基于Web的康復(fù)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周深，李嬌，喻洪流,3，倪偉

1.上海理工大學醫(yī)療器械與食品學院康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海市 200093；2.上海康復(fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海市 200093；3.民政部神經(jīng)功能信息與康復(fù)工程重點實驗室，上海市 200093

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展[1]，在各行各業(yè)各種基于Web 的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生。當前康復(fù)設(shè)備主要通過康復(fù)設(shè)備管理系統(tǒng)與人進行交互，多采用C/S (客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)[2]，患者和醫(yī)護人員只能通過本地客戶端軟件控制康復(fù)設(shè)備、查詢康復(fù)訓練數(shù)據(jù)[3]，這給康復(fù)醫(yī)生查詢訓練數(shù)據(jù)進行療效評估、醫(yī)患之間信息交流及設(shè)備管理員及時獲悉設(shè)備異常進行維護帶來很大的不便。

本文提出的基于Web 的康復(fù)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)，采用B/S 架構(gòu)[4]，通過該系統(tǒng)，康復(fù)設(shè)備可將患者的康復(fù)訓練數(shù)據(jù)實時傳入云端數(shù)據(jù)庫，醫(yī)生可隨時隨地通過瀏覽器獲取患者康復(fù)訓練的數(shù)據(jù)，并進行康復(fù)訓練的結(jié)果評估和康復(fù)處方的更新；患者可通過此系統(tǒng)查看自己的康復(fù)訓練記錄和醫(yī)生下達的康復(fù)訓練處方，并可隨時與醫(yī)生進行在線溝通交流；設(shè)備管理員也可借助此系統(tǒng)實現(xiàn)康復(fù)設(shè)備的監(jiān)控和管理，及時獲悉設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，便于設(shè)備的維護和更新。

此外，該平臺也為遠程醫(yī)療康復(fù)提供了可能。相對于傳統(tǒng)設(shè)備C/S 架構(gòu)軟件系統(tǒng)，B/S 架構(gòu)軟件系統(tǒng)界面以瀏覽器為載體，該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)允許設(shè)備獨立于它們的位置工作。這使得康復(fù)設(shè)備可以遠程進行治療，而不需要在康復(fù)過程中有專家在場[5]。

1 總體框架設(shè)計

本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)——感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[6]搭建。其總體架構(gòu)如圖1 所示，設(shè)備通信層是基于HTTP協(xié)議和Socket[7]技術(shù)，通過制定通信協(xié)議，以JSON[8]數(shù)據(jù)格式為載體進行雙方的數(shù)據(jù)交換；服務(wù)器層主要利用MVC[9]設(shè)計模式和J2EE 技術(shù)，采用當前流行的Web 框架SSM[10]設(shè)計，由MySQL 數(shù)據(jù)庫負責數(shù)據(jù)存儲；用戶訪問層采用JSP 技術(shù)，結(jié)合JavaScript、Ajax[11]實現(xiàn)前后臺動態(tài)交互，通過CSS 定義頁面布局，運用Bootstrap、HighCharts 等框架技術(shù)進行頁面美化設(shè)計。

2 設(shè)備通信層設(shè)計

本文的康復(fù)設(shè)備指中央驅(qū)動式上肢康復(fù)機器人[12](圖2)。該機器人是由上海理工大學康復(fù)工程與技術(shù)研究所研發(fā)，適用于腦卒中、外傷和術(shù)后神經(jīng)損傷所致上肢功能障礙患者。它能幫助醫(yī)生為上肢功能障礙患者提供個性化訓練方案，在三維空間里幫助患者完成主、被動模式下的單關(guān)節(jié)或多關(guān)節(jié)復(fù)合的功能訓練。

圖1 云平臺架構(gòu)

圖2 中央驅(qū)動式上肢康復(fù)機器人

圖3 所示上肢康復(fù)機器人的主控制系統(tǒng)基于一主三從式的結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集模塊和姿態(tài)控制模塊獨立設(shè)計。在機器人輔助訓練過程中，設(shè)備將自身狀態(tài)信息和患者訓練過程中采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過一定的封裝處理，通過內(nèi)置無線模塊與外界相連以實現(xiàn)通信。

康復(fù)設(shè)備要想實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，除了實現(xiàn)以上設(shè)備端設(shè)計外，還需要提供智能網(wǎng)關(guān)作為設(shè)備與平臺服務(wù)器通信的橋梁，設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)才能連接入互聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)端通信。網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)原理如圖1所示，基于本設(shè)備的功能需求，我們選取DM9000 作為以太網(wǎng)網(wǎng)卡芯片，同時需要RTthread 實時操作系統(tǒng)[13]與lwip 協(xié)議棧共同實現(xiàn)。在RTthread 系統(tǒng)lwip 協(xié)議棧的傳輸層TCP/IP[14]協(xié)議基礎(chǔ)上，通過HTTP 協(xié)議根據(jù)服務(wù)器制定的數(shù)據(jù)上傳接口上傳數(shù)據(jù)，并通過Socket套接字實現(xiàn)接收服務(wù)器下發(fā)的指令。

3 服務(wù)器層設(shè)計

選取當前最流行MVC 業(yè)務(wù)框架SSM[10]進行設(shè)計。其中，Spring 作為容器負責實例化bean 以及管理業(yè)務(wù)組件，SpringMVC[15]負責攔截用戶請求，并匹配控制器執(zhí)行相關(guān)業(yè)務(wù)返回JSP頁面給前端，Mybatis主要負責數(shù)據(jù)庫訪問業(yè)務(wù)[16]。

圖3 中央驅(qū)動式上肢康復(fù)機器人主控制系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)持久化層設(shè)計

3.1.1實體類設(shè)計

實體類是JAVA 語言中的一個類，這個類與普通意義上的類不同，它代表的是一個實體，實體類通常與數(shù)據(jù)庫聯(lián)系在一起，所謂的實體即數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的一張表。本文中主要有3 類用戶角色，分別是患者、康復(fù)醫(yī)師、設(shè)備管理員，通過對他們權(quán)限及業(yè)務(wù)的分析，考慮Java 語言中繼承關(guān)系[17]可知，本平臺主要涉及的用戶實體類有用戶(User)、醫(yī)生(Doctor)、患者(Patient)、平臺管理員(PlatformAdministrator)，用戶業(yè)務(wù)實體類有設(shè)備(Equipment)、設(shè)備數(shù)據(jù)(Equipment Data)、訓練計劃(RehabPlan)、康復(fù)處方(Prescription)、訓練報告(Report)等。經(jīng)過功能需求分析得到實體類UML[18]類圖。見圖4。

3.1.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計

從以上UML 類圖看出，圖中實體類之間存在多重關(guān)聯(lián)關(guān)系。醫(yī)生與患者之間為一對多的關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)備管理員與設(shè)備之間為一對多的關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)備與患者、治療師、設(shè)備數(shù)據(jù)和訓練報告之間為一對多的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過以上分析，在SQLyog 中操作數(shù)據(jù)庫建表，相互關(guān)聯(lián)的表通過相應(yīng)字段作為外鍵設(shè)置關(guān)聯(lián)即可。

3.2 業(yè)務(wù)邏輯層設(shè)計

在SSM 框架實現(xiàn)的系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)邏輯層由SpringMVC 來實現(xiàn)，其中的Controller 作為控制器，是View層和Model層之間溝通的橋梁，負責接收前端請求和將請求結(jié)果響應(yīng)給視圖界面；Model即模型層，此處將其細分為Service、DAO 以及數(shù)據(jù)表對應(yīng)的Ja?vaBean三個部分，每個部分實現(xiàn)不同的功能且有層次關(guān)系，下層只能供上層調(diào)用[19]。在Controller層對請求的功能需求進行分析調(diào)用業(yè)務(wù)層Service 模塊的接口，在業(yè)務(wù)層Service 模塊中調(diào)用DAO 層接口對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行增、刪、改、查的操作并將結(jié)果返回給Service模塊和Controller層，Controller 層通過ViewResolver 對象將最終結(jié)果返回給前端界面進行渲染并展示[20]。

3.3 設(shè)備遠程監(jiān)控設(shè)計

圖4 平臺實體UML類圖

該系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)康復(fù)設(shè)備的遠程監(jiān)控，包括用戶界面控制指令實時下發(fā)操控設(shè)備，以及設(shè)備狀態(tài)信息實時上傳到數(shù)據(jù)庫并在前端展示。設(shè)備與平臺服務(wù)器端通信需制定相應(yīng)的請求報文格式，即通信協(xié)議。如圖1 所示，設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器端和服務(wù)器端向設(shè)備發(fā)送遠程控制指令是通過HTTP 協(xié)議和Socket[7]通信實現(xiàn)的。對指令報文以JSON 形式進行封裝，考慮到上傳信息和遠程控制指令的安全性和準確性，對報文做如下設(shè)計：指令報文包括三部分信息，分別是設(shè)備編號(equID)、控制指令(command)和數(shù)據(jù)內(nèi)容(data)。equID 用來讓服務(wù)器識別該數(shù)據(jù)由哪個設(shè)備上傳和讓設(shè)備識別該指令是否是服務(wù)器端發(fā)送給本設(shè)備的；command 讓設(shè)備根據(jù)指令作出相應(yīng)動作變換；data 是設(shè)備上傳數(shù)據(jù)時的具體數(shù)據(jù)報文，也可以是一個JSON 文本?？刂浦噶頙SON 報文如：{“equID”：1,”command”：2,”data”：null}.

服務(wù)器端在控制層EquipmentController 中為設(shè)備提供上傳數(shù)據(jù)信息的接口及下發(fā)指令的接口。在設(shè)備數(shù)據(jù)上傳過程中，服務(wù)器端通過updateEquipmentData()方法接收來自設(shè)備上傳的JSON 數(shù)據(jù)，通過轉(zhuǎn)化為Equipment 對象，將相應(yīng)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，醫(yī)生可在前端頁面獲取此信息。在設(shè)備指令下發(fā)過程中，服務(wù)器端通過sendEquipmentCommand()方法接收前端頁面提交的控制指令，并按以上定義好的指令報文形式封裝成JSON 格式，通過Socket 獲取字節(jié)輸出流的OutputStream 對象，再獲取打印流PrintWriter 對象，通過打印流PrintWriter 對象將其通過智能網(wǎng)關(guān)傳送給設(shè)備主控制器，按照預(yù)定義的通信協(xié)議解析執(zhí)行相關(guān)動作命令。

4 用戶訪問層設(shè)計

通過對本系統(tǒng)角色和功能的需求分析可知，本系統(tǒng)主要有游客、醫(yī)生、患者、治療師和設(shè)備管理員等用戶，游客可以訪問未登錄時的所有資源，其他4 類用戶通過賬號登錄進入個人中心，個人中心展示了該類角色可訪問的所有資源。

平臺部分展示圖(圖5)中，醫(yī)生登錄到醫(yī)生中心后的界面如圖5(d)所示，包含個人中心、患者管理、設(shè)備管理、工作安排、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和站內(nèi)信息，醫(yī)生可對自己的患者進行相關(guān)操作，如查看患者信息、制定康復(fù)訓練計劃、進行在線康復(fù)訓練和制定康復(fù)評估報告等?；颊叩卿浀交颊咧行暮蟮慕缑嫒鐖D5(c)所示，包含個人中心、醫(yī)療狀況、訓練計劃、康復(fù)狀況和站內(nèi)信息，可查看醫(yī)生制定的訓練計劃及完成情況，進行自我康復(fù)評定，查看階段性康復(fù)訓練效果，查看和發(fā)送醫(yī)生信息和系統(tǒng)信息等。管理員登錄到管理員中心后的界面如圖5(b)所示，包含個人中心、設(shè)備管理等菜單，可查看設(shè)備運行期的相關(guān)信息，可對有異常狀態(tài)的設(shè)備進行鎖定等操作。

5 遠程監(jiān)控實驗

本節(jié)將對平臺進行有效性和可靠性實驗測試，主要介紹對設(shè)備遠程監(jiān)控的測試。

圖5 平臺部分頁面展示

首先，將該系統(tǒng)進行本地項目打包部署到公網(wǎng)服務(wù)器上，通過登陸自定義的域名便可訪問該平臺，系統(tǒng)默認給定有醫(yī)生、患者、康復(fù)治療師三個測試賬號進行測試，用戶也可以自行注冊體驗對應(yīng)角色功能。在此，我們通過給定的醫(yī)生測試賬號進行登陸后，點擊制定康復(fù)訓練計劃菜單，選定該醫(yī)生對應(yīng)的患者進行康復(fù)訓練計劃制定；點擊“完成”后，服務(wù)器把該計劃下發(fā)至設(shè)備進行相關(guān)訓練；在訓練過程中設(shè)備將傳感器采集的數(shù)據(jù)以1 s 間隔上傳至服務(wù)器端進行保存，同時界面每秒從數(shù)據(jù)庫中讀取一條記錄進行展示。其實時數(shù)據(jù)展示如圖5 f 所示。通過對比其實時展示圖及狀態(tài)標識和設(shè)備的狀態(tài)可知，二者之間存在一致性，動態(tài)曲線圖平均響應(yīng)時間0.49～0.58 s，考慮網(wǎng)絡(luò)等原因延遲，該結(jié)果在可接受范圍內(nèi)，基本達到預(yù)期的目標。

實驗結(jié)果說明，本文提出的基于Web 的康復(fù)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)具有可行性，通過本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對康復(fù)設(shè)備及時、準確、有效的遠程監(jiān)控。

6 結(jié)論

本文設(shè)計的基于Web 的康復(fù)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，利用物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以網(wǎng)頁形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)康復(fù)設(shè)備桌面客戶端監(jiān)控系統(tǒng)，通過將設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，各用戶可隨時隨地操作帶有瀏覽器的終端設(shè)備即可監(jiān)控設(shè)備、查看信息和處理相關(guān)業(yè)務(wù)，為醫(yī)生、患者和管理員等多角色帶來了更好的業(yè)務(wù)體驗。應(yīng)用測試實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)的設(shè)計是有效和可行的。