周深，李嬌，喻洪流,3，倪偉

1.上海理工大學(xué)醫(yī)療器械與食品學(xué)院康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海市 200093；2.上?？祻?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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海市 200093

近年來(lái)，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(yùn)而生。當(dāng)前康復(fù)設(shè)備主要通過(guò)康復(fù)設(shè)備管理系統(tǒng)與人進(jìn)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(hù)人員只能通過(guò)本地客戶端軟件控制康復(fù)設(shè)備、查詢康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)[3]，這給康復(fù)醫(yī)生查詢訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行療效評(píng)估、醫(yī)患之間信息交流及設(shè)備管理員及時(shí)獲悉設(shè)備異常進(jìn)行維護(hù)帶來(lái)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(jì)與實(shí)現(xiàn)，采用B/S 架構(gòu)[4]，通過(guò)該系統(tǒng)，康復(fù)設(shè)備可將患者的康復(fù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳入云端數(shù)據(jù)庫(kù)，醫(yī)生可隨時(shí)隨地通過(guò)瀏覽器獲取患者康復(fù)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的結(jié)果評(píng)估和康復(fù)處方的更新；患者可通過(guò)此系統(tǒng)查看自己的康復(fù)訓(xùn)練記錄和醫(yī)生下達(dá)的康復(fù)訓(xùn)練處方，并可隨時(shí)與醫(yī)生進(jìn)行在線溝通交流；設(shè)備管理員也可借助此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)康復(fù)設(shè)備的監(jiān)控和管理，及時(shí)獲悉設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，便于設(shè)備的維護(hù)和更新。

此外，該平臺(tái)也為遠(yuǎn)程醫(yī)療康復(fù)提供了可能。相對(duì)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(dú)立于它們的位置工作。這使得康復(fù)設(shè)備可以遠(yuǎn)程進(jìn)行治療，而不需要在康復(fù)過(guò)程中有專家在場(chǎng)[5]。

1 總體框架設(shè)計(jì)

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(guò)制定通信協(xié)議，以JSON[8]數(shù)據(jù)格式為載體進(jìn)行雙方的數(shù)據(jù)交換；服務(wù)器層主要利用MVC[9]設(shè)計(jì)模式和J2EE 技術(shù)，采用當(dāng)前流行的Web 框架SSM[10]設(shè)計(jì)，由MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；用戶訪問(wèn)層采用JSP 技術(shù)，結(jié)合JavaScript、Ajax[11]實(shí)現(xiàn)前后臺(tái)動(dòng)態(tài)交互，通過(guò)CSS 定義頁(yè)面布局，運(yùn)用Bootstrap、HighCharts 等框架技術(shù)進(jìn)行頁(yè)面美化設(shè)計(jì)。

2 設(shè)備通信層設(shè)計(jì)

本文的康復(fù)設(shè)備指中央驅(qū)動(dòng)式上肢康復(fù)機(jī)器人[12](圖2)。該機(jī)器人是由上海理工大學(xué)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(gè)性化訓(xùn)練方案，在三維空間里幫助患者完成主、被動(dòng)模式下的單關(guān)節(jié)或多關(guān)節(jié)復(fù)合的功能訓(xùn)練。

圖1 云平臺(tái)架構(gòu)

圖2 中央驅(qū)動(dòng)式上肢康復(fù)機(jī)器人

圖3 所示上肢康復(fù)機(jī)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(dú)立設(shè)計(jì)。在機(jī)器人輔助訓(xùn)練過(guò)程中，設(shè)備將自身狀態(tài)信息和患者訓(xùn)練過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一定的封裝處理，通過(guò)內(nèi)置無(wú)線模塊與外界相連以實(shí)現(xiàn)通信。

康復(fù)設(shè)備要想實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信，除了實(shí)現(xiàn)以上設(shè)備端設(shè)計(jì)外，還需要提供智能網(wǎng)關(guān)作為設(shè)備與平臺(tái)服務(wù)器通信的橋梁，設(shè)備采集的數(shù)據(jù)通過(guò)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(shí)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(shí)需要RTthread 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[13]與lwip 協(xié)議棧共同實(shí)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(guò)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(guò)Socket套接字實(shí)現(xiàn)接收服務(wù)器下發(fā)的指令。

3 服務(wù)器層設(shè)計(jì)

選取當(dāng)前最流行MVC 業(yè)務(wù)框架SSM[10]進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，Spring 作為容器負(fù)責(zé)實(shí)例化bean 以及管理業(yè)務(wù)組件，SpringMVC[15]負(fù)責(zé)攔截用戶請(qǐng)求，并匹配控制器執(zhí)行相關(guān)業(yè)務(wù)返回JSP頁(yè)面給前端，Mybatis主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)業(yè)務(wù)[16]。

圖3 中央驅(qū)動(dòng)式上肢康復(fù)機(jī)器人主控制系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)持久化層設(shè)計(jì)

3.1.1實(shí)體類設(shè)計(jì)

實(shí)體類是JAVA 語(yǔ)言中的一個(gè)類，這個(gè)類與普通意義上的類不同，它代表的是一個(gè)實(shí)體，實(shí)體類通常與數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)系在一起，所謂的實(shí)體即數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)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(guò)對(duì)他們權(quán)限及業(yè)務(wù)的分析，考慮Java 語(yǔ)言中繼承關(guān)系[17]可知，本平臺(tái)主要涉及的用戶實(shí)體類有用戶(User)、醫(yī)生(Doctor)、患者(Patient)、平臺(tái)管理員(PlatformAdministrator)，用戶業(yè)務(wù)實(shí)體類有設(shè)備(Equipment)、設(shè)備數(shù)據(jù)(Equipment Data)、訓(xùn)練計(jì)劃(RehabPlan)、康復(fù)處方(Prescription)、訓(xùn)練報(bào)告(Report)等。經(jīng)過(guò)功能需求分析得到實(shí)體類UML[18]類圖。見圖4。

3.1.2數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

從以上UML 類圖看出，圖中實(shí)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(duì)多的關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)備管理員與設(shè)備之間為一對(duì)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(xùn)練報(bào)告之間為一對(duì)多的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過(guò)以上分析，在SQLyog 中操作數(shù)據(jù)庫(kù)建表，相互關(guān)聯(lián)的表通過(guò)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(jì)

在SSM 框架實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)中，業(yè)務(wù)邏輯層由SpringMVC 來(lái)實(shí)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(fù)責(zé)接收前端請(qǐng)求和將請(qǐng)求結(jié)果響應(yīng)給視圖界面；Model即模型層，此處將其細(xì)分為Service、DAO 以及數(shù)據(jù)表對(duì)應(yīng)的Ja?vaBean三個(gè)部分，每個(gè)部分實(shí)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(duì)請(qǐng)求的功能需求進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)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(guò)ViewResolver 對(duì)象將最終結(jié)果返回給前端界面進(jìn)行渲染并展示[20]。

3.3 設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)

圖4 平臺(tái)實(shí)體UML類圖

該系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)康復(fù)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，包括用戶界面控制指令實(shí)時(shí)下發(fā)操控設(shè)備，以及設(shè)備狀態(tài)信息實(shí)時(shí)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)并在前端展示。設(shè)備與平臺(tái)服務(wù)器端通信需制定相應(yīng)的請(qǐng)求報(bào)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(yuǎn)程控制指令是通過(guò)HTTP 協(xié)議和Socket[7]通信實(shí)現(xiàn)的。對(duì)指令報(bào)文以JSON 形式進(jìn)行封裝，考慮到上傳信息和遠(yuǎn)程控制指令的安全性和準(zhǔn)確性，對(duì)報(bào)文做如下設(shè)計(jì)：指令報(bào)文包括三部分信息，分別是設(shè)備編號(hào)(equID)、控制指令(command)和數(shù)據(jù)內(nèi)容(data)。equID 用來(lái)讓服務(wù)器識(shí)別該數(shù)據(jù)由哪個(gè)設(shè)備上傳和讓設(shè)備識(shí)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(dòng)作變換；data 是設(shè)備上傳數(shù)據(jù)時(shí)的具體數(shù)據(jù)報(bào)文，也可以是一個(gè)JSON 文本?？刂浦噶頙SON 報(bào)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(guò)程中，服務(wù)器端通過(guò)updateEquipmentData()方法接收來(lái)自設(shè)備上傳的JSON 數(shù)據(jù)，通過(guò)轉(zhuǎn)化為Equipment 對(duì)象，將相應(yīng)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，醫(yī)生可在前端頁(yè)面獲取此信息。在設(shè)備指令下發(fā)過(guò)程中，服務(wù)器端通過(guò)sendEquipmentCommand()方法接收前端頁(yè)面提交的控制指令，并按以上定義好的指令報(bào)文形式封裝成JSON 格式，通過(guò)Socket 獲取字節(jié)輸出流的OutputStream 對(duì)象，再獲取打印流PrintWriter 對(duì)象，通過(guò)打印流PrintWriter 對(duì)象將其通過(guò)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(dòng)作命令。

4 用戶訪問(wèn)層設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)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(wèn)未登錄時(shí)的所有資源，其他4 類用戶通過(guò)賬號(hào)登錄進(jìn)入個(gè)人中心，個(gè)人中心展示了該類角色可訪問(wèn)的所有資源。

平臺(tái)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(gè)人中心、患者管理、設(shè)備管理、工作安排、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和站內(nèi)信息，醫(yī)生可對(duì)自己的患者進(jìn)行相關(guān)操作，如查看患者信息、制定康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃、進(jìn)行在線康復(fù)訓(xùn)練和制定康復(fù)評(píng)估報(bào)告等。患者登錄到患者中心后的界面如圖5(c)所示，包含個(gè)人中心、醫(yī)療狀況、訓(xùn)練計(jì)劃、康復(fù)狀況和站內(nèi)信息，可查看醫(yī)生制定的訓(xùn)練計(jì)劃及完成情況，進(jìn)行自我康復(fù)評(píng)定，查看階段性康復(fù)訓(xùn)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(gè)人中心、設(shè)備管理等菜單，可查看設(shè)備運(yùn)行期的相關(guān)信息，可對(duì)有異常狀態(tài)的設(shè)備進(jìn)行鎖定等操作。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)

本節(jié)將對(duì)平臺(tái)進(jìn)行有效性和可靠性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，主要介紹對(duì)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的測(cè)試。

圖5 平臺(tái)部分頁(yè)面展示

首先，將該系統(tǒng)進(jìn)行本地項(xiàng)目打包部署到公網(wǎng)服務(wù)器上，通過(guò)登陸自定義的域名便可訪問(wèn)該平臺(tái)，系統(tǒng)默認(rèn)給定有醫(yī)生、患者、康復(fù)治療師三個(gè)測(cè)試賬號(hào)進(jìn)行測(cè)試，用戶也可以自行注冊(cè)體驗(yàn)對(duì)應(yīng)角色功能。在此，我們通過(guò)給定的醫(yī)生測(cè)試賬號(hào)進(jìn)行登陸后，點(diǎn)擊制定康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃菜單，選定該醫(yī)生對(duì)應(yīng)的患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練計(jì)劃制定；點(diǎn)擊“完成”后，服務(wù)器把該計(jì)劃下發(fā)至設(shè)備進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練；在訓(xùn)練過(guò)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(jìn)行保存，同時(shí)界面每秒從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取一條記錄進(jìn)行展示。其實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示如圖5 f 所示。通過(guò)對(duì)比其實(shí)時(shí)展示圖及狀態(tài)標(biāo)識(shí)和設(shè)備的狀態(tài)可知，二者之間存在一致性，動(dòng)態(tài)曲線圖平均響應(yīng)時(shí)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(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)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(jì)與實(shí)現(xiàn)具有可行性，通過(guò)本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)康復(fù)設(shè)備及時(shí)、準(zhǔn)確、有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)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(yè)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(guò)將設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，各用戶可隨時(shí)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(lái)了更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。應(yīng)用測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是有效和可行的。