基于云平臺(tái)和微信小程序的慢性呼吸疾病遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)

姜麗，王辰碩，李玥琪，孫杰，杜利東，陳賢祥，方震

1.中國科學(xué)院 空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué) a.傳感器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.空天信息創(chuàng)新研究院，北京 100190；3.傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北方基地，北京 100190

引言

慢性呼吸疾病作為全球四大慢病之一[1]，對我國居民健康造成重大危害，在中國居民主要死因中慢性呼吸疾病位居第3位，且患病人數(shù)在增高，可見我國慢性呼吸疾病防控形勢十分嚴(yán)峻[2-3]。基于慢性呼吸疾病遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，做好早期干預(yù)和長期監(jiān)測，已成為病情防控的關(guān)鍵措施之一[4-5]。

在互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展背景下，醫(yī)療行業(yè)也迎來了新的發(fā)展機(jī)遇，“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”為傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)提供了一種新的發(fā)展途徑[6]。歐盟研發(fā)的WELCOME項(xiàng)目[7]用智能傳感背心監(jiān)測慢阻肺指標(biāo)參數(shù)；中國健康云[8]整合了業(yè)內(nèi)健康管理慢病評估系統(tǒng)及遠(yuǎn)程可穿戴式健康監(jiān)測設(shè)備，搭建疾病預(yù)測模型預(yù)估慢性病患病風(fēng)險(xiǎn)。

基于云平臺(tái)和智能手機(jī)的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)已取得一些成果，但仍存在一些問題：① 監(jiān)測平臺(tái)在多參數(shù)集成、跨平臺(tái)和及時(shí)性方面有提升空間；② 醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全性至關(guān)重要[9]，存儲(chǔ)環(huán)節(jié)在數(shù)據(jù)防丟失、接收多源數(shù)據(jù)方面有提升空間。

針對這些問題，本文開發(fā)了基于云平臺(tái)和微信小程序的慢性呼吸疾病遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)有如下改進(jìn)：① 針對醫(yī)療數(shù)據(jù)可能丟失和存在數(shù)據(jù)安全性問題，運(yùn)用傳統(tǒng)穩(wěn)定的MySQL數(shù)據(jù)庫和安全可靠的阿里云服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與及時(shí)備份，以防數(shù)據(jù)丟失，提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性；② 針對目前移動(dòng)醫(yī)療平臺(tái)接入設(shè)備和監(jiān)測數(shù)據(jù)種類比較單一的問題，本文開發(fā)的系統(tǒng)融合注冊登記數(shù)據(jù)、便攜式呼氣末二氧化碳、血氧與肺功能集成監(jiān)測數(shù)據(jù)、用戶自主報(bào)告數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，引入專業(yè)醫(yī)護(hù)團(tuán)隊(duì)在線診斷與監(jiān)管，提高病癥干預(yù)與防治的準(zhǔn)確性。

1 原理與方法

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

基于云平臺(tái)和微信小程序的慢性呼吸疾病遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括三大部分：便攜式多參數(shù)肺功能儀、云平臺(tái)、微信小程序。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

患者在日常生活中可以隨時(shí)隨地使用移動(dòng)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行肺功能參數(shù)的監(jiān)測，通過藍(lán)牙技術(shù)傳給移動(dòng)終端，移動(dòng)終端將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器[10]，服務(wù)器將收到的肺功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫。醫(yī)生通過平臺(tái)瀏覽患者的數(shù)據(jù)，患者可以預(yù)約醫(yī)生在線溝通病情，醫(yī)生根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與患者的自我描述給出專業(yè)診斷[11]，及時(shí)調(diào)整治療方案，最終使醫(yī)生對患者病情的診斷與把控更加及時(shí)、準(zhǔn)確，縮短患者就醫(yī)周期，幫助改善慢性呼吸疾病患者的院外管理水平。

系統(tǒng)工作流程（圖2）分為10個(gè)步驟：① 患者使用便攜式肺功能儀采集PEF、FVC、FEV1、FEV1/FVC等多項(xiàng)生理參數(shù)，通過低功耗無線藍(lán)牙技術(shù)傳給移動(dòng)終端；② 移動(dòng)終端將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)展示在液晶屏幕上；③ 每隔2 s將數(shù)據(jù)打包成JSON格式通過WiFi發(fā)送給云服務(wù)器；④ 云服務(wù)器調(diào)用API接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫，通過阿里云數(shù)據(jù)庫備份機(jī)制及時(shí)備份數(shù)據(jù)；⑤ 數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)給平臺(tái)進(jìn)行可視化展示；⑥ 患者登錄云平臺(tái)瀏覽自己的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，也可預(yù)約醫(yī)生在線溝通病情；⑦ 醫(yī)生根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與患者的自我描述給出專業(yè)診斷、及時(shí)調(diào)整治療方案[11]；⑧ 云服務(wù)器將診斷結(jié)果存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫；⑨ 云服務(wù)器向微信小程序發(fā)送最新診斷結(jié)果；⑩ 患者接收到微信小程序提醒，及時(shí)、便捷地瀏覽在線就醫(yī)結(jié)果。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

1.2 便攜式多參數(shù)肺功能儀對接接口設(shè)計(jì)

圖3 設(shè)備接口功能及參數(shù)整合方式圖

表1 設(shè)備接口功能及參數(shù)整合方式標(biāo)

1.3 云服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

云服務(wù)器軟件具備存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、備份數(shù)據(jù)、推送診斷通知等功能，包含四個(gè)部分：Web API接口、數(shù)據(jù)庫、云平臺(tái)、推送微信小程序通知。

各部分的作用為：① 向后兼容的Web API提供對外開放接口，統(tǒng)一管理外部訪問數(shù)據(jù)庫資源；② 數(shù)據(jù)庫存放用戶信息、研究價(jià)值極高的醫(yī)療數(shù)據(jù)、醫(yī)生診斷結(jié)果；③ 云平臺(tái)提供人員管理、設(shè)備管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、醫(yī)患在線交流等服務(wù)；④ 醫(yī)生提交專業(yè)診斷后，系統(tǒng)將診斷結(jié)果推送至微信小程序，供患者查看。

1.3.1 Web API

系統(tǒng)通過Web API接口來統(tǒng)一管理訪問數(shù)據(jù)庫資源的操作。開發(fā)技術(shù)方面：① 采用JSON格式傳輸數(shù)據(jù)以達(dá)到響應(yīng)速度快、兼容性廣泛、共享能力強(qiáng)、服務(wù)器解析速度快的目標(biāo)；② 采用Java語言和SSM框架（SpringMVC+Spring+Mybatis）來構(gòu)建Web API接口，以支持動(dòng)態(tài)SQL，方便模塊間解耦，簡化開發(fā)；③ 采用TCP協(xié)議確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹12]；④ 采用HHTPS對數(shù)據(jù)加密，以確保接口通訊的數(shù)據(jù)安全性。

根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)了Web API（表2），每個(gè)Web API都分配了唯一URL。

表2 服務(wù)器Web API接口

1.3.2 數(shù)據(jù)庫

由于健康醫(yī)療大數(shù)據(jù)的特殊性，醫(yī)療數(shù)據(jù)具有豐富的種類，存儲(chǔ)形式多樣[13]，且要求具有非常高的安全性，對于數(shù)據(jù)丟失是零容忍的[14]。為此Karamjit等[15]根據(jù)醫(yī)療數(shù)據(jù)的種類不同將數(shù)據(jù)庫劃分為：① 以PostgreSQL為代表的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，存放結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；② 以MongoDB為代表的非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，存放非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如文檔等；③ 以Neo4j為代表的圖形數(shù)據(jù)庫，存放圖像數(shù)據(jù)，如醫(yī)療影像等。

其次，農(nóng)村社會(huì)化服務(wù)體系不完善。東營市農(nóng)村社會(huì)化服務(wù)體系不完善，信息化建設(shè)相對滯后，難以及時(shí)提供必要的技術(shù)指導(dǎo)和市場信息。

根據(jù)系統(tǒng)采集的參數(shù)具備結(jié)構(gòu)化特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)醫(yī)療數(shù)據(jù)的融合，采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL來存放數(shù)據(jù)。基于此，開發(fā)了慢性呼吸疾病遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫（圖4），為后續(xù)多源醫(yī)療數(shù)據(jù)的高效挖掘奠定基礎(chǔ)。

圖4 數(shù)據(jù)庫圖

MySQL數(shù)據(jù)庫具備原子性、一致性、隔離性、持久性（ACDI）屬性[16]，能確保存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的安全性。技術(shù)上：① 采用Ajax技術(shù)實(shí)現(xiàn)Web頁面和服務(wù)器之間異步傳輸數(shù)據(jù)；② 采用bootstraptable技術(shù)簡化網(wǎng)頁端的數(shù)據(jù)表格功能開發(fā)；③ docker容器化部署，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的高移植性。

1.3.3 微信小程序

微信小程序具備不占用系統(tǒng)內(nèi)存、無需安裝用完即關(guān)的優(yōu)勢，帶給用戶良好的體驗(yàn)，研制的系統(tǒng)通過微信小程序服務(wù)為患者病情管理提供新的途徑。研制的微信小程序使用WXML、WXSS設(shè)計(jì)UI樣式，通過JavaScript實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理和與服務(wù)器交互，以JSON格式傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)微信端的身份認(rèn)證[17]、消息及時(shí)推送、查看歷史數(shù)據(jù)等功能[18]，具體交互過程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)交互圖

1.3.4 數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)

研制的數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)的主要功能模塊如圖6所示，包含人員管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、預(yù)約診斷、對外接口五大模塊。人員管理主要處理用戶的權(quán)限、基本信息；設(shè)備管理主要處理接入到平臺(tái)的設(shè)備及其信息；數(shù)據(jù)管理主要承擔(dān)監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、可視化；預(yù)約診斷主要處理醫(yī)患遠(yuǎn)程交流、在線就醫(yī)；對外接口主要處理數(shù)據(jù)的傳輸和查詢、用戶賬號的認(rèn)證和管理。

圖6 數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)主要功能模塊圖

2 結(jié)果與分析

2.1 多參數(shù)肺功能儀數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證云端服務(wù)器接收便攜式多參數(shù)肺功能儀數(shù)據(jù)的可靠性，進(jìn)行了PetCO2、SpO2、用力肺功能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)（圖7），實(shí)驗(yàn)證明，設(shè)備數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器功能一切正常，證明了云服務(wù)器接收便攜式多參數(shù)肺功能儀數(shù)據(jù)的可靠性。

2.2 云平臺(tái)功能可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證云平臺(tái)功能可靠性，患者生理參數(shù)經(jīng)由便攜式多參數(shù)肺功能儀實(shí)時(shí)上傳服務(wù)器（圖7），服務(wù)器調(diào)用API將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫，云平臺(tái)可在線查看患者PetCO2、SpO2實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)（圖8a），原始用力肺功能實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)（圖 8b），PetCO2、SpO2歷史數(shù)據(jù)（圖8c），原始用力肺功能歷史數(shù)據(jù)（圖8d），患者還可以預(yù)約在職醫(yī)生（圖8e），醫(yī)生可以查看預(yù)約名單、根據(jù)預(yù)約者的監(jiān)測數(shù)據(jù)和初步分類結(jié)果作出專業(yè)診斷（圖8f）。

圖7 設(shè)備數(shù)據(jù)上傳服務(wù)器結(jié)果圖

圖8 平臺(tái)功能可靠性驗(yàn)證

2.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和對比

本文的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)階段已初步實(shí)現(xiàn)，為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，將系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)到云數(shù)據(jù)庫的生理健康參數(shù)，與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分別采集30組數(shù)據(jù)對比分析：① 與飛利浦脈搏血氧儀SpO2的誤差對比；② 與飛利浦脈搏血氧儀PR的誤差對比；③ 與飛利浦偉康PetCO2的誤差對比；④ 用力肺功能流速測試值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差對比；⑤ 用力肺功能容積測試值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差對比。此外，用JMeter壓力測試工具測試了本文的幾個(gè)重要接口，得出關(guān)鍵數(shù)據(jù)交互接口的平均響應(yīng)時(shí)間。

表3展示了本系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)到云數(shù)據(jù)庫的SpO2、PR、PetCO2數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備值的對比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出平均誤差百分比[（實(shí)測值-標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備值）/標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備值，下文的計(jì)算方法相同]，表中誤差均符合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的誤差要求[19-20]。

表3 本系統(tǒng)測量值與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備值對比

表4是用力肺功能流速測試結(jié)果，選取0、±4、±8、±12七組值（單位：L/s）進(jìn)行正反向流速測試，表4中展示了流速測試實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的對比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出平均誤差百分比。標(biāo)準(zhǔn)值為+12 L/s時(shí)，測試所得的誤差達(dá)到最大值+3.3%，標(biāo)準(zhǔn)值為-8 L/s時(shí)，測試所得的誤差達(dá)到最小值-0.8%。依據(jù)國際肺功能測試標(biāo)準(zhǔn)[21]，表4的誤差均符合±5%的國際用力肺功能流速誤差標(biāo)準(zhǔn)。

表4 用力肺功能流速測試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表 5是用力肺功能容積測試結(jié)果，選取 1、2、3、4、5、6、7、8八組值（單位：L）進(jìn)行容積測試，表5中展示了容積測試實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)值的對比統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并計(jì)算出平均誤差百分比。標(biāo)準(zhǔn)值為8 L時(shí)，測試所得的誤差達(dá)到最大值-2.5%，標(biāo)準(zhǔn)值為3 L時(shí)，測試所得的誤差達(dá)到最小值-0.4%。依據(jù)國際肺功能測試標(biāo)準(zhǔn)[21]，表5的誤差均符合±3%的國際用力肺功能容積誤差標(biāo)準(zhǔn)。

表5 用力肺功能容積測試統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

圖9展示了系統(tǒng)關(guān)鍵接口在各種線程數(shù)下的平均響應(yīng)時(shí)間（單位：ms），接口1是集成SpO2、PetCO2、PR參數(shù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口，接口2是用力肺功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口。依據(jù)響應(yīng)時(shí)間的2-5-8評判原則[22]，當(dāng)響應(yīng)時(shí)間在2 s以內(nèi)時(shí)，用戶會(huì)覺得系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快。圖9測試結(jié)果表明在多線程并發(fā)情況下，系統(tǒng)關(guān)鍵接口的平均響應(yīng)時(shí)間均在0.2 s以內(nèi)，可以看出本文的關(guān)鍵接口響應(yīng)時(shí)間短，響應(yīng)速度快。

圖9 關(guān)鍵接口的平均響應(yīng)時(shí)間

3 討論與總結(jié)

相較于目前市面上的慢性呼吸疾病遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)還存在諸多問題，如接入的便攜式肺功能評估設(shè)備測量參數(shù)不多，測量精度存在劣勢[23]，平臺(tái)存儲(chǔ)的醫(yī)療數(shù)據(jù)可能丟失和存在數(shù)據(jù)安全性問題[14]，本文分別從以下方面做出改進(jìn)，助力改善慢性呼吸疾病患者院外管理水平。

首先在測量參數(shù)方面，平臺(tái)可以接入多種便攜式監(jiān)測設(shè)備，可采集SpO2、PR、PetCO2、用力肺功能（PEF、FVC、FEV1、FEF25和FEF75）等多項(xiàng)健康參數(shù)，并編寫對外開放API接口，將數(shù)據(jù)分類上傳至云端服務(wù)器。

其次在系統(tǒng)性能方面，將采集并存儲(chǔ)到云端數(shù)據(jù)庫中的SpO2、PR、PetCO2的測量值，與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備值進(jìn)行對比，實(shí)測值的誤差符合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備的誤差標(biāo)準(zhǔn)；肺功能的流速測量誤差最大為+3.3%，容積測量誤差最大為-2.5%，符合國際用力肺功能測試誤差標(biāo)準(zhǔn)[21]。然后在接口響應(yīng)時(shí)間方面，對系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵接口進(jìn)行壓力測試，平均響應(yīng)時(shí)間均在0.2 s以內(nèi)，響應(yīng)時(shí)間短，響應(yīng)速度快。

最后在醫(yī)療數(shù)據(jù)可能丟失和存在數(shù)據(jù)安全性問題上，運(yùn)用傳統(tǒng)穩(wěn)定的MySQL數(shù)據(jù)庫和安全可靠的阿里云服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與及時(shí)備份，以防數(shù)據(jù)丟失，提升系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性[24]。

總的來說，本文開發(fā)的系統(tǒng)通過實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的便攜式多參數(shù)肺功能儀采集患者的多項(xiàng)生理健康數(shù)據(jù)，經(jīng)由API接口將數(shù)據(jù)存入云端服務(wù)器建立檔案并及時(shí)備份，以防數(shù)據(jù)丟失[24]，平臺(tái)提供人員管理、設(shè)備管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、醫(yī)患在線交流等多項(xiàng)服務(wù)，微信小程序及時(shí)推送最新醫(yī)生專業(yè)診斷與診療建議。系統(tǒng)可以為醫(yī)患在線交流和慢性呼吸疾病的院外管理提供多參數(shù)、高性能、響應(yīng)快的技術(shù)手段，有助于改善慢性呼吸疾病患者院外管理水平。但由于目前系統(tǒng)接入的都是實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的設(shè)備，后續(xù)還可以增加市場上流行的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測設(shè)備如智能手環(huán)等，兼容用戶各種來源的健康醫(yī)療數(shù)據(jù)，做到全方位、不間斷地遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，讓更多患者感受到智慧醫(yī)療帶來的便捷。