基于视觉密码学的新型药物管理二维码系统

抽象的

在医疗保健中，药物错误可能导致患者的严重健康风险，医院需要安全的药物管理系统来防止此类错误。因此，本文提出了一种基于阈值共享技术的安全药物管理方法。当患者访问医生和医生规定时N药物、照片和病人的个人信息都被编码进去NQR码透明胶片可以通过智能手机可用的常用QR码扫描仪解码。处方和N然后将QR码透明胶片存储在医院的药物管理系统中。当患者收到他们的药物时，他们可以扫描这些N使用智能手机进行二维码透明，以确保他们拥有医生开的所有药物;即使患者的手机无法上网，也可以使用该功能。该制度的主要目的是防止医院给错病人或给病人的药少于规定的剂量。重点不在于医院内部药品的包装过程，而在于减少柜台工作人员给错病人药的可能性。这一功能对于那些不习惯阅读英文药品名称的非英语国家的人来说是相当重要的。

1.介绍

国家药物治疗委员会的协调委员会报告和预防将药物误差定义为任何可预防的事件，可能导致药物治疗在医疗保健专业，患者或消费者控制时可能导致不适当的药物使用或患者伤害[1］．自1999年出版医学研究所报告，患者倡导者侧重于改善医院医疗保健的安全[2］．药物错误每年至少为至少150万人造成健康损害，以及治疗医院药物伤害的额外费用是每年35亿美元[3.］．给药技术的目的是通过简化护理和识别、预防和减轻给药事件和药物不良事件来改善患者安全[4.］．最近提高住院医疗管理局的准确性的建议是在电子药物管理系统内使用条形码验证技术。大规模的研究结果表明，增加医院药物管理系统中的条形码的使用可以大大减少药物错误的可能性[5.］．特别地，在澳大利亚的医院应用了通过条形码或其他识别装置在递送药物的过程中的第二个检查，并且前一项研究的结果证实确实可以最大限度地减少医疗错误的数量[6.］．在学术界和工业中，安装在智能手机上以检查药品并确保安全使用药物的系统[7.-9.］．许多医院愿意安装条形码系统，让不同的工作人员反复检查药房给药的正确性[10那11］．患者还希望使用他们的智能手机来帮助他们正确使用药物[12那13］．大型医院的住院病人普遍采用综合自动化系统进行处方审核。因此，许多医院已采用带有射频识别技术的自动化住院病人用药系统，以协助专业人员反复核对住院病人的用药情况[14］．但是，安装RFID系统需要大量资金，并且RFID系统不容易应用于非生长患者。对于非生长患者，大多数医院依赖于反击药物分配器手动证实药物，这是药物误差的主要原因。本文提出了比RFID系统更便宜的解决方案，以避免药物误差。今天，许多国家的几乎每个人都至少有一个或多个智能手机。该方法使用智能手机来防止患者进行药物错误。更多的over, when a patient uses their smartphone to confirm whether the medicine received is correct and complete, since the proposed method only needs to stack received images, Internet access is not required, reducing patient’s mobile Internet access fees and ensuring that patients are able to check their prescriptions at all times.

近年来，图像处理技术在信息系统应用中变得流行。许多研究专注于图像表示和渲染技术[15-21］．使用新开发的技术，患者的照片可用于增强其药物安全性，而无需任何额外的硬件。在拟议的方法中，当患者访问医生并被处方N药物，阈值共享技术用于将患者的照片编码为NQR码透明胶片。处方和N然后将QR码透明胶片发送到医院的药物管理系统。这些NQR码透明胶片分别在患者身上打印N药包。QR码透明度提供了揭示原始照片最小部分所需的最小信息。随着QR透明胶片的数量增加，患者照片的更多部分被揭示。什么时候N接收QR码透明胶片，揭示了足以识别患者的图像。照片的每个QR码透明度只与一个规定的药物相关联。当患者扫描药物包的QR码透明度时，智能手机获得与药物相关的QR码透明度。当这些QR码透明胶片堆叠时，可以在智能手机屏幕上查看足以识别患者的图像，并且图像上的QR码可用于确认患者的个人信息。患者只需要下载QR扫描仪的智能手机，使用这些QR码透明胶片来确认他们所接收的药物是正确的。即使患者没有互联网接入，智能手机仍然能够通过扫描QR码来显示图像和个人信息。因此，患者可以用智能手机扫描QR码，以确保他们拥有医生规定的所有药物。因此，医院将为错误患者提供错误的药物的可能性降低，患者可以确保他们接受所有规定的药物。这种功能对于非英语口语人来说尤为重要，他们不习惯用英语阅读药物名称。因此，虽然处方给医生用英语规定的药物，但它们通常不情愿或无法仔细检查药物。

虽然药物安全引起了广泛的关注，但与过去的大多数相关的研究结果集中在避免药房工作人员在包装医学时犯错误。关于预防措施，以防止医务人员给错误患者的药物，因为医院使用RFID或QR码[22]只有在给予错误的药物中才能保护住院患者。关于不住院的门诊病人，几乎没有办法防止药房对错误患者的药物。在导致医疗错误的许多因素中，不能忽视的因素之一是给予错误患者药物的药房人员。有时候，虽然他们没有弄错病人[6.那23那24，药房工作人员可能会遗漏病人的一些药。医务人员误认病人的情况并不少见。2006年至2007年间，英国国家患者安全署(NPSA)收到了24382份错误患者的报告。虽然医院有很多措施防止药品包装错误，但医院预防错误患者的机制却很少[25］．此外，2013年至2014年由两家芬兰医院收集的数据显示，10％的与医学局有关的事件与给予错误患者的药物有关。在给错误患者发给药物的这些事件中，77％是由于药房工作人员没有确认患者的身份[26］．药物给错病人的原因是，药房或医院的医务人员可能熟悉药物，但他们可能不认识病人。虽然从药房取药并将药送到柜台的过程会反复检查是否有错误，甚至可以由机器自动完成，但仍有可能将药交给错误的病人[27］．事实上，根据一项调查，发现在芬兰大学医院的药房工作人员的66.8％的药房占药物，而不确认患者的身份[28］．最近的研究还证实了需要增加机制，以帮助识别当前将药物移交给患者的过程中的患者，以确保药物未给出错误的患者[26］．此外，根据国家卫生服务（NHS）数据，在2005年至2010年期间发生的5,437,999次医疗事件，15.6％与错过药物或延迟药物有关[24］．因此，对患者或患者的家庭非常重要，以确认他们已经接受了自己的药物，并且没有缺少药物[25］．

本研究为患者确认分配的药物是否是自身的，以及是否已收到医药，这项研究提出了一种经济且有效的方法。该系统允许医院减少药房柜台人员的可能性，使药物给出错误的患者而不被患者注意到。总之，与今天的医院中使用的方法相比，所提出的方法可以大大提高使用规定药物的患者的安全性，预防他们尚未规定的药物患者，并且不需要医院在新的硬件设备上度过预算。

本文的其余部分如下所述。部分2讨论相关工作。部分3.描述基本的QR码概念。部分4.描述了所提出的方法。实验结果是在部分提供的5.．最后，结论在一节中给出6.．

2.相关工作

确保患者安全一直是医学管理系统的重要问题。许多大型医院使用射频识别（RFID）技术来管理药物的分布。金等人。二手椭圆曲线加密（ECC）开发一个可以满足安全要求的RFID认证方案[29］．Yen等人。提出了两个RFID技术，以防止人类误差在内部和离线环境中可用于在线和离线环境，并可以防止证据攻击。这些技术可以提供药物记录的可审计证据，可用于药物纠纷或常规药物安全审计[14］．这些研究成果主要依靠RFID来维护用药安全。然而，RFID不仅价格昂贵，而且还需要医院额外的硬件设备[22]，不适合未住院的门诊病人。该方法适用于门诊病人，不需要医院增加额外的硬件设备。这种方法在使用时只需要在药袋上打印一个透明的图案，不会增加医院的运营成本。

本研究提出的方法基于图像共享技术，并使用视觉密码学，以确保患者无法查看所用的图像，直到扫描所有正确的药物。Visual Curiptography是1994年Naor和Shamir首次引入的图像共享技术[30.］．可以编码秘密图像N透明胶片，如果至少可以透露R.透明度堆叠在一起。这个过程称为（R.那N）-Threshold视觉密码学。所提出的方法不需要计算机或其他计算等效于图像评估。只能通过将合格的透明胶片堆叠在一起，可以透露秘密图像。

然而，在大多数关注视觉密码学的研究中，秘密图像被加密成带有噪声的透明图像。张某和黄某[31.]提出了一种生成两种有意义的透明信息的方法，以方便管理透明信息或防范恶意攻击。类似地，Ateniese等人[32.]通过隐写术产生有意义的透明度。此外，侯和吴[33.]采用半色调和颜色组成/分解技术，为灰色或彩色图像产生有意义的透明胶片。2009年，陈[34.]提出了一种用于产生的广义随机网格方法N没有尺寸扩展的明显有意义的透明度。方[35.]提出了一种逐步的视觉加密方法，可以产生有意义的透明度。

QR码是可以轻松获得的二维条形码[36.例如，在传单或海报上，通常记录网站地址，并已成为最近越来越多研究的重点。通过智能手机上的二维码扫描器扫描二维码，即可提取嵌入二维码的数据。QR码可以被看作是一种可见水印，会导致图像质量的下降。Huang et al. [37.]提出了一种可逆的数据隐藏方法，将无二维码的原始图像从带有二维码作为可见水印的图像无损恢复。

与以前的视觉加密研究不同，所提出的方法将视觉密码与QR码相结合，使得每个透明度无法看到原始图像，但可以读取QR码。因此，在没有足够数量的透明胶片的情况下，不能恢复原始图像，但QR码扫描仪可以读取由QR码记录的消息。该方法提供了管理方便，特别是对于不受QR码干扰的图像，并且允许用户使用QR码承载非敏电信息。

3.二维码的基本概念

标准的QR码包括一系列形成正方形的黑白块，如图所示1．

为了正确和容错地从QR码提取数据，解码器需要一个查找器和校准模式来定位QR码。查找器模式如图所示2和3.是位于每个符号的三个角，对齐模式是在固定的位置，取决于QR码的大小。

与以往的视觉密码学方法不同，该方法产生的透明信息既没有意义，也没有完全的噪声。生成的透明文件还具有解码二维码的能力。这些透明胶片叠在一起，就能显示出秘密图像。用户可以存储更多的信息，使用该方法可以提高管理的便利性。

如果透明胶片完全噪声，则无法确定在获得足够的透明胶片以恢复原始图像之前归档期间发生的错误是否包含错误。使用现在可用的QR码扫描仪，所提出的方法没有这样的问题。它对于不受QR码干扰的图像特别有用。

在本研究中，(r，n）-Threshold视觉加密技术扩展到（r，n)-阈值图像共享方法，其中R. ≤ N．在扩展方法中，NQR码透明胶片由患者的照片生成。根据扫描的QR码透明度的数量，分层显示初始照片的部分。什么少于R.QR码透明胶片被扫描，没有任何内容。什么时候介在R.和N扫描QR码透明胶片，揭示了初始照片的一部分。收到的照片部分的数量越高，患者照片的揭示部分越大。什么时候N扫描二维码透明，显示足以识别患者的图像和记录患者个人信息的二维码。

4.提出的方法

该方法不仅具有传统视觉密码学的特性，而且具有检索二维码的能力。通过这项技术，当病人去看医生时，医院工作人员可以使用连接到电脑上的网络摄像头拍摄病人的照片，并将照片存储在病人的电脑文件中。对于所提出的方法，不限制数据的大小和来源;然而，为了符合二维码，图像数据的形状应该是正方形。假设是医生开的处方N给病人的药物，计算机自动将患者的照片分成NQR码透明胶片并打印它们N单独药袋。为了将QR码添加到照片中，图像的重要部分（患者的面部区域）应该害羞地远离三个发现者模式块。通过这种方式，当患者得到他们的药物时，他们可以使用QR码扫描应用程序在智能手机上检查药物是否正确，没有任何缺失。只有当患者的智能手机扫描所有N二维码透明将患者的照片显示在手机上。这个动作让病人知道这些是正确的药物，所有的药物已经收到。数字4.显示门诊护理的过程。由于视觉加密的特征，解码过程不需要计算设备。因此，解码信息所需的时间，包括QR码解码，是有效的，使其对每个患者药物组合有效，并且发生了失败。

为了确保患者只能看到他们的图像和QR码在智能手机上记录他们的个人信息，一旦扫描所有正确的药物，就在本研究中提出了一种新的视觉加密方法，用于产生有意义的QR码透明胶片。目的是确保患者未显示其完整的患者图像和QR码，除非他们已获得所有必要的QR代码透明胶片。让患者的照片成为秘密形象。考虑A. 二进制秘密镜像S.和一个 二维码图片问：．使用提议时（R.那N)的阈值视觉密码方法，具有二维码透明，输出为 二进制setego映像 ．在该方法中，这些隐写图像被打印出来N这样，用户就可以用智能手机扫描这些图像。然而，患者无法看到任何可识别的图像，直到他们扫描所有必要的隐写图像。

本节的其余部分将描述这一点(R.那N)-阈值视觉密码学方法，在不失一般性的前提下，提出了一种具有二维码透明的(2,2)-阈值视觉密码学方法。该方法由两部分组成。第一部分涉及生成(2,2)阈值不可扩展可视密码学透明度。第二部分涉及生成二维码透明。本文方法第一部分采用的(2,2)阈值视觉密码学方法如表所示1并且通过置换列的列而生成m_白色的和m_黑色的0/1编码矩阵并采用这些矩阵的低值来编码透明胶片。在表格中1，■表示不透明像素，□表示透明像素:

每个透明度生成两个像素(T.₁和T.₂)对秘密图像的每个像素进行编码S.．因此，每个透明度的大小是秘密图像的两倍。秘密图像的透明像素有两个编码规则，每个概率为1/2。秘密图像的不透明像素还存在两个编码规则，每个概率为1/2。然而，不管在任何共享中的两个像素，秘密图像的相应像素具有相同的黑色或白色的概率。在表格中1，⊗表示堆叠操作员，□⊗□=□，□⊗■=■，■□=■，■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■可以使用秘密图像的白色和黑色像素的发生概率的差异来获得堆叠结果。因此，当将任意两个像素对堆叠在一起时，一个透明像素和一个不透明像素的结果（□■或■□）将对应于秘密图像中的白色像素。两个不透明像素（■■）的结果对应于秘密图像中的黑色像素。每两个像素（称为对比度）的不透明像素比率的差异允许观察秘密图像的内容。在（2,2） - 阈值视觉密码术方法中，当两个透明胶片堆叠在一起时，对比度为1/2。此外，为了产生非缺少透明度，透明像素是从两个生成的像素中随机选择的，用于每个编码结果。

在所提出的方法的第二部分中，阐述了具有QR码透明率的（2,2）-Threshold非扩张性的视觉密码方法。生成透明度时，可以通过以下过程产生QR码透明度。首先，所提出的方法使用QR码编码器从患者的社会安全号码或其他个人信息生成QR码。然后，QR码调整大小以适合非缺少透明度的大小。然后保留调整大小QR码的查找器和对准模式。接下来，缩短调整大小QR码的像素，除了查找器和对准模式之外。一个例子是说明的5.．最后，通过将调整大小QR码的调整大小码的缩短像素填充到Finder模式来修改透明胶片。通过上述方法，如果患者看到医生，如果医生处方N药物,然后N二维码透明的生成和打印N药包,分别。因此，患者不需要上网，可以简单地扫描NQR码透明胶片与智能手机确认他们已收到医生规定的所有药品。

除了使用视觉密码学允许患者确认他们收到的药物是否正确而不是缺少任何剂量，所提出的方法也可以显示QR码。根据欧盟和印度法规，所有药物包装必须用QR码打印以记录药物信息[38.那39.］．食品和药物管理局（FDA）还规定，应附有有关该药物的详细信息应附在药物包上。因此，随着智能手机的普及，QR码已被广泛用于记录药物信息，研究发现用户已经回应了[40］．在药物包装上使用QR码也可以应用于住院患者。护士有时需要阅读有关药物的信息，以了解如何管理它们。虽然RFID通常过去使用，但成本比QR码昂贵100倍;因此，使用QR码对药物的包装记录药物信息既有效又低成本[22］．但是，当医院向患者提供药物时，患者可能不需要整个药物，但只有几颗药丸;因此，患者通常不会收到原药包装。因此，为了向患者通知患者的药物，将QR码印在医院给予患者的药物袋上非常重要。患者只需要安装一个应用程序，该应用程序扫描其手机上的QR码，以轻松阅读记录在其中的药物信息。

除了记录含有药物信息的二维码外，还可以包含患者的信息;这样患者就可以确认这是不是自己的药包。在津巴布韦，医院将患者的简单病例数据记录在二维码中，并打印为患者的卡;因此，如果病人转到另一家医院，接受治疗的医院可以很容易地了解病人的情况[41.］．在药物袋上打印此QR码消除了为患者打印QR码卡的需要。

在此基础上，将视觉密码技术与二维码技术相结合。除了让患者查看他们是否已经收到了所有的药物，他们还可以阅读二维码中记录的各种信息，从而降低患者收到错误药物的风险。虽然目前医院缺乏这种机制，但它是非常必要的。将患者照片和二维码集成到一个透明的环境中，也可以让医院更快地将信息打印在药袋上，这对于亚洲患者较多的大型医院非常有帮助。此外，据医院研究，药品包装已经成为一种视觉传达工具，药包外观的色彩和艺术设计会影响患者对药品的感知[42.］．本文提出的方案可以将患者照片和二维码集成到一个透明的环境中，减少对药品包装艺术设计的干扰，提高患者用药的安全性。

5.实验结果

在本研究中所进行的实验中，使用该方法取得的结果如图所示6.和7.．数字6(一)描绘了原始患者照片和数字6 (b)和6 (c)显示生成的透明胶片。数字6（d）说明了从图中堆叠两个透明度的结果6 (b)和6 (c)．数字6（e）显示QR码，嵌入字符串ASZ192384563。该方法可以使用各种个人信息，例如社会安全号码或身份证号码来生成QR码。并且不可能重复其他患者的QR码。图6（f）和6（g）说明生成的QR码透明度。数字6（h）显示从图中接收两个透明胶片的结果6（f）和6（g）．

在该实验中，计算环境采用I7-9750H 2.6 GHz CPU和16 GB RAM。编码过程可以以秒为单位完成，并且分为两个子过程。第一个进程是图片共享。在我们的示例中，此子处理需要1.46秒以生成透明胶片，如图所示6 (b)和6 (c)．第二个进程正在将QR码嵌入到透明胶片中。在我们的示例中，此子过程需要0.77秒以为透明胶片生成QR码，如图所示6（f）和6（g）．此外，生成图中所示的QR码6（e）需要0.32秒。因此，在我们的示例中，总过程仅需要大约2.55秒才能生成QR码透明度。

数字7.扫描数字后显示智能手机上的实际结果6.．虽然二维码显示在智能手机上，无法通过手机自带的摄像头扫描，但现在很多可用的二维码解码器都有扫描智能手机自带屏幕的功能。通过扫描二维码显示个人信息是有好处的。虽然病人的名字会印在药品包装上，但有时也会有不同的病人有相同的名字。病人需要额外的信息来确认包裹是属于他们的。但是，如果在药品包装上印上大量的个人信息，可能会被其他在柜台取药的患者看到。相比打印在药品包装上的个人信息，如果患者只能通过扫描二维码透明的方式看到自己的个人信息，患者的个人隐私将更加安全。该方法在加入二维码后也不是无损的。但是，如果患者的智能手机可以作为扫描仪，那么就可以扫描幻灯片的叠加结果;通过计算，QR码除发现者模式外的原始图像可以恢复而不丢失。

分配QR码纠错比有四个级别：L级（低），级别M（中），级Q（四分位数）和H级（高）。Level L（低）可以纠正最多7％的码字;级别M（媒体）可以纠正最多15％的码字;Level Q（四分位数）可以纠正最多25％的码字;级别H（高）可以纠正最多30％的码字。QR码的误差校正比例越高，它更准确地使用，但它可能导致QR码的区域变大。与患者的照片结合时，它会对图像恢复程度造成更大的干扰。例如，在图中6.，QR码编码使用级别H进行纠错。数字6（e）包含一个对齐模式;但是，如果它使用其他级别，则生成的QR码中不会对齐模式。通过分配四个纠错级别的QR码如图所示8.．

相应的QR透明度堆叠结果如图所示9.．可以看出，在误差校正级别L，M和Q中，没有对准图案，并且完全显示患者的面部。在误差校正级H时，患者的面部被部分阴影，具有对准模式;但是，其纠错能力优于其他级别。

桌子2示出了误差校正级别L，M，Q和H之间的QR码透明胶片的执行时间的比较。可以看出，当分配级H时，执行时间显然比分配其他级别时的执行时间。

6。结论

在本研究中，提出了一种基于图像共享的解决方案，用于将药物给药给患者固定。患者可以使用智能手机扫描每种药物印刷的QR码透明胶片，以确保他们收到医生规定的所有药物。所提出的方法可以帮助预防患者服用错误的药，从而确保患者安全。该方法可与医院和智能手机中的现有硬件一起使用，这些硬件今天非常受欢迎。因此，所提出的方法与其他方案实际和竞争。为了适应低成本智能手机的计算能力，我们提出了一种只需要堆叠操作的视觉密码解决方案;但是，这将不可避免地导致图像失真，因为我们的系统尚未得到主管当局认证。目前，拟议的计划尚未在医院实施;因此，在我们未来的工作中，我们打算与医院合作，在获得主管当局的认证后与医院合作，评估患者的拟议计划的接受，并审查提出提高药物安全的效果。

数据可用性

用于支持这项研究结果的图像数据包括在文章中。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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