基于大数据的青少年视力健康公共服务平台的设计与开发＊

张玉霞 孙婧

1.中山职业技术学院；2.河南中医药大学

世卫组织2020年公布的研究报告显示，中国青少年近视率居世界第1 位。我国青少年近视率多年来不断上涨且居高不下的原因，除了长时间看电视、玩手机、遗传因素等原因之外，青少年不良的学习习惯和不正确的坐姿习惯也占据很大一部分原因。在以预防为主的指导思想下，从家庭和青少年自身学习习惯的角度，设计和搭建了一个青少年视力健康公共服务平台，该平台包含能在家里电脑上或手持移动终端上进行视力测试、视力数据管理及分析的视力检测预警服务系统和对学习过程中的坐姿、视距、用眼时长及环境光进行监测和提醒的辅助青少年生活和学习的监护的视力监护系统。辅助青少年养成卫生用眼的好习惯，以期从家庭和个人层面为青少年视力防控提供借鉴。

据统计，我国青少年近视率已经高居世界第一，其中中国初高中生和大学生的近视率均已超过70%[1]，而美国青少年的近视率约为25%，澳大利亚仅为1.3%，德国的近视率也一直控制在15%以下。由近视所造成的视力下降不仅影响了青少年的日常生活和学习效率，更对其未来的升学和就业发展带来诸多限制，给个人带来很大健康危害[2]，也给社会带来很大的负担。因此，加强对近视的预防，是当前我国乃至国际社会面临的刻不容缓的任务。我国政府也高度重视这一问题，2018年8月30日，教育部等八部门联合印发《综合防控儿童青少年近视实施方案》，将中国儿童青少年近视防控上升为国家战略；2021年4月，教育部等十五部门联合印发《儿童青少年近视防控光明行动工作方案（2021—2025年）》，共同实施八个专项行动防控儿童青少年近视。

预防近视最好的方法就是全面设防、长期预防，措施就是尽可能频繁地进行视力检测。目前，在视力检测中，一般要去眼科服务机构或配镜中心，流程繁琐，即使买了家用的视力测试表，但容易测试数据分散，没有统一存储和管理。还有一种监视方式是在医院用大型验光设备如验光仪、检影镜进行专业的视力检测，这种检测结果比较准确，但使用门槛高、设备造价昂贵，这在一定程度上都造成了视力检测的不便。本研究针对上述问题，设计和搭建了一个能在家里电脑上或手持移动终端上测试视力的便捷服务系统，简化当前视力测试的流程和时间，能自助的随时随地检测自己的视力。并把每次的测试结果上传到服务平台后台数据库，可根据数据的统计分析随时掌握视力的变化情况。这样可改善视力检测不及时、数据分散存储难分析及无法实时预警提醒的问题。同时该服务平台还设计了一个辅助青少年生活和学习中对视力进行监护的系统，对学习过程中的坐姿、视距、用眼时长及环境光进行监测和提醒，辅助其养成良好的用眼习惯。

1 系统总体方案设计

通过物联网、大数据技术及互联网移动技术构建视力健康公共服务平台。通过电脑或移动终端实现视力在线检测，让视力检测普遍化、家庭化。通过大数据、人工智能等技术对数据进行智能分析，形成分析报告及视力健康画像，为青少年视力发展及异常提供预警分析服务，让用户能及时了解自己的视力健康状态，为个人视力发展状况及以后的视力诊疗提供参考。平台还设计有视力监护系统，主要功能是辅助青少年在平时的生活和学习中对视力进行监护和提醒，帮助其养成良好的用户习惯，把近视重点防控在预防阶段，减少近视的发生率或严重率。平台的总体方案框图如图1所示。

图1 平台总体方案框图Fig.1 Block diagram of the overall plan of the platform

2 系统总体设计

2.1 视力健康数据云平台设计

视力健康数据云平台主要为用户提供注册、视力数据检测和存储、数据管理、统计分析和智能推荐等服务的云平台。利用物联网平台上报环境光线强度、视距等传感器数据及摄像机视频数据，物联网平台将数据通过数据接入服务转发至视力健康服务平台，视力健康服务平台处理数据并写入统计文件，数据可视化服务从统计文件读取数据展现为报表。同时设计了MySQL 打通了更多外界的数据源，实现了数据的实时更新。平台的架构图如图2所示。

图2 平台架构图Fig.2 Platform architecture diagram

2.2 视力检测系统设计

视力检测系统主要包括视力检测、视力检测报告及个人视力健康画像[3]。针对上述功能，设计和开发了PC端和移动端实现上述功能。

2.2.1 视力测试

采用人机交互自助智能视力测试方法，用户输入自己的账号和密码。登录进入自助视力测试界面，界面呈现预设的测试说明，并配有语音讲解。登录系统后显示视标、上下左右朝向E、左眼测试、右眼测试、双眼测试、视力判断、视力晋级、语音提示、人机互动自助完成视力测试，视力测试的时间和测试结果实时上传到云服务器的后台管理系统。用户登进入测试页面后，屏幕会出现一个E 视标，对应最小的视力等级，通过控制器上的上下左右键来选择E 的方向，连续选择正确2 次，自动进入下一个等级的测试，连续选择错误2 次后则自动结束跳转到测试结果界面，在测试结果界面有按钮可返回测试界面进行另一只眼的测试或双眼测试。测试结束后，此次测试的时间和测试的结果自动上传到云服务器中。同时在视力报告模块显示本次视力测试的结果。

用户可以把在家用纸质视力表测视力的数据、学校每学期定期的视力检测结果、去眼科医疗机构的检测结构要及时上传到该服务平台，方便及时对数据进行管理和分析。

本模块也设置了一个色盲监测的菜单和简单的散光检测功能，可以初步筛查一下色觉和散光是否有异常的情况，如初步判断有异常建议用户到专业机构进一步检测获得更准确的建议。

2.2.2 视力检查报告

该模块根据每次的测试结果生成当次的视力检查报告外，也可根据身份信息访问视力监测档案库，下载该用户的历史视力测量数据，结合最近3 次的测量数据绘制曲线生成视力监测报告，让用户更直观的及时了解自己视力的变化，加强对自己视力健康的重视。

2.2.3 个人视力健康画像

利用人工智能机器学习及大数据技术，对用户的个人信息、历史视力监测自动上传的海量数据及从学校、验光中心、医院检查后录入的视力数据进行智能分析和整理，生成关键视力特征摘要，和用户的个人信息一起存储到数据库中，用户自己或授权的机构可通过视力特征摘要和个人标签生产的健康画像，了解用户的病史信息，提高医生的诊疗质量和效率。

在对视力历史数据进行智能分析时用到了朴素贝叶斯分类算法，通过朴素贝叶斯分类算法对视力历史数据分类结果进行训练，得出训练模型，对用户下一步的视力发展情况进行初步预测，让用户对自己的视力发展趋向有初步的了解，便于及时采取对应的措施，同时也可为医生诊断起辅助作用。

2.3 视力监护系统设计

视力监护系统设计目前主要包含坐姿监测、视距监测、环境光监测、用眼时间监测及护眼知识科普及护眼活动。

2.3.1 坐姿监测[4]

本模块主要是使用摄像仪头进行监测，识别与提取摄像设备获取的视频流中的用户特征来对不同坐姿进行判断，可以较为直观、准确地监测到使用者坐姿是否准确，同时对保持坐姿的时长进行实时检测，在需要的时候给予用户提示并显示当下状态，提醒用户更正不良坐姿，如果时长太久提醒用户离开座椅活动身体及关节、推送眼保健操或健身操等。

2.3.2 视距监测

据医学研究表明，青少年看书学习时眼睛与书的距离保持在33.3cm 左右是最合理的。视距的范围一般在60cm 内，利用超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，用公式s=vt/2 计算距离，其中s 为被测物体到测距仪之间的距离，测地的时间为t，超声波传播速度为v。在使用过程中，平台上实时显示测试的距离，超出设置的阈值发出提醒，帮助使用者形成良好的坐姿及用眼习惯。

2.3.3 环境光监测

本模块借助智能手机、平板电脑的环境光传感器监测周围光照强度，当判断当前环境光强度超出预设的安全值（300-500lx）[5]时，发出提醒信息（如太暗、偏暗、合适、偏亮、太亮等），让用户在学习、工作中及时地改善照明情况，从而保护视力。

2.3.4 用眼时长监测

本模块主要是使用摄像仪头进行监测，识别与提取摄像设备获取的视频流中的用户特征，根据判断用户特征能否继续提取成功进行累计计时，每分钟提取一次，如果提取成功则时间加1，因中小学读写连续用眼时间不宜超过20min，所以累计到20min 提醒一次，如果用户离开了座位，视频中提取不到用户的特征，则计时器一分钟减1，减到0 为停止。借此可以辅助用户管理持续用眼时长，提醒用户及时调节眼睛，放松眼部肌肉，多户外活动，眺望远处，缓解眼疲劳，预防近视。

2.3.5 视力健康教育

本模块就是一个视力健康教育的科普宣传的网页，包含综合防控政策宣传、防近视知识和案例、爱眼活动策划、营养健康、户外活动、眼保健操和健身操、诊疗常识、诊疗方案等科普宣传知识，帮助青少年了解用眼卫生及眼健康知识及近视防控知识，重视养成良好的用眼习惯，主动预防阶段下工夫，降低自己近视的概率。

3 讨论

防控儿童青少年近视，需要全社会群策群力，形成多方合力，其中家长应当尤其重视孩子早期视力保护与健康，做到早发现早干预，改变“重治轻防”观念，及时预防和控制近视的发生与发展。青少年视力健康服务平台的建立，可实现家庭及个人对青少年视力检测和视力健康数据管理的方便化、快捷化、家庭化。

该平台主要特点是视力数据测试、管理和辅助培养青少年健康用眼习惯，注重视力预防，符合当今国家对青少年的视力防控战略要求。国家大力支持青少年视力健康防控管理，鼓励学校、家庭结合眼科医疗中心，利用云计算、大数据等技术搭建具有长期跟踪、预测预警等个性化健康管理服务功能的公共信息平台，为预防近视、降低我国青少年的近视率提供实践参考。

4 结语

本研究针对青少年视力健康的现状，结合目前的技术和家庭情况及青少年的学习习惯，初步构建了青少年视力健康公共服务平台。硬件包括云服务器和传感器、摄像机等设备，其中云服务器选择阿里云服务器，数据库采用的MySQL，传感器有光传感觉、距离传感器等；软件PC 端和移动端，平台功能包含视力检测预警和视力监护两个系统模块，视力检测预警系统包括视力测试、视力检查报告、个人视力健康画像3 个模块，其中视力检查报告和个人视力健康画像模块具有预警提示的功能。视力监护系统具有坐姿监测、视距监测、环境光监测、用眼时长监测和视力健康科普宣传等功能，本研究设计并构建的青少年视力健康公共服务平台为青少年视力防护从医院到家庭和个人视力健康管理的延伸提供了可能，具有良好的推广价值及应用空间。