基于云計算的智能健康監測系統設計與實現

李潤川 馮盼盼 王淑紅 王海燕 張行進 陳 剛 王宗敏*

1(鄭州大學產業技術研究院 河南 鄭州 450000)2(鄭州大學互聯網醫療與健康服務河南省協同創新中心 河南 鄭州 450000)3(鄭州大學遠程教育學院 河南 鄭州 450000)

0 引 言

隨著現今生活方式的轉變，人類的健康狀況及疾病模式也發生著轉變，慢性病患者的人數也在急劇增加。慢性病主要是指心腦血管疾病、糖尿病、慢性呼吸系統疾病等起病隱匿、潛伏期長、病程長、無明確“治愈”指征的疾病總稱[1]。2015年我國衛生部《中國居民營養與慢性病狀況報告》指出每年以心血管疾病和糖尿病為首的慢性病，致死人數占據了所有死亡人數的85%，且慢性病在我國疾病負擔中所占比例超過70%[2]。慢性疾病由于患病人數多、病情延續時間長、病因復雜、治療累積費用高，具有頻繁的醫患交流，一開始就成為互聯網醫療聚焦的熱點。慢性病的挑戰無疑給智慧醫療帶來了巨大機會。智慧醫療得到迅速發展，借助互聯網、云計算、醫療大數據等新一代信息技術，搭建智能化的醫療設備系統及平臺，通過智能終端上傳個人生理健康數據，快速得到醫生遠程指導，將傳統醫療服務延伸至社區和家庭來進行健康管理和慢病預防[3-6]。

目前，國內外推出了許多遠程智能醫療監護設備。國外在遠程醫療系統構建的實施發展速度較快，在遠程咨詢、遠程會診和一些醫學數據遠距離傳輸等方面取得了不錯成果[7-10]。Vaidehi等人[11]設計實現了一種可監測血壓、脈搏率和呼吸頻率、體溫等生命體征的Agent系統，依附于無線傳感器。馬錫坤[12]設計實現了遠程視頻醫療診斷系統，依附于物聯網技術現實醫生的醫療診斷過程，具有在線問診、視頻會話等多功能模式。陳海金等[13]設計開發了一款心電監護儀且搭配帶Android系統的智能終端實現遠程監護。然而，現有的智能健康監測系統，由于終端用戶數量的不斷增加和上傳數據的加大，會出現服務后臺數據一致性無法保證、實時性較差以及數據利用率低等問題[14]。在此背景下，我們設計了一款智能健康監測系統，可實時、連續、長時間地監測人體的生命體征參數，且配套開發了一款便攜式心電監護儀用于實時監測分析人體心電信號，改進了現有健康監測平臺心電信號的非實時傳輸性。

本文設計的智能健康監測平臺可長時間地實時連續監測人體生命體征參數，并將數據實時傳送給云平臺和手機APP，醫生可對云平臺的數據進行監測并將結果及時反饋到用戶的智能手機APP上進行顯示和保存，用戶可通過手機上的APP查看自己的健康歷史數據。當用戶的某一項生命特征參數出現異常時，云平臺和手機APP能夠進行實時預警，以便用戶能得到及時的救治，這對于慢病患者長期監測具有重大的歷史意義。

1 相關技術

本系統使用簡單高效的NATS消息機制來傳輸心電數據、支持分布式架構通信的RPC協議進行遠程服務器之間的調用、使用允許服務端主動向客戶端推送數據的Websocket協議獲取實時心電曲線、使用功能強大又高效的MongoDB數據庫存儲最終的心電事件和支持XML的有可圖形化用戶界面的SQLServer數據庫存儲用戶在互聯網醫院的體檢監測數據。

NATS消息機制是基于EventMachine支持微服務架構、使用“發布-訂閱”機制的輕量級消息中間件[15]。NATS消息機制有分布式隊列的基礎，當有超過一個的服務器發送請求時那就形成一個隊列組，那么NATS消息機制將隨機選擇一個服務器來接收消息，這樣就保證了不同服務器間調取ECG數據的順序性。 NATS消息機制具有可伸縮性，每秒鐘可以傳送百萬條消息，可用來連接微服務和IOT設備，實現高吞吐量的消息分散和特定應用實例、設備或用戶的尋址。

遠程過程調用(Remote Procedure Call，RPC)是一種通過網絡從遠程計算機程序上請求服務，而不需要了解底層網絡技術的協議。RPC現在被廣泛應用于分布式系統中進行封裝通信。 RPC的用法是客戶端直接調用服務端的函數，把數據傳給服務端，服務器端處理完以后返回給客戶端，能夠實現數據同步，這在ECG數據傳輸中具有重要的意義。

WebSocket協議可以實現瀏覽器與服務器之間高效、有狀態的雙向通信，而且減少了Internet通信開銷。Websocket只需要一次HTTP握手，整個通信過程是建立在一次連接狀態中，服務器端會一直知道你的信息，直到關閉請求。服務器有信息的時候就會發送，即服務器端自動推送數據到客戶端，這對ECG實時波形的顯示具有重要意義，一旦心臟出現問題，客戶端就會及時發現波形的異常從而采取行動避免更壞的情況發生。

MongoDB是一個介于關系數據庫和非關系數據庫之間的數據庫系統，是一個高性能、開源、模式自由的文檔型數據庫。數據以文檔的形式保存，文檔實際上就是一個個JSON字符串，主流的計算機語言如Java、Python都對JSON有很好的支持，數據從MongoDB數據庫中讀取出來后，無需轉換可直接使用，極大提升程序員的開發效率。MongoDB 還提供了數據冗余、故障轉移、自動分片等功能。MongoDB支持分布式系統，隨著數據量的不斷增加便于擴展和集群，為Web應用提供可擴展的高性能數據存儲解決方案。

計算機應用系統中的數據庫設計相當重要, 它涉及到系統的效率,影響到整個系統的質量。Microsoft SQL Server具備完全Web支持，也具有在Internet上和防火墻外進行查詢的能力。本系統主要通過Microsoft SQL Server存儲用戶在互聯網醫院經過自助體檢、血常規檢驗和生化檢查后的各項體檢數據。Microsoft SQL Server支持數據交換的通用傳輸語法XML，提供備份、還原、復制和并發控制等通用服務，這樣用戶的XML數據不必“分解”成關系結構，也不會失去查詢XML結構的能力。

2 系統設計

系統構建的整體架構如圖1所示。受檢者在互聯網/社區醫院進行各種體檢化驗后的數據如身高、體重、血氧和血常規等檢驗數據，和本文設計的可穿戴式心電監測設備所測得的心電數據統一傳輸至中間件設備上，中間件進行所有體征數據的整合并通過無線傳輸協議轉發至云平臺和手機APP端，云平臺上的數據供醫生診斷并提出健康建議，用戶及授權的親屬可通過智能手機APP端查看自己和親屬的檢驗結果。

圖1 智能健康監測云平臺整體架構

Node中間件介于醫療設備資源與應用程序之間，完成設備與應用程序之間的數據轉發工作。中間件進行接口轉發，在轉發的過程中進行數據處理，而不用擔心數據返回的問題。瀏覽器端和Java端使用node.js作為中間件，Node調用Java后端發布的接口，同時Node可以發布HTTP接口給瀏覽器端調用。前后端分離，本地前端開發調用接口會有跨域問題。用node.js搭建本地HTTP服務器，并且判斷訪問接口URL時進行轉發，完美解決本地開發時候的跨域問題。中間件系統位于各類醫療硬件設備之上，能夠管理多個醫療設備，并負責協調設備資源的調度。同時中間件系統位于應用程序之下，可同時響應多個應用程序的調用請求，實現調用方對醫療設備的操作與健康監測數據的實時獲取，并且通過http/https通信技術的訪問方式可讓應用程序不受平臺的限制，能夠兼容各主流平臺如Windows和Android等。

2.1 實時心電監測儀硬件設計

由于心電信號具有近場檢測的特點，并且心電信號比較微弱屬于低頻信號，要想得到實時準確的心電數據，需要研究出更高效的硬件設備。本文設計了一種可穿戴式心電監測設備實現對心電信號的實時數據的長連接檢測。考慮到多導聯的臨床意義及動態心電圖在心血管疾病診斷中的應用治療方面，我們設計了六導聯實時心電監測儀，其采樣率為500 Hz。

該可穿戴式心電監測儀電路框圖如圖2所示，包括相互電性連接的信號采集模組(1)以及無線模組(2)。信號采集模組包括信號處理單元(3)、信號輸入接口(4)以及信號輸出接口(5)，其中信號處理單元包括EMI濾波器(6)、放大器(7)、調制器(8)以及低通數字濾波器(9)。無線模組包括MCU(10)，其只讀存儲器ROM(11)、靜態隨機存儲器SRAM(12)、藍牙模塊(13)、低功耗藍牙模塊(14)、供電模塊(15)。這款可穿戴式心電監測儀的開發用于捕獲心電圖信號，通過EMI濾波器對信號輸入接口輸入的心電信號進行濾波處理，有效提高了信號處理單元采集到的心電信號的準確性，便于信號處理單元將采集到的心電信號精細處理，也便于在無線模組中與微控制單元(Micro Control Unit，MCU)相連的藍牙模塊接入無線網絡，并且同時配有心電監測云平臺。

圖2 實時心電監測儀硬件電路框圖

圖3是當用戶佩戴上心電監測儀后信號采集模塊原理示意圖，搭配ADS1293模塊和MCU微處理單元，通過BT/BLE協議的方式對采集到的心電信號進行實時傳輸。ADS1293 特有3個能夠以高達 25.6 ksps 的速率工作的高分辨率通道,可單獨針對每個通道編程特定的采樣率和帶寬，從而使用戶能夠針對性能和功耗來優化配置。芯片內置抗電磁干擾(EMI) 輸入設計，極大擴展了采集心電數據的物理環境。ADS1293 包含便攜式、低功耗醫療和體育運動心電圖(ECG) 應用中通常所需要的全部特性。基于云存儲的遠程心電事件監護平臺，便于心電監護設備將心電數據及用戶信息實時進行遠程傳輸和管理。

圖3 心電信號采集模塊原理示意圖

2.2 云平臺軟件功能流程設計

本系統設計使用多服務器的分布式架構，各節點松耦合，對底層產品的可靠性、可用性依賴降低，可擴展性更好。尤其是隨著應用規模的擴大，邊際成本將更低。為解決熱部署資源浪費，靈活性差等的缺點，我們使用可擴展熱部署的方法，可以在不中斷Web服務器運行的情況下進行部署，極大提高了開發效率。本文設計的智能監護系統的主要功能有：實時接收監護數據、動態顯示數據、分析校驗數據的合法性、查詢歷史數據等功能模塊，并且可以根據正常范圍內的生命體征數據的標準參考值，對不同數據的測量結果給出一個綜合的健康狀況檢測報告。智能健康監測系統構建的流程圖如圖4所示。

圖4 智能健康監測系統程序流程圖

3 云平臺體系架構設計

該基于云計算的實時監護平臺架構如圖5所示。該體系結構建立在微服務和RPC思想之上，由10余個核心服務器組成，并主要使用go語言實現。云計算平臺體系結構主要由以下服務器組成：Load Balancecing，所有服務器必須首先連接到該服務器，并接受該服務器分派管理；System Monitor，監控系統運行狀態和各服務器調度；ECGAnalyzeGateway，進行ECG監護并存儲派發結果；ECGDataBaseGateway，采用大數據云平臺技術搭建的心電數據庫中心，提供CURD API(創建、更新、讀取、刪除四種操作的API)；UserDataBaseGateway，用戶信息數據庫中心，管理用戶信息、監護記錄等；WebServer，為信息視圖和ECG監護交互提供用戶網頁端前端請求；APPServer，為信息視圖和ECG監護交互提供用戶APP端前端請求；ECGPipeGateway，在前端實時顯示ECG波形；ECGDeviceGateway，接收心電設備的數據并進行派發，根據心電監護結果，按照預定的處理流程，處理相應的心電事件；ECGDataRouter，負責將心電數據派發給具體服務器，并將處理結果返回至請求者；APPGateway，Web網頁端和手機UI端請求的入口，接收用戶在前端提出的請求；MultipleLifeParameterCenter：存儲用戶在互聯網醫院進行各項體征檢查的數據。

圖5 云平臺體系架構

受檢者在互聯網醫院進行體檢、生化檢查和血常規檢查后，這些多維生命體征數據通過HTTP/HTTPS協議存儲在云平臺上的多生命參數中心。受檢者佩戴上可穿戴式心電監測儀后，心電信號可實時采集并通過藍牙傳輸至受檢者的手機端，之后通過RPC實時傳送到后臺服務器ECGDeviceGateway進行心電數據的接收和派發。心電數據通過NATS消息中間件訂閱-發布到ECGDataRouter服務器進行ECG數據的轉發，ECGAnalyzeGateway通過RPC的消息應答模式請求心電數據到ECGAnalyzServer進行心電監護分析，同時將分析后的結果進行反饋并提供給其他服務器使用。經過分析后的ECG數據通過NATS消息中間件到ECGPipeGateway服務器并通過WebSocket協議進行前端界面實時心電監護結果的顯示。分析后的數據也通過NATS消息中間件到ECGDataBaseGateway服務器存儲心電分析的結果。同時ECGDataBaseGateway和UserDataBaseGateway通過NATS消息中間件從APPGateway服務器訂閱用戶的前端操作。受檢者在網頁端和手機用戶端可進行查詢歷史數據、查看結果以及查看健康體檢報告等操作，這些在前端的請求操作都是通過HTTP/HTTPS協議分別發送至WebServer服務器和APPServer服務器，這些操作又都通過該協議發送至APPGateway服務器，在這里統一處理受檢者在前端的用戶請求并返回結果。

4 云平臺系統實現

系統設計完成后，對Web網頁平臺端和Android患者平臺端進行開發與調試，通過不斷驗證測試來優化完善平臺功能并分析其表現。可穿戴式無線心電監測儀能夠將采集到的心電信號實時通過藍牙協議傳輸至智能手機端和云平臺服務器端。該系統具有實時的心電數據采集和多生命體征數據信息化存儲及管理功能，能夠進行實時心電監護、自主體檢、生化檢查、血常規檢查等多維度生命體征數據監護。通過無線傳輸協議將這些采集到的體征數據傳輸至云平臺服務器，利用大數據云平臺技術存儲、分析、查詢，為用戶提供全面的智能檢測結果，為醫護人員評估用戶的健康狀況、發現疾病的早期癥狀提供強有力的依據。

4.1 Web網頁平臺端

本平臺基于物聯網思想構建，接入端采用藍牙和HTTP/HTTPS協議接入服務器集群，后端采用RPC+MQ模式構建數據傳遞服務集群，數據的持久化存儲采用MongoDB分布式數據庫集群與Microsoft SQL Server存儲相結合的方式，對心電數據的分析采用RPC+MongoDB的模式，Web網頁端是基于HTML5技術和WebSocket協議構建，支持實時和歷史心電數據查詢和波形顯示，以及結果的實時顯示和歷史查詢。受檢者佩戴便攜式無線心電監測儀后，心電信號會上傳至云平臺，所有功能都按預期設計的架構運作。該心電監測儀采集與云平臺監測系統同步，波形準確收集并平滑顯示，可持續24小時將心電數據傳輸到云平臺，能夠保證無線傳輸的實時性和可靠性，Web網頁端的實時心電監護如圖6所示。

圖6 Web網頁端心電實時監護頁面

4.2 Android患者平臺端

基于Java的Android APP端研發需要安裝 Java開發工具包JDK并進行相關環境配置，使用跨平臺的開發工具Eclipse和 Android SDK以及Android開發工具 ADT插件來完成整個APP的開發與測試。Android端研發結果示例如圖7-圖11所示。

對心臟患者來說，便攜式心電監護設備的數據傳輸至云平臺，進而連接到三甲醫院的醫生，可對患者的情況及時做出處理，使患者足不出戶就可得到正確且高效的治療水平，并且節省治療成本；對不宜頻繁去醫院就診的患者，更加凸顯便攜式心電監護設備的優勢所在；對綜合性醫院來說，不同研究水平的心臟疾病專家得到最大的利用效率，并且將心電疾病的診療分成“預防、治療、康復”幾個階段，最大化醫院資源的利用率。

圖7 Android端生理參數歷史記錄圖

圖8 Android端生理參數歷史記錄樣例圖(血壓、體重)

圖9 Android端體檢結果與健康指導示例圖

圖10 Android端心電實時監護圖

本文設計的基于云平臺的智能監測系統，實現了對慢性病監護流程的復現，實現了數據的集中和共享，減少了過去由于信息不能共享造成的院內、院際重復檢查、重復用藥等問題，直接減少了衛生資源的浪費，減少了患者進醫院看病的次數和時間，減輕了醫生的工作負擔，也在一定程度上減少了醫院的負荷。降低了社區-衛生服務中心開展心電檢查項目的成本，借助大醫院的專家資源，增加了社區衛生服務中心的醫療收入。促使了慢性病逐步成為醫生診療過程中不可缺少的一步，極大提高患者和醫生對慢病的接受度。

5 結 語

本文所設計的基于云計算的智能健康監測系統完成了對用戶的血壓、血氧、基礎代謝率、心電信號等生命體征數據的采集管理，尤其是對心電信號長時間實時采集，之后對該平臺上的生理體征數據進行分析評估，并結合智能算法給出相應的健康指導。該專業的“便攜式心電監測儀+檢化智能終端無線傳輸+云計算平臺”模式使得該系統能夠進一步走向家庭，對人體進行全方位健康監護。未來可以在目前研究的基礎上，通過長期數據的采集和積累，研究開發一種與潛在患病事件相關因素的風險預測功能，進一步擴大智能健康監測系統的應用領域，為慢性病防治提供科學有效的依據。