基于家用呼吸機的健康管理云平臺設計與實現(xiàn)

黎茂林，王黎黎

（1.中國電子科技集團公司第二十八研究所，南京 210007；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211100）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)建一體化的綜合防治體系將成為慢性病防治的發(fā)展趨勢[1]?！笆濉比珖丝诮】敌畔⒒l(fā)展規(guī)劃中把構建“互聯(lián)網(wǎng)+健康醫(yī)療”服務新模式作為主要任務之一，引導優(yōu)質醫(yī)療資源“下沉”到家庭，實施以遠程醫(yī)療服務為核心的健康中國云服務計劃[2-3]，大力推進基于互聯(lián)網(wǎng)的跟蹤隨訪、健康管理等服務應用[4-5]。因此，基于互聯(lián)網(wǎng)的“醫(yī)生+健康管理云平臺+健康終端+患者”的醫(yī)療服務成為物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興技術下的健康監(jiān)護、健康管理模式，是智慧醫(yī)療的重點發(fā)展方向[6-8]?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+健康醫(yī)療”的服務模式特別適用于需要在家庭使用無創(chuàng)呼吸機進行治療、康復的患者，但是大量的患者人數(shù)和設備使得工程師對家用呼吸機的維護、醫(yī)生對患者的遠程監(jiān)護有很大困難。

基于上述背景，為方便阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征患者居家康復治療，本文設計了一套基于家用呼吸機的健康管理云平臺，使家用呼吸機的數(shù)據(jù)能實時傳送給醫(yī)生。其中，呼吸機通過Wi-Fi和GPRS 2種方式上傳數(shù)據(jù)，通過數(shù)字化接口遠程實現(xiàn)參數(shù)配置。本平臺可定期統(tǒng)計、分析患者的監(jiān)護情況和病情報告，減少醫(yī)生的工作量，并且使患者的設備得到工程師24 h的運維，切實保障患者治療安全。

1 系統(tǒng)設計

1.1 需求分析

阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征患者使用家用呼吸機進行居家康復治療時，醫(yī)生需要通過患者使用家用呼吸機康復治療的監(jiān)護信息，掌握患者的依從性和治療效用，并根據(jù)治療效用調整呼吸機參數(shù)，以便更好地治療患者。因此，在康復治療過程中需要一個云平臺接入家用呼吸機的監(jiān)護數(shù)據(jù)，使監(jiān)護數(shù)據(jù)能實時傳到醫(yī)生端，方便醫(yī)生實時監(jiān)護、閱讀健康報告、判定醫(yī)囑依從性等治療狀況?；谏鲜鲂枨?，本文設計了基于家用呼吸機的健康管理云平臺。同時，平臺還需存儲患者治療及他人與患者的交互記錄，為將要發(fā)生的事件創(chuàng)建提示信息。通過本平臺，責任醫(yī)生可遠程更改處方（呼吸機的個性化參數(shù)），工程師可遠程運維、配置和調試呼吸機，實現(xiàn)“醫(yī)生+健康管理云平臺+健康監(jiān)護終端+患者”的醫(yī)護應用模式。

1.2 架構設計

基于家用呼吸機的健康管理云平臺采用基于J2EE 技術的瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構，將Oracle作為數(shù)據(jù)庫、WebLogic作為Web容器，利用消息中間件（ActiveMQ）作為消息分發(fā)和傳輸工具，支持Linux和Windows操作系統(tǒng)，包含Web服務和健康數(shù)據(jù)接入服務2個部分。Web服務采用SpringMVC+Hibernate框架，分為領域對象層（POJO）、數(shù)據(jù)訪問對象層（DAO）、業(yè)務邏輯層（Service）、控制器層（Action）和表現(xiàn)層（View）5層。健康數(shù)據(jù)接入服務采用Spring+Hibernate框架，分為領域對象層（POJO）、數(shù)據(jù)訪問對象層（DAO）和業(yè)務邏輯層（Service）3層。平臺通過采用優(yōu)良的軟件框架分層設計，降低了軟件代碼之間的耦合度，提高了可擴展性。不同角色，如醫(yī)生、工程師、管理員和患者使用本平臺的業(yè)務流程示意圖如圖1所示。

圖1 不同角色使用健康管理云平臺的業(yè)務流程示意圖

患者在家中使用呼吸機時，呼吸機監(jiān)護數(shù)據(jù)通過Wi-Fi等網(wǎng)絡實時上傳到本平臺。

工程師通過本平臺對設備進行遠程在線調試和運維。在對設備進行遠程調試時，發(fā)送修改指令到在用呼吸機，呼吸機接到指令后對設備參數(shù)進行修改，并把修改后的新參數(shù)和實時監(jiān)護數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_的工程師端顯示，從而使工程師可以掌握呼吸機參數(shù)修改的正確性，了解設備運行是否正常。

醫(yī)生通過本平臺可對患者進行新增、停用呼吸機等操作，也可把患者共享或移交到其他醫(yī)生名下，實現(xiàn)分時段交替管理。平臺會給出患者監(jiān)護期間的健康事件，按照輕重緩急進行優(yōu)先級處置和提示，醫(yī)生可及時獲知健康事件。此時，醫(yī)生可以遠程修改呼吸機的配置參數(shù)。且本平臺能對每一位患者近期的監(jiān)護狀況進行分析，并生成健康報告，供醫(yī)生查閱。

同時，工程師對設備進行遠程調試和參數(shù)配置、醫(yī)生對患者修改處方等操作均會記入平臺日志，患者通過使用患者端App可以異地查看實時監(jiān)護信息、歷史監(jiān)護數(shù)據(jù)和健康報告。

1.3 關鍵技術

1.3.1 健康管理云平臺與健康終端數(shù)據(jù)交互與管理協(xié)議

健康終端指家用呼吸機及后續(xù)需要擴展接入平臺的其他健康監(jiān)護設備。要想實現(xiàn)健康管理云平臺與呼吸機的數(shù)據(jù)交互和終端設備管理，需要制訂一個支持可擴展接入新型號設備、其他類型設備與健康終端之間的交互與管理協(xié)議。該協(xié)議對呼吸機與平臺之間交互的業(yè)務層和傳輸層協(xié)議進行規(guī)定，支持健康終端的即插即用。健康終端接入網(wǎng)絡后主動向平臺發(fā)起網(wǎng)絡連接請求，建立TCP（transmission control protocol）傳輸層通道，應用層協(xié)議采用TLV（tag-length-value）格式進行編解碼，然后健康終端向平臺發(fā)起Association請求，建立與業(yè)務層的連接。平臺根據(jù)需要向健康終端發(fā)起數(shù)據(jù)請求或終端主動向平臺發(fā)送實時數(shù)據(jù)。該協(xié)議包括傳輸層協(xié)議和應用層協(xié)議2個方面，具體如下：

（1）傳輸層協(xié)議。接入服務器和健康終端之間采用可靠的TCP作為傳輸層協(xié)議。接入服務器采用固定的公網(wǎng)IP地址和專用的端口號，提供TCP連接服務，默認TCP端口號為10656。健康終端根據(jù)本地存儲的接入服務器IP地址和TCP端口號（10656）向接入服務器發(fā)起連接請求，建立TCP連接。

（2）應用層協(xié)議。應用層協(xié)議的報文包括報文頭、保留字段、循環(huán)冗余校驗（cyclic redundancy check，CRC）碼和報文體4個部分。報文頭的長度固定為27 B，報文頭結構按照順序分別是報文長度（2 B）、協(xié)議版本（2 B）、報文類型標識（2 B）、報文序列號（2 B）、終端類型（1 B）、終端子類型（1 B）、終端序列號（16B）和錯誤碼（1B）。本協(xié)議所定義的所有交互報文都遵循此報文頭結構。保留字段為4 B，CRC碼為2 B。報文體可包含多個TLV格式的編碼段，長度可變，內容與具體的報文相關。報文最大長度為10 KiB。

1.3.2 基于WebSocket的健康設備實時數(shù)據(jù)交互

根據(jù)呼吸機實時上傳的監(jiān)護數(shù)據(jù)，本平臺以數(shù)值和呼吸波形2種方式在醫(yī)生端實時顯示，實現(xiàn)患者遠程監(jiān)護功能。此功能的實質是在B/S架構上進行服務端和客戶端的實時通信。目前，已有的Web實時通信技術包括長輪詢、定時輪詢、基于Flash的數(shù)據(jù)交換和基于WebSocket的實時通信等[9-10]。長輪詢、定時輪詢實時通信技術采用超文本傳輸協(xié)議（hypertext transfer protocol，HTTP）和Ajax技術來實現(xiàn)實時交互效果，但存在如下缺點：客戶端和服務器端的每次報文交互是一次完整的HTTP請求響應過程，都帶有完整的HTTP報文頭信息，增加了數(shù)據(jù)傳輸量，不能滿足實時性要求較高的應用場景。為了突破HTTP協(xié)議進行實時交互存在的缺點，基于Flash的數(shù)據(jù)交換和基于WebSocket的2種非HTTP協(xié)議的實時通信技術應運而生[9-10]。但是基于Flash的數(shù)據(jù)交換實時通信技術要求客戶端必須安裝Flash插件，存在無法自動穿越防火墻、在具有多重防火墻復雜網(wǎng)絡環(huán)境下不兼容的問題。WebSocket是HTML5提供的一種瀏覽器與服務器間進行全雙工的實時通信技術，可以實現(xiàn)客戶端和服務器端之間的長連接，以事件驅動的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向實時異步傳輸，從而實現(xiàn)真正意義上的推送功能。在流量和負載增大的情況下，基于WebSocket的實時通信技術具有一定性能優(yōu)勢。

基于WebSocket的實時交互流程如下：首先，健康數(shù)據(jù)接入服務器將監(jiān)視的健康設備的實時數(shù)據(jù)傳輸給消息隊列服務器，Web服務器向消息隊列服務器發(fā)起訂閱請求，消息隊列服務器根據(jù)訂閱請求將數(shù)據(jù)分發(fā)給Web服務器，然后由WebSocket中長連接給發(fā)起訂閱的客戶端用戶進行推送，并在客戶端的瀏覽器上實時顯示。

1.3.3 數(shù)據(jù)傳輸加密

呼吸機一定程度上與患者的生命安全相關，因此在數(shù)據(jù)傳輸上需具有安全傳輸設計。本研究中的數(shù)據(jù)從呼吸機傳輸至平臺時，采用超文本安全傳輸協(xié)議（hyper text transfer protocol over securesocket layer，HTTPS）并利用高級加密標準（advanced encryption standard，AES）和公鑰加密算法（RSA算法）對數(shù)據(jù)加密，從而保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。具體方法如下：客戶端生成AES密鑰并保存；客戶端用AES密鑰對被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行加密，并使用RSA公鑰對AES密鑰加密，然后把加密后的密鑰值放到報文頭中；服務器端拿到報文頭后使用RSA私鑰解密以拿到AES密鑰，服務器端再使用AES密鑰對請求數(shù)據(jù)解密；服務器端對響應數(shù)據(jù)使用AES密鑰加密并向客戶端發(fā)送，客戶端收到服務器端加密的數(shù)據(jù)后，使用之前保存的AES密鑰解密獲取數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

按照“模塊相互獨立，減少相互間耦合性”的原則，將基于家用呼吸機的健康管理云平臺進行模塊化設計，分為健康數(shù)據(jù)接入、健康管理、設備管理、患者管理、平臺運維和接口服務6個功能模塊，如圖2所示。

圖2 基于家用呼吸機的健康管理云平臺功能架構

2.1 健康數(shù)據(jù)接入模塊

健康數(shù)據(jù)接入模塊負責健康設備的接入，實現(xiàn)平臺與健康設備的網(wǎng)絡連接以及業(yè)務數(shù)據(jù)交互，具體包括協(xié)議封裝與解析、呼吸機數(shù)據(jù)接入、接入數(shù)據(jù)存儲、其他健康終端接入和呼吸機消息分發(fā)訂閱等功能。

2.2 健康管理模塊

健康管理模塊包括實時數(shù)據(jù)展示、患者監(jiān)護提示與備注、患者參數(shù)設置、處方管理和健康報告等功能，可實現(xiàn)醫(yī)生對患者使用呼吸機的健康跟蹤、健康日常監(jiān)護、健康報告生成、設備個性化參數(shù)（處方）修改、操作記錄等。

（1）實時數(shù)據(jù)展示。當患者的呼吸機接入平臺后，可實時查看呼吸機的工作狀態(tài)與參數(shù)，如圖3所示。醫(yī)生可以遠程控制呼吸機的啟動和停止，設置呼吸機的報警、濕化工作參數(shù)。

（2）患者監(jiān)護提示與備注?；颊弑O(jiān)護提示是醫(yī)生為患者設置的定時提醒，提醒到期時會在工作臺首頁自動顯示。備注是醫(yī)生針對患者設置的一個備忘錄功能，不需要自動定時提醒，用于醫(yī)生后期查看相關記錄與參數(shù)。本功能模塊可實現(xiàn)患者監(jiān)護提示與備注的新增、修改、刪除等功能，其應用界面如圖4所示。

（3）患者參數(shù)設置?；颊邊?shù)設置可以對患者的優(yōu)先級計算參數(shù)進行個性化配置，默認使用全局計算參數(shù)，當對患者設置了個人計算參數(shù)后，則在計算時使用個人計算參數(shù)?；颊邊?shù)包括醫(yī)囑依從性計算、周期性呼吸、周期性呼吸變化、患者觸發(fā)式呼吸、患者觸發(fā)式呼吸變化、呼吸速率、呼吸速率變化、潮氣量、潮氣量變化、分鐘通氣量、分鐘通氣量變化、過壓、報告設置等，如圖5所示。

（4）處方管理。處方管理負責顯示選中的患者相關的處方清單以及每個處方的詳細信息，根據(jù)用戶需要可以添加新的處方，舊的處方不會被刪除。處方包括呼吸機處方、面罩處方、加濕器處方、輔助設備處方等。新的處方成功創(chuàng)建后，舊的、正在使用的處方將自動停止，即結束日期修改為當前日期。處方管理應用界面如圖6所示。

圖3 實時數(shù)據(jù)展示界面

圖4 患者監(jiān)護提示與備注應用界面

（5）健康報告。健康報告包括醫(yī)囑依從性信息報告、每日詳細報告、長期趨勢報告、統(tǒng)計信息報告和治療數(shù)據(jù)摘要報告。其中，醫(yī)囑依從性信息報告可以查看時間段內每天的設備使用時間，確定每天的設備使用時間是否達標。每日詳細報告可以查看時間段內每天的設備使用狀況、氣壓等數(shù)據(jù)，如圖7所示。長期趨勢報告可以查看查詢時間段內設備的每天使用平均趨勢等信息，如圖8所示。統(tǒng)計信息報告是患者對呼吸機使用次數(shù)、時長的統(tǒng)計，用來確定患者執(zhí)行治理方案的情況。治療數(shù)據(jù)摘要報告可以查看時間段內的整體使用時間、平均使用時間等信息，如圖9所示。

圖5 患者參數(shù)設置界面

圖6 處方管理應用界面

圖7 每日詳細報告

圖8 長期趨勢報告

圖9 治療數(shù)據(jù)摘要報告

2.3 設備管理模塊

設備管理模塊包括設備基本信息管理、設備工單管理、設備日志管理3個功能，可支持工程師進行健康設備的增加、狀態(tài)維護、遠程調試等操作。

（1）設備基本信息管理。設備基本信息管理負責設備基本信息的增加、修改、查詢、啟動、停用等功能，具體如下：添加、修改、刪除健康設備信息；根據(jù)設備的唯一識別號搜索設備，展示設備詳細信息；對設備進行在線調試，即查看設備狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，對設備參數(shù)進行遠程在線修改。

（2）設備工單管理。設備工單管理可使工程師進行提交設備異常工單、工單分配、工單狀態(tài)變更記錄、工單管理與關閉等操作。

（3）設備日志管理。設備日志管理提供設備參數(shù)設置日志、設備調試日志的查詢與顯示、列表及詳細內容查詢功能。

2.4 患者管理模塊

患者管理模塊包括患者信息管理、設備分配和患者共享與移交3個部分，具體如下：

（1）患者信息管理。主要展示醫(yī)生所屬患者的基本信息、個人報告、設備設置以及患者設置等信息，為醫(yī)生提供患者增加、患者信息編輯等功能。

（2）設備分配。主要展示醫(yī)生所屬患者的設備基本信息，提供患者與醫(yī)生、設備之間的關系綁定。

（3）患者共享與移交?；颊呖梢杂啥鄠€責任醫(yī)生輪流監(jiān)護，也可以完全移交給另外一個責任醫(yī)生，實現(xiàn)責任醫(yī)生的患者監(jiān)護列表變更、移交過程記錄等功能。

2.5 平臺運維模塊

平臺運維模塊為上述4個模塊提供平臺框架和平臺管理，主要包括以下5個部分：

（1）用戶登錄。提供用戶登錄界面以及用戶權限驗證功能。用戶需要輸入賬號、密碼以及隨機生成的驗證碼，平臺通過密碼驗證后確定用戶身份，并根據(jù)用戶的權限級別授予用戶相應的功能。

（2）用戶管理。提供用戶的增、刪、改、查功能。管理員可以修改用戶的密碼，為用戶設置必要的角色權限。用戶可自助修改個人基本信息、密碼、照片等。

（3）平臺管理。提供組織機構、科室、設備類型、全局計算參數(shù)、字典表的管理功能。

（4）日志管理。針對不同的用戶角色提供相應的日志管理功能，包括用戶登錄日志、設備參數(shù)修改日志等。

（5）權限管理。提供用戶的權限管理功能。管理員能夠預先設定角色，為角色分配訪問權限。在創(chuàng)建和編輯用戶時，管理員可以為用戶指定角色，從而達到為用戶分配權限的目的。

2.6 接口服務模塊

接口服務模塊負責平臺與呼吸機、App三者之間的數(shù)據(jù)交互，其外部接口關系如圖10所示。通過呼吸機患者注冊接口可實現(xiàn)呼吸機的App用戶在平臺注冊，完成用戶與呼吸機綁定。通過呼吸機患者登錄驗證接口進行呼吸機的App用戶的登錄驗證。通過呼吸機歷史數(shù)據(jù)查詢接口向平臺請求呼吸機的歷史數(shù)據(jù)，平臺根據(jù)相應的請求從數(shù)據(jù)庫中取出數(shù)據(jù)后在用戶端進行展示。通過呼吸機實時數(shù)據(jù)推送接口獲取呼吸機實時數(shù)據(jù)，從而使平臺對外提供消息訂閱功能。通過呼吸機數(shù)據(jù)上傳接口將呼吸機的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息上傳到平臺。通過呼吸機參數(shù)設置接口，醫(yī)生或工程師、用戶可對保持連接的呼吸機進行參數(shù)設置。同時，接口服務還負責對外提供用戶注冊、登錄驗證、數(shù)據(jù)查詢、實時數(shù)據(jù)推送等功能的二次開發(fā)服務。

圖10 外部接口關系圖

3 應用效果

基于家用呼吸機的健康管理云平臺采用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等技術，基于消息中間件和Web－Socket實時通信技術，實現(xiàn)了分布式健康數(shù)據(jù)實時采集與健康設備的遠程控制，在醫(yī)院、醫(yī)生、患者之間形成了基于互聯(lián)網(wǎng)的健康管理服務，一個醫(yī)生可以監(jiān)護多個居家的康復患者，全程對患者的健康監(jiān)護狀況進行記錄，實現(xiàn)了對阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征康復患者的家庭遠程健康監(jiān)護。同時，平臺的健康終端管理功能可實現(xiàn)工程師對大量家用呼吸機進行24 h不間斷的實時運維，保障了患者的安全，節(jié)省了運維成本。

4 結語

本平臺的應用可輔助醫(yī)生開具處方，對解決醫(yī)療資源短缺問題具有重要作用，對政府大力推廣家庭簽約醫(yī)生服務模式具有借鑒作用，也為其他基于物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”的健康監(jiān)護系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)提供了參考。

雖然本平臺的應用取得了良好效果，但仍存在一些不足。如缺少醫(yī)患遠程音視頻交互功能，醫(yī)生不能通過平臺“一鍵式”觀察患者情況，下一步將研究5G通信技術在該場景的應用，包括5G通信環(huán)境下的便攜式健康終端研究和遠程指導等。