机装在裂隙灯显微镜底座上，Z轴步进电机装在底部，照明部分通过传动装置控制旋转轴旋转，从而实现对远程裂隙灯位置的电动控制。图2远程裂隙灯结构设计Fig.2RemoteslitlampstructuredesignDLP光机模块固定在裂隙灯顶部，自上而下投射到全反光镜上，最后反射到人眼13。DLP光机模块根据控制命令投影不同颜色、宽度、亮度的裂隙，实现对裂隙灯显微镜裂隙的数字控制。DLP光机模块通过USB接口与主机进行信息交互，PLC则通过上位机接口与主机进行信息交互。3.2DLP光机控制DLP光机模块使用USB1.1人机接口设备（humaninterfacedevice,HID）与设备端主机交换命令和数据。设备端主机解析从网络中获得的DLP光机模块的控制命令（见图3）。控制命令的Byte4和Byte5实现对光机模块颜色、宽度、亮度的控制，可变长度的Byte6更改具体参数值。改变对应字节切换裂隙颜色、宽度、亮度，DLP光机在模型上的测试效果如图4所示。FlagRetainLSBMSBCMD2 CMD3 DATA04000000000000000000000100000007800000007D00000000000703901a01a01b003003005003001097040040Byte0Byte1Byte2Byte3Byte4Byte5Byte63Byte6N颜色宽度亮度图3DLP光机模块的控制命令Fig.3ControlcommandsforDLPopticalmodules裂隙颜色测试裂隙宽度测试裂隙亮度测试图4DLP光机模块在模型上的测试效果Fig.4TesteffectofDLPopticalmoduleonthemodel3.3步进电机控制电机选择带编码器的步进电机，控制器选择型号为FP-XHE40T的PLC。PLC从串口中接收设备端主机发送的PLC控制命令（见图5）。PLC根据控制命令中的地址数据和命令数据产生脉冲信号控制步进电机，同时读取各方向光电传感器的距离信号，当到达限定量程时发出报警信号。每次重新上电时，PLCChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期临 床 医 学 工 程234发出复位信号，驱动步进电机回到初始设定位置。设备号功能码地址数据命令数据CRC校验001001001(读)005(写)009 0F100A 0310FF 000000 0010D1 05502E 055写线圈读状态图5PLC的控制命令Fig.5ControlcommandsofthePLC3.4手柄控制医师端主机外接手柄（见图6）远程控制设备端，实现医师对设备端裂隙灯控制的简单化。医师端手柄控制界面见图7，手柄连接医师端主机后，当手柄按键按下，手柄控制界面对应的功能模块就会变亮，按下的按钮值转化成PLC或光机模块的控制命令并发送给设备端主机，设备端主机再分别发送给PLC或DLP光机模块，从而实现对裂隙灯的远程操控。4远程裂隙灯诊断平台运行结果远程裂隙灯诊断平台运行结果为测试该研究提出的基于物联网技术的远程裂隙灯诊断平台的性能，远程裂隙灯被部署在不同地方，连接到远程裂隙灯诊断平台服务器，平台服务器软件安装在专门的服务器主机上，医师端软件安装在本地电脑上。4.1测试过程远程裂隙灯诊断平台部署见图8。首先运行诊断平台服务器，等待设备和专家登录。设备端的两台远程裂隙灯部署在2个不同的实验室，然后连接到设备端主机，登录远程裂隙灯诊断平台服务器。医师端软件分别部署在学生宿舍和学生自习室，将手柄连接到医师端主机，输入用户名和密码登录服务器，登录成功后跳转到控制界面。控制手柄即可控制远程裂隙灯，在医师端软件控制界面中可以看到远程裂隙灯拍摄到的患者眼部视频。医师端软件登录界面见图9。4.2结果在多台电脑上分别打开多个设备端软件和医师端软件，按照不同的用户名和密码分别登录，远程裂隙灯诊断平台分别显示多台设备和多个专家登录，医师端可以随机绑定空闲的设备端。远程裂隙灯诊断平台服务器运行结果见图10。结果显示，该平台可以为每一个设备和专家开辟单独的线程，在网络链路上进行数据交互，实现多专家在该平台下分别诊断多患者。设备端服务器医师端远程裂隙灯 设备端D网关网关防火墙防火墙数据库远程裂隙灯 设备端C网关防火墙医生端B手柄控制网关防火墙医生端A 手柄控制学生自习室实验室B基站2基站1基站3机房服务器实验室A学生宿舍图8远程裂隙灯诊断平台部署Fig.8Remoteslitlampdiagnosticplatformdeployment医师端软件运行结果见图11，设备端软件运行结果见图12。结果显示，多个专家可以通过手柄分别控制多个远程裂隙灯，医师端可以实时查看裂隙灯显微镜拍摄到的患者眼部视频，设备端可以接收医师端发送的控制命令。远程裂隙灯诊断平台软硬件设备见表1，远程裂隙灯诊断平台性能指标见表2。图6医师端手柄Fig.6Physicianendhandle图7医师端手柄控制界面Fig.7ControlUIofphysiciansendhandle图9医师端软件登录界面Fig.9Physiciansoftwarelogininterface图11医师端软件运行结果Fig.11Runningresultsof图12设备端软件运行结果Fig.12Softwarerunningresultsof图10诊断平台服务器运行结果Fig.10Runningresultsofdiagnosticplatformserver表1远程裂隙灯诊断平台软硬件设备Tab.1Softwareandhardwaredevicesofremoteslitlampdiagnosisplatform设备类别设备名称描述硬件SR658服务器10核20线程服务器i7-6700HQ笔记本部署医师和设备软件步进电机可编程四维控制DLP光机模块可编程光源控制数码相机拍摄患者眼部视频互联网专线提供公网IP软件服务器软件管理专家和设备医师端软件医院专家诊断软件设备端软件远端患者检查软件ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期临 床 医 学 工 程2354.3讨论目前研制的远程裂隙灯显微镜诊断系统未实现对裂隙的远程控制，且未实现在一个平台下多组医生分别诊断多位患者。实际应用中医院的眼科专家需要使用跨区域的裂隙灯对不同区县的患者进行分别诊断，以往的诊断系统很容易导致眼科专家资源的浪费、患者长时间等待、切换设备困难等问题。对此，笔者设计了分布式的远程裂隙灯诊断平台，实现了对裂隙灯裂隙的远程数控，并将各个区域的眼科专家，各个区域的裂隙灯集中于一个平台上，以实现多专家对多患者的分别诊断。在实际测试中，服务器连接的是中国电信上下行对称的互联网专线。远程裂隙灯诊断平台传输视频20fps，视频的清晰度为960640像素每帧，视频清晰度流畅度均能满足诊断要求；裂隙灯显微镜命令传输的延时低于20ms；裂隙灯显微镜采用电机控制，提高了控制的精度。针对远程裂隙灯诊断平台，可进一步优化，如：设备端更换更高清的相机就可以提高视频清晰度；申请1000Mbps的互联网专线可以实现更多专家对更多区县社区患者的分别诊断；远程裂隙灯诊断平台服务器只对登录的专家和设备进行统一管理，可以兼容其他眼科设备，只需要简单修改医师端和设备端软件。5结论结论笔者提出了基于物联网技术的远程裂隙灯诊断平台，解决了眼科专家和裂隙灯显微镜的通信问题，建立了眼科专家-服务器-裂隙灯显微镜的智能物联网体系，实现了多眼科专家对多区域裂隙灯显微镜的分别操控；解决了裂隙灯显微镜模块不能远程控制裂隙灯裂隙的问题，搭载了集成化的远程智能设备，实现了图像传输和远程数控裂隙灯。未来将在此平台基础上，继续实现眼底相机和眼超等诊断场景的实时操控，进一步实现手机端对远程眼科设备的操控和对患者的诊断。参考文献KAUR K,GURNANI B.Slit-lamp biomicroscopeM.TreasureIsland(FL):StatPearlsPublishing,2023.1梁轩伟,邹玉仙,刘澍,等.从医学生视角看眼科见习期间裂隙灯训练的必要性J.国际眼科杂志,2023,23(1):4-9.2王野,闫石,常易凡,等.远程手术创新的现状和进展J.海军军医大学学报,2023,44(5):627-630.3LIJOP,LIUHR,TINGDSJ,etal.Digitaltechnology,tele-medicineandartificialintelligenceinophthalmology:a global perspectiveJ.Prog Retin Eye Res,2021,82:100900.4HUSM,WUH,LUANXZ,etal.Portablehandheldslit-lamp based on a smartphone camera for cataractscreeningJ.JOphthalmol,2020:1037689.5周卫斌,何友鹏,申强.基于SIP的远程医疗会议系统研究J.医疗卫生装备,2016,37(10):37-39.6陈俊发,卓勇,刘祖国,等.基于Web的远程裂隙灯显微镜诊查系统J.中国医疗器械杂志,2015,39(6):403-406.7LAHAIELUNAG,PARELJM,GONZALEZA,etal.Validatingtheuseofastereoscopicrobotizedteleophthalmic drone slit lampJ.Can J Ophthalmol,2021,56(3):191-196.8任斌,蒋昆,娄苗苗,等.一体化医疗物联网的建设框架与关键内容探讨J.中国医疗器械杂志,2022,46(6):686-690,700.9隋成华,沃圣杰,高楠,等.数码裂隙灯显微镜光学系统的设计与实现J.光子学报,2017,46(7):179-187.10徐秀林,张娇娇,安美君,等.基于C/S模式的平衡功能远程康复系统的设计J.生物医学工程学杂志,2015,32(2):363-367,372.11朱新华,孙智文,陶善军,等.基于多线程通信的岛礁区海底工程环境安全监测系统研究J.地球物理学进展,2023,38(5):2360-2372.12COX M A,DROZDOV A V.Converting a Texasinstruments DLP4710 DLP evaluation module into aspatial light modulatorJ.Appl Opt,2021,60(2):465-469.13表2远程裂隙灯诊断平台性能指标Tab.2Performanceindexofremoteslitlampdiagnosisplatform性能指标现有设备本物联网平台视频清晰度/像素960640960640视频传输速度/fps2020分别诊断数/对15移动精度/mm10.5自动控制不支持支持诊疗方式本地诊疗异地诊疗ChineseJournalofMedicalInstrumentation2024年48卷第2期临 床 医 学 工 程236