數字化疾病預防與康復區域平臺的設計與應用

沈定東，朱汝君，吳雅麗

天津圖靈健康醫療大數據有限公司，天津 301700

引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對于健康生活有了更高的追求。目前，國內的醫療行業還不能滿足現階段人們的需求，存在資源匱乏和分布不均衡等問題[1]。以中風康復為例，患者有效的康復過程，不僅依靠于低成本獲得的康復器械和陪護人員的護理知識，更多的是來自大醫院資深醫生結合患者的實際情況給予的康復指導。因此，結合互聯網信息管理，打破時間和空間的限制，這對患者的康復具有重要的現實意義[2]。患者可以根據康復區域平臺，通過互聯網實現各大醫院資深醫生的在線問診，并根據當地的醫療條件與醫療資源制定相應的康復建議，解決醫療資源匱乏和分布均衡的問題[3]。通過構建數字化疾病預防與康復區域系統，可實現在線溝通、康復過程中患者的資料管理以及遠程的信息交流。通過數字化疾病的預防，可提高康復過程中醫療資源的獲取效率，有效降低康復成本。

林楓等[4]為了對康復服務進行優化，結合《國際功能，殘疾和健康分類（ICF）》，提出了一種基于互聯網平臺的康復醫學信息化服務管理平臺，首先通過對康復專科業務的邏輯特征進行分析，提出康復服務的優化建議，通過康復醫學信息化服務管理平臺在實際康復醫學中的應用，基于互聯網平臺相關技術對該管理平臺的有效性進行驗證，結果表明，該平臺可以有效提高康復醫學的專業服務效率，實現醫療和教學一體化的管理，有效對康復服務進行優化，但是在功能上無法滿足用戶需求。李新平等[5]為了落實數字化康復診療的流程，提出了一種基于ICF的康復診療信息管理平臺，該平臺主要從康復診療的信息入手，構建康復診療的數字化流程，通過標準化數據落實康復診療的規范流程，使其滿足現階段臨床要求。通過構建的康復診療信息管理平臺，實現各個區域內康復診療數據的共享，研究結果表明，該平臺可以提高康復診療的數據收集和分析能力，加快數字化康復診療流程的落實，但是性能較差。基于以上研究背景，本研究設計一種數字化疾病預防與康復區域平臺，以滿足患者的需求。

1 數字化疾病預防與康復區域平臺硬件設計

1.1 平臺架構

在進行數字化疾病預防與康復區域平臺架構設計的過程中，首先要考慮的是平臺的響應速率，通過加入緩存提高平臺響應效率是必要的手段之一。數字化疾病預防與康復區域平臺的數據庫需要進行頻繁的訪問，因此在數據的處理訪問過程中會十分耗時，面對變化頻率不是很高和數據實時性同步不高的訪問來講，可以通過緩存來減少數據庫搜索的時間，降低數據庫查詢的時間[6-7]。但是緩存會占用平臺的內存，因此在對平臺架構設計的過程中，需要加入一個單獨的緩存服務器來實現常用數據的緩存[8-9]。

數字化疾病預防與康復區域平臺架構的緩存工具一般采用Memcache和Redis，這二者之間的功能性差異并不大，相對于Redis的多功能存儲來講，Memcache只能進行簡單的存儲。平臺架構的復雜操作都要依賴于Redis，通過緩存內存器[10-11]，提高平臺架構的整體運行效率。當平臺架構的緩存達到一定容量后，可以對緩存服務器進行擴展，考慮到平臺架構的設計成本，僅使用1臺Redis服務器。數字化疾病預防與康復區域平臺架構如圖1所示。

圖1 數字化疾病預防與康復區域平臺架構

平臺架構需要存儲的數據主要有患者的康復文件和機構化數據，機構化數據主要通過MySQL進行儲存[12-13]。康復文件內包括視頻文件，數據量較大，直接存儲在本地服務器上不利于平臺架構的管理，進行云儲存的成本較高，因此采用開源分布式文件構建視頻文件服務器。

1.2 平臺功能服務器

數字化疾病預防與康復區域平臺功能服務器的設計初衷是以用戶需求為基礎的服務項目，其次是實現語言恢復和社交康復的過程，通過對平臺功能服務器的設計，使康復過程具有趣味性，通過數字化操作簡化訓練的過程。根據疾病患者的康復需求，確定服務器的各個功能模塊[14]。數字化疾病預防與康復區域平臺功能分解結構如圖2所示。

圖2 數字化疾病預防與康復區域平臺功能分解結構

根據平臺功能分解結構可以發現，平臺的必備功能是調節功能和控制功能，不需要進行特殊的設計研究，因為是設計基本的必備功能，所以在平臺功能服務器的設計過程中可以不考慮。

2 數字化疾病預防與康復區域平臺軟件設計

2.1 分析用戶需求

采用層次分析法對康復用戶進行需求分析，構建數字化疾病預防與康復區域平臺的層次分析模型[15]。將康復用戶的需求信息作為準則層，采用調查問卷等進行用戶需求初始數據的收集，用戶的需求因素如圖3所示。

圖3 用戶需求因素

在對康復用戶的每個需求因素進行評價打分時，首先對同一層次的需求因素進行對比，找出更為重要的需求因素，然后對康復用戶的需求因素進行逐層校驗，直到找到用戶的需求。具體步驟如下。

（1）確定康復用戶的需求。根據準則層的組成情況，確定康復用戶基本需求要素，見公式（1）。

式中，Bw表示康復用戶的需求因素集，Sa表示康復用戶的需求因素權重值，fb表示康復用戶需求因素變化幅值，φ表示需求閾值。

（2）構建康復用戶的需求因素判斷矩陣。假設，康復用戶的需求因素i與因素j的比對結果為mij，那么康復用戶需求因素判斷矩陣如式（2）所示。

（3）計算一致性指標（Consistency Index，CI）。對矩陣W內的每個需求因素進行校驗，得到gij，見式（3）；再對gij進行校驗分析，得到g，見式（4）；然后按照公式（4），對所有的用戶需求因素進行校驗分析，得到矩陣W的最大特征根λmax，見式（5），式中，gW表示g與矩陣W相乘，N為階數；最后求得康復用的校驗指標CI，見式（6）。

（4）最終求得判斷矩陣的一致性比率（Consistent Ratio，CR），見式（7）。

式中，RI為一致性校驗指標均值。

當求得的用戶需求校驗性指標CR≤0.10時，可以判斷出此時求得的用戶需求因素的偏離程度在允許范圍內；當求得的用戶需求一致性校驗指標CR＞0.10時，此時求得的用戶需求校驗指標不滿足要求，需要對該指標重新進行校驗分析，直到滿足條件為止。

2.2 制定平臺設計方案

基 于 功 能、 行 為、 結 構（Function，Behavior，Structure，FBS）模型制定數字化疾病預防與康復區域平臺的設計方案，主要是從康復用戶的需求入手，根據需求因素確定方案的輸出，并根據康復用戶的需求因素設計約束條件，從抽象到具體，從局部到全局對康復區域進行逐層求解[16]。在設計的初期階段，對于康復用戶的需求制定相應的功能，推導出整個產品在使用過程中存在的各種缺陷，并有針對性地進行優化，使產品更加人性化。通過FBS的逐層求解，使設計方案更加合理化。

通過不斷推理與驗證，最終基于FBS模型制定的平臺設計方案從用戶的需求入手，確定最終功能方案，根據需求的不同構建方案之間的評價關系。對于不合理的地方重新修改方案，合理的地方方案確定。根據康復用戶的行為對方案進行評價分析，能夠滿足用戶的基本功能需求，對于不滿足的地方重新設計[17]。根據結構進行方案設計的過程中，不能滿足方案實施的結構需及時進行修改，直到滿足結構方案的設計要求。通過分析用戶需求，制定了數字化疾病預防與康復區域平臺設計方案，實現了平臺的軟件設計，具體過程如圖4所示。

圖4 數字化疾病預防與康復區域平臺設計方案制定流程

3 平臺測試分析

3.1 測試環境

為了驗證本研究所設計的數字化疾病預防與康復區域平臺在功能和性能方面是否滿足設計要求，布署了系統測試環境，具體如下：2臺型號為PLC_FG3_6A2的遠程終端控制器、1臺型號為QLM21_P32的交換機、1臺型號為LC3460_S2的服務器、若干個網絡控制終端，分別配置不同版本的軟件功能。

3.2 設置測試參數

在測試環境的支撐下，設置的測試參數如表1所示。

表1 測試參數

3.3 功能測試

在平臺的功能測試中，利用每一個功能內部的測試部分測試系統的功能，記錄每個測試項目的內容與結果，具體測試結果如表2所示。從表2的功能測試結果可以看出，數字化疾病預防與康復區域系統的各項功能都可以滿足用戶需求。

表2 平臺功能測試結果

3.4 性能測試

在平臺的性能測試中，以平臺響應時間和鏈路占有率為評價指標，其中鏈路占有率計算公式如式（8）所示。

其中，n表示數據傳輸的路由節點數量，Mi表示沒有分配任務的路由節點數量，m表示平臺中的路由總數，Dj表示參與平臺數據傳輸的路由節點。

為了突出本研究所設計平臺的優越性，引入基于《國際功能、殘疾和健康分類（ICF）》的平臺和基于ICF的平臺作對比，得到平臺響應時間測試結果如圖5所示。

圖5 平臺響應時間測試結果

從圖5的結果可以看出，在18個平臺響應時間周期內，基于《國際功能、殘疾和健康分類（ICF）》的平臺和基于ICF的平臺在運行時的響應時間較長，在20～30 s之間；而采用本研究所設計的數字化疾病預防與康復區域平臺時，響應時間在10 s以內，可以有效避免平臺出現延遲現象，大大縮短了系統的響應時間，并且整個實驗測試過程中，系統的響應時間波動比較小，說明本研究所設計的平臺具有更好的性能。

平臺的鏈路占有率測試結果如圖6所示。根據圖6的結果可以看出，在平臺的鏈路占有率方面，基于《國際功能、殘疾和健康分類（ICF）》的平臺和基于ICF的平臺得到的結果都低于60%；而采用本研究所設計的數字化疾病預防與康復區域平臺時，鏈路占有率在90%以上，說明本研究所設計平臺的鏈路占有率滿足用戶對平臺的性能需求。

圖6 平臺的鏈路占有率測試結果

4 應用分析

在理論思路的指導下，數字化疾病預防與康復區域平臺在百余家醫院臨床應用的心血管疾病預防與康復智能信息化集成平臺基礎上，建立信息化與智能化程度更高、管理病種更多以及服務人群更廣的區域化應用平臺。運用“互聯網+”、大數據、人工智能、物聯網、5G通信、整合醫學康復體系等關鍵技術，搭建區域中心醫院-社區/鄉鎮醫院-村衛生站-居家區域醫聯體/醫共體網絡，建立院內院外/線上線下/三甲社區一體化的“三位一體”醫療照護機制、分層分級管理體系和數據共享平臺，實現分級診療、慢病管理、遠程診療、人工智能輔助決策、互聯網醫院、專科康復治療及醫療質控和大數據分析，對患者和亞健康人群進行全程疾病預防與康復管理和服務，提高人民群眾的生活質量和健康水平。

2020年7月，某市中醫藥大學附屬中醫院開展心臟康復項目，參照國家心血管病預防與康復的相關標準搭建了心臟康復體系化智能化集成平臺。通過引進數字化疾病預防與康復區域平臺，整合心血管疾病大數據人工智能技術、醫學心臟康復體系，并結合了智能機器人與心肺評估系列設備及運動訓練康復設備，提高了科室診療技術與水平，從而形成一套科學、合理、高效的心血管診療康復方案。平臺投入使用的過程中，鏈路占有率通常保持在88%～94%，響應時間基本維持在4～9 s，符合預期的應用要求。該平臺的應用使得醫療大數據分析的水平得到提升，進而有利于降低醫療費用、提升經濟效益。

5 討論與總結

本研究進行了數字化疾病預防與康復區域平臺的設計與應用，通過數字化疾病預防，提高康復過程中醫療資源的獲取效率，有效降低康復成本。根據數字疾病與預防康復區域平臺的體系結構，設計了平臺的功能服務器，并完成了平臺的硬件設計；在平臺的軟件設計中，采用層次分析法分析了用戶對平臺的需求。通過制定數字疾病預防與康復區域平臺的設計方案，實現了數字疾病與預防康復區域平臺的設計。

與已有的相關學者提出的康復醫療信息服務管理平臺相比，本研究所設計的數字化疾病預防與康復區域平臺以用戶需求為導向，制定并調整平臺設計方案，從而更好地滿足患者用戶的需求。并且，所設計平臺考慮響應速率，通過添加緩存服務器來提升平臺的性能，縮短了響應時間，提高鏈路占有率。性能測試與應用分析說明了該平臺具有很高的可行性與可靠性，能夠為疾病預防與康復治療的數字化水平提升提供參考，為患者提供疾病預防與康復的管理服務，進而提高群眾的健康水平。