基于智慧医疗的智能化下肢康复系统研制及应用

高雨凡，郭杨，田晓会，唐修明，张玉凤

1 南京中医药大学护理学院，南京市，210023

2 南京中医药大学骨伤研究所，南京市，210023

3 南京中医药大学信息技术学院，南京市，210023

4 河海大学能源与电气学院，南京市，211100

5 南京中医药大学第二临床医学院，南京市，210023

0 引言

智慧医疗（Intelligent Medical Treatment）是当今社会的热点话题，现已成为构建医疗卫生服务和管理最优化的医疗体系[1]。它可以提高临床与管理工作效率，使区域医疗服务系统互联互通，做到“基层首诊、双向转诊、急慢分治、上下联动”的分级诊疗，优化医疗资源，完成“小病在社区，大病去医院，康复回社区”的诊疗模式，从而推进健康中国战略的实施[2-3]。

同时，在健康中国战略的推动下，康复事业蓬勃发展。现有的下肢康复器械虽具有一定的康复效果，但仍存在不足，难以在社区与家庭开展。其中，大型下肢康复器械以悬吊式下肢步行系统为主，其操作流程繁琐、移动不便且价格昂贵[4]。小型器械如布朗式架、CPM（Continues Passive Motion）机等，则存在精准度差、抬高角度灵活性差、运动频率难以控制等问题[5]。

基于上述下肢康复器械存在的缺点，在智慧医疗体系的驱动下，本团队在已有申请专利且具有确切临床疗效的医用可调式下肢抬高装置（专利号ZL201010523123.5）及智能可调式下肢抬高系统[5-8]（专利申请号201721023322.3）的基础上，优化升级，研发基于智慧医疗下的智能化下肢康复系统，以适应市场的需求。

1 系统总体框架

整个智能化下肢康复系统由用户、智能化下肢康复仪（以下简称“康复仪”）、智能客户端、数据库、医生读图端等几部分组成，如图1所示。康复仪通过蓝牙与智能客户端相连接，用户可通过智能客户端自主设定参数，进行功能锻炼。智能客户端可以进行实时数据采集，同时将数据通过Internet传输至远程数据库，医生端可通过访问数据库方式获取用户数据，进行专业康复数据分析，实时调整康复方案。

图1 系统总体框架示意图Fig.1 System overall frame diagram

1.1 机械设计

康复仪主要由机架系统、屈髋系统、屈膝系统、转踝系统和人机交互系统组成，如图2所示。机架系统与屈髋系统活动连接，屈髋系统与屈膝系统固定连接，屈膝系统与转踝系统连接，人机交互系统设于机架系统上。机械部分主要通过电源、推杆驱动电源、电动推杆等实现往复运动。控制部分通过对电动推杆进行控制，配合位置传感器，实现对运动机构速度、角度和运动行程控制。

图2 智能化下肢康复仪结构示意图Fig.2 The structure diagram of intelligent low limb rehabilitation instrument

1.2 软件构建

智能客户端是通过ETL方式或系统运行数据采集整理数据，为系统提供可靠的数据服务，如图3所示。通过MySQL等结构化数据库提供有效的数据管理。在数据层采用微服务设计模式，为每一种业务设计对应的模块，为用户提供理想的响应时间，建立数据分析、康复方案管理模块，结合辨证施护的思想，实现个性化的康复方案管理。通过计算相似度等基本运算，实现协同过滤、基于内容推荐等推荐算法，为用户提供适宜的知识推送。

图3 业务处理模式架构示意图Fig.3 Business processing mode architecture diagram

在业务层设计合理的数据筛选与处理功能，衔接用户请求与下层数据处理，确定最终向用户发送的数据；通过APP最终向用户呈现智能化下肢康复管理的不同功能模块。

2 智能客户端控制系统开发

该系统是基于Android开发技术开发，采用Java语言编写，利用Tomcat作为服务器，servlet作为处理用户请求响应的核心，较以前的动态网页制作技术有很大的不同，特别是对采用超文本传输协议（Hypertext Transfer Protocol, HTTP），提高性能，采用三层架构搭建的高质量、高保证、高安全和高速度的服务系统。

系统功能模块由远程控制、在线咨询、数据库管理等模块组成，如图4所示。Android客户端界面由蓝牙扫描控件、智能记忆显示窗口等组成；医师读图端由在线答疑模块窗口、用户使用记录数据查看窗口组成。

图4 系统模块示意图Fig.4 System module diagram

2.1 用户端设计

2.1.1 远程控制模块

此板块是康复仪的核心功能，该模块各功能的实现均利用Java语言。通过创建用户端Android应用程序、服务器端数据库，设置好网络环境，仪器内置入SIM卡，采用低功耗蓝牙4.0传输数据，实现康复仪的远程控制。当用户使用时，系统与康复仪相连，进入模块界面自主设置治疗方案的各个参数，如屈髋、屈膝角度及转踝方向和角度，设置康复时间，服务器通过调用相关模块发送相应指令，并在接收到响应反馈后按照用户设置好的参数和时间对康复仪作出相应的调整。

2.1.2 知识推送模块

此模块与数据库相结合，交互了解用户的康复情况，建立信息关联，运用物联网技术和协同过滤算法中的基于项目的协同算法（Item-based Collaborative Filtering Algorithms），根据用户病情及浏览、收藏记录，精准分析用户喜好，确定用户兴趣点，向用户推荐相关知识，满足不同用户的需求。

2.1.3 信息管理模块

通过结构化查询语言（Structured Query Language, SQL）基于MySQL等结构化开发平台建立数据库，并进行数据收集与管理。将数据库分设为管理员模式与普通用户模式。用户通过注册登录界面将自己的信息写入数据库，此后将自己的编号作为关键字或码键（Key）查询自己的康复方案。管理员依托此模块，为患者建立个人康复信息管理，提供康复数据分析；为医生提供康复资料制定个性化方案；智能采集数据为科研提供数据支持。

2.1.4 交流论坛模块

此模块利用物联网技术（Internet of Tings）设计建立医患之间的康复交流平台。在该模块，用户可提交关于康复方面的问题，附上相应图片，与医护专家团队进行线上交流。专家可根据用户提供的内容进行分析，提供专业准确的康复指导。该模块的设计可减少距离医疗机构较远的用户入院排队等候及来往医院花费的时间和成本，是建立患者与康复团队长期沟通的有效方法。

2.2 医师客户端设计

该模块基于Android平台编写医师平台客户端界面，利用Java语言实现socket网络编程，创建两个客户端模块：在线答疑模块、用户使用记录数据查看模块；医师通过在线答疑模块对患者提出康复疑问进行解答，分析用户提供的信息以及用户使用康复的记录，结合自身的专业技能为用户提供合理的个性化康复方案。

2.3 数据库管理模块

该模块由用户信息数据库、康复仪数据库、使用记录数据库、康复方案数据库、康复知识数据库、医师信息数据库以及系统运行日志组成，通过MySQL等结构化数据库对其中的数据进行有效管理。

其中用户信息数据库数据由用户注册后提交，用户可通过客户端对其数据进行修改或添加。康复仪数据库数据由仪器开发者提供编程人员输入。使用记录数据库用于实际记录用户对仪器的使用情况，当用户或医护人员需要时，可以通过医师端查看使用记录数据分析表，了解用户的具体康复情况。康复方案数据库由用户与专业康复团队进行交流后获得的个性化康复方案组成，用户进入客户端后服务器会将相应的康复方案发送到客户端，以供用户再次进行康复时使用；康复知识数据库数据由后台维护人员进行输入和更新，系统通过协同过滤推荐算法分析用户的使用喜好，向用户推荐符合用户需求的保健知识，以供用户阅读浏览。医师信息数据库由康复团队各医师的基本信息组成，通过医师端可修改或删除自己的信息，用户可以查看医生信息。

3 动力元件的选型

根据康复仪的总体规划，所有的动力元件均可以采用统一标准的推杆电机。因此，选择推杆电机技术参数如下：电机驱动：永磁式24 VDC直流电机；最大推/拉力：400 kg/400 kg符合设计要求；行程：10 mm；最小安装尺寸：屈髋、屈膝部分为L=S（行程）+100 mm（推杆完全收回时电机两端长度）、转踝部分为L=S（行程）+190 mm（外加一段辅助推杆）+100 mm（推杆完全收回时电机两端长度）；空载速度：最大100 mm/s；环境温度：-26℃～+84℃；保护等级：IP65；低噪音设计：噪音等级低于42 dB；配有线手控板。

4 临床应用情况

南京中医药大学附属医院骨伤科2017年9月-2018年9月，共34例膝关节置换术后患者接受本康复仪的下肢功能锻炼，结果显示：功能锻炼2周后患肢肿胀评分(P＜0.000 1)及VAS评分(P＜0.000 1)均显著降低，见表1。

表1 患者抬高患肢锻炼前后患肢肿胀评分及VAS评分比较（n=34, x ± s）Tab.1 Changes of limb swelling score and VAS score with TKA treatment (n=34, x±s)

5 结论

随着移动互联网技术、大数据应用以及智慧医疗等新技术的不断发展与融合，我国医疗体制以及医疗资源分配越来越趋于合理化、优质化。本文结合当下热点，对下肢康复训练和智慧医疗体系进行有机结合，采用可穿戴嵌入式设备、通过低功耗蓝牙4.0与手机终端通信，并将收集到的信息实时反馈医生端，初步研发此套完整的康复系统，以满足家庭、医院、康复科研机构等诸多场所的需求，具有广阔的市场前景[9]。