医疗巡诊机器人的交互系统设计与研究

2017年第9期 信息通信2017

(总第 177 期）INFORMATION&COMMUNICATIONS(S um.N o 177)医疗巡诊机器人的交互系统设计与研究

肖兵S王晶S张朗2

(1.同济大学中德学院，上海201804;2.上海大学机自学院，上海200072)

摘要：“医疗巡诊机器人”的核心就在于“远程”，给机器人装上眼睛和耳朵，让医生和护士可以在终端操控机器人进行巡房、送药或问诊等工作。为此，开发一种在功能和性能上满足需求的音视频交互系统是非常重要的。针对这一需求，提出了一种基于p2p音视频交互系统，通过自定义的传输信令和SOCKET底层协议进行设计，增强通信连接的稳定性和可靠性。采用JPEG图像无损编码和Speex音频算法，提高传输的效率和质量。W PF的界面U I的设计，改善人机交互的体验性。实践表明，该系统具有操作简单，运行稳定、抗干扰能力强及扩展性好等优点，具有良好的应用前景。

关键词：医疗巡诊;p2p技术;WPF;音频交互系统

中图分类号:TP242 文献标识码:A文章编号:1673-1131(2017)09-0069-03

〇引言

“云医疗”、“远程医疗”、“分级诊疗”概念的先后提出，给

传统的医疗方式带来了巨大的冲击，如今不管是电脑，或者手

机上都有许多层出不穷的医疗应用，用户可以通过网络进行

门诊挂号、病房预约、疾病问诊等服务，但大多也仅限于此了，

如何让患者和医护人员都能更加便利成了一个热门的话题[1_a。

正是在这样的背景下，我们才提出了远程医疗巡诊机器人的

开发，目的就是推动云医疗方式的前进和发展，让机器人能够

真正为医生事，为病人服务。

国内机器人领域的发展长期以来一直和发达国家之间有 很大的差距，少数医院也有直接引进了一些国外先进医疗机 器人用于手术、康复、陪护、导医等。在巡诊机器人方面，2015 年2月9日，上海市浦东医院落地了中国第一个“卫护”远程 医疗机器人,而实质上就是引进的V G o机器人(VG o远程机 器人是由Cambridge公司研发，内置摄像头、屏幕及轮子，通过 w m网络可以远程控制其移动，并且实现清晰的视频通话体 验)W1。为了填补国产巡诊机器人的空白，打破发达国家的垄 断，占领行业的先机，于是本文提出的远程巡诊机器人的研究 就随之产生了。

远程医疗机器人的核心是“远程”，因此本文提出了一 种基于p2p网络结构的远程音视频交互系统的设计和研 究，p2p网络结构最大的优势在于没有一个绝对的服务器 进行数据的存储和转发，客户端之间通过结点信息进行直 连，通讯的时候彼此既是服务端又是客户端，并且采用WPF 设计的U I界面使系统在外观和操作上更加简单，让用户容 易接受M。

1系统总体设计

系统按层次分为三层:p2p网络层、系统功能层和界面显 示层。利用p2p网络层，实现闽络拓扑结构，并对局域网内的 用户进行连接，实现用户之间的点对点通信。

在系统功能层，按照设计需求，实现交互系统内用户信息 的注册与登录，用户之间即时消息的发送和文件的共享。实 现远程音视频通话并对远程对象进行人脸识别。实现医生端 电子处方的开具，实现历史病例的査看。在界面显示层，采用 w pf框架对软件U I进行设计并实现后台的逻辑交互,让系统 需求的功能在可视化界面下进行一系列有效地人性化操作。界面包括系统登录界面、注册界面、功能模块主界面、音视频 交互界面、系统管理界面等。界面显示层是需求功能的直接 体现，也是人机交互最直接的方式。

图1软件功能层次围

2音视频系统设计

2.1 p2p网络结构的实现

p2p(peertopeer)是一种对等阈络，经常称之为“点对点网 络”，其网络结构如图1所示。p2p网络的基本工作原理是把 每一个设备或主机互联，它们都是平等的个体，彼此都可以共 享和提供资源[6!。传统的c/s模型(如图2-1)是以服务器为中 心构建网络，与之相比,f)2P网络削弱甚至去除了服务器的作 用，采用分布式网络结构，实现了节点和节点网络之间的直连，而并非从和服务器的连接中受益。

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Clients client4 Clients Clieni4图2 p2p网络结构图2-1 c/s网络结构

2.2基于JPEG图像无损编码的图像压缩

JPEG无损编码过程如图所示,解码过程其实就是编码过程 的逆图像数据的处理过程只有预测和编码，然后就没有了 其他环节，并没有信息丢失的地方，所以能够实现无损压缩

如图所示3。

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图3无失真编码器简化框图

2.3基于Speex的音频压缩算法

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信息通信肖兵等:医疗巡诊机器人的交互系统设计与研究Speex是一种音频数据处理的开源算法，基于CELP编码

技术，主要是为了改善网络语音通话质量而提出的。其算法

的优点是多采样率和多码率，且具有较髙的压缩比1«。压缩程

序的主程序编写在speexenc文件中，程序设计的思路为，首先

编写speexenc(编码)的用法;然后编写如何实现对输入文件的

压缩:先用fopen函数打开输入的文件，并判断参数，再进行初

始化配置参数，预处理，然后给待生成的spX文件写头，调用

libspeex库中的函数对语音数据进行压缩处理并写入spx文件

中，即可输出压缩后的spx文件

2.4音视频初始化设置

要实现音视频通话，就是要实现音频数据和视频数据的 实时同步传输，音频和视频采集设备分别是计算机的声卡和 摄像头。因此在音视频数据流传输之前，必须要对音频和视 频视频设备进行初始化，同时还要准备好数据传输所需要的 socket套接字丨丨a。流程图如图4所示。

图4初始化设置

3基于W P F的系统U I界面设计

采用w p f框架对软件U I进行设计并实现后台的逻辑交 互，让系统需求的功能在可视化界面下进行一系列有效的人 性化的操作。界面包括系统登录界面、注册界面、功能模块主 界面、音视频交互界面、系统管理界面等。界面显示层是需求 功能的直接体现，也是人机交互的最直接的方式。

(1)注册模块。

在注册U1界面信息框里面输入个人信息(包括用户名、实 名、密码、个人身份证账号、医疗保险贱号、电子邮箱、手机号码、联系地址等)，信息输入完毕之后，系统开始检测输入信息的合 法性。效果图如5所示，具体检测步骤按照顺序进行依次为：第一步:检测密码的合法性(包括密码格式的合法性以及 两次密码的一致性)、身份信息的合法性(包括身份证号码、医 保账号的实名匹配)。

第二步:第一步检测合法性没有问题的情况下，开始检测 联系方式的合法性(包括邮箱格式、手机号码格式、地址格式 等),以上检测中任何一个环节出现错误，会有系统提示。

第二步:第一第二步检测的信息合法性没有问题，就开始检 查麵中用户名，看是否已经注册过该用户，如果没有找到相关 记录，就可以往数据库中写入输入的用户信息，并提示注册成功。

图5注册界面效果图

图6登录界面图

⑵登录模块。

登录模块的工作流程分为三个步骤，效果图如6所示：

第一步：从配置文件中加载登录信息。配置信息是上一 次登录的信息，如果选择了记住账户密码，上一次登录的用户 名和密码会自动填充到信息输入框。

第二步:如果用户信息是上一次登录时记住的信息，跳过 这一步。否则检査输入用户名和密码的合法性。

第三步:开始登录，从用户信息数据库中搜索已注册的用 户名和密码，是否和输入的信息匹配，若匹配则登录成功，否 则提示输入信息有误。

3功能模块主模块

功能模块界面上面一栏会显示登录用户的一些基本信息，右上角会显示机器人当前电量。下面一栏显示的是各个功能 模块，点击远程交互之后则会跳出音视频交互界面。图7是 功能模块界面运行时的显示效果图。

图7功能模块界面图

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图8系统管理运行时显示的界面

4系统管理界面

系统管理界面(如图8)有几个按键,点击返回键则当前界 面会被隐藏，主界面回到功能模块界面。点击注册账户按钮，当前界面会被隐藏，主界面跳转到账户注册界面。点击电源 管理界面，则当前界面会被隐藏，主界面跳转到电源管理界面。点击关机按钮，系统会提示是否要关机，如果确定关机，则医 疗交互系统的运行环境windows系统会被关机。点击重启按 钮，系统会提示是否要重启系统，如果确定重启系统，系统会 重启。

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