腦波交互設(shè)備智能開(kāi)放服務(wù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫浩 向林俊 魯芳怡 王樹(shù)雅 顧亞玲

（1.徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息與工程學(xué)院 江蘇省徐州市 221004）（2.徐州醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院 江蘇省徐州市 221004 3.徐州醫(yī)科大學(xué)護(hù)理學(xué)院 江蘇省徐州市 221004）（4.徐州醫(yī)科大學(xué)第一臨床學(xué)院 江蘇省徐州市 221004）

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，人體疾病愈來(lái)愈多樣化、復(fù)雜化，并且大量集中在中老年人群。隨著社會(huì)老年化進(jìn)程的不斷加快，老年患者數(shù)也在逐年遞增，阿爾茲海默癥等腦部認(rèn)知功能障礙類疾病[1]，由于人們專業(yè)知識(shí)的缺乏，以及各類相關(guān)檢查費(fèi)用相對(duì)昂貴，常常面臨著預(yù)防難、就醫(yī)難的困境[2]。

腦電圖（Electroencephalogram, EEG）反映了神經(jīng)的電活動(dòng)并且具有很高的時(shí)間分辨率。腦電信號(hào)中具有大量、復(fù)雜的數(shù)據(jù)，包含豐富的人體生理與病理信息，如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，實(shí)現(xiàn)可視化操作是目前亟待解決的問(wèn)題[3]。

自2020 年以來(lái)，人類在世界范圍內(nèi)遭受新冠肺炎疫情的沖擊，社會(huì)的醫(yī)療資源面臨了極大的挑戰(zhàn)，伴隨科技的發(fā)展和疫情的持續(xù)，許多網(wǎng)絡(luò)問(wèn)診平臺(tái)得到關(guān)注[4]。在此種種社會(huì)背景下，本文結(jié)合腦機(jī)接口與醫(yī)療健康系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)腦波交互設(shè)備智能開(kāi)放服務(wù)平臺(tái)。

1 需求分析

本文以阿爾茲海默癥患者及其家屬需求為目標(biāo)，進(jìn)行平臺(tái)系統(tǒng)的需求調(diào)研和分析，對(duì)平臺(tái)的功能提出要求。

1.1 平臺(tái)定位

平臺(tái)以公益性為中心，普及疾病知識(shí)為主，加入篩查和設(shè)備連接等功能，提供基于神經(jīng)心理學(xué)的量表診斷[5]，解決診斷確認(rèn)流程復(fù)雜、就醫(yī)難等問(wèn)題。

1.2 用戶分析

根據(jù)社會(huì)需求和相關(guān)權(quán)限及安全問(wèn)題，可將網(wǎng)站用戶分為三類：

（1）普通用戶：普通用戶需要通過(guò)注冊(cè)登錄進(jìn)入網(wǎng)站，能夠進(jìn)行量表初步篩查診斷并上傳腦電信號(hào)數(shù)據(jù)，通過(guò)專家問(wèn)診的進(jìn)一步篩查。

（2）專家用戶：專家用戶通過(guò)平臺(tái)提供的賬號(hào)登錄后能夠在線實(shí)時(shí)接取掛號(hào)進(jìn)行問(wèn)診，并可查詢腦電信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)患者腦電信號(hào)作進(jìn)一步判斷。

（3）管理員用戶：管理員可以修改、刪除、查詢用戶信息，管理專家信息。

2 平臺(tái)框架與功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)總體框架和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本平臺(tái)采用三層架構(gòu)，以Layui 框架為基礎(chǔ)，進(jìn)行構(gòu)建開(kāi)發(fā)。采用MVC 分層結(jié)構(gòu)，將用戶界面、控制界面、服務(wù)界面分割開(kāi)來(lái)，在降低耦合性的同時(shí)，也在一定程度上增加本服務(wù)平臺(tái)的安全性[6]。

在體系結(jié)構(gòu)上，本平臺(tái)采用B/S 結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1： 腦波交互設(shè)備智能開(kāi)放服務(wù)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)

本平臺(tái)根據(jù)要實(shí)現(xiàn)的不同功能進(jìn)行模塊劃分，主要的功能模塊如下：

（1）平臺(tái)注冊(cè)登錄管理模塊；

（2）平臺(tái)健康自檢模塊；

（3）平臺(tái)專家問(wèn)診模塊；

（4）平臺(tái)用戶管理模塊。

2.2 平臺(tái)登陸注冊(cè)管理模塊

在登陸界面會(huì)對(duì)用戶身份進(jìn)行區(qū)分，分為普通用戶登陸、專家用戶登錄和管理員登陸。已注冊(cè)的用戶可根據(jù)自己的用戶名和密碼直接登陸，未注冊(cè)的用戶則需點(diǎn)擊注冊(cè)賬戶按鍵進(jìn)行注冊(cè)操作。進(jìn)入zhuceServlet 頁(yè)面，本頁(yè)面主要涵蓋了：數(shù)據(jù)格式的驗(yàn)證和注冊(cè)邏輯的實(shí)現(xiàn)。具體表現(xiàn)在：注冊(cè)已有名稱時(shí)或在進(jìn)行確認(rèn)密碼輸入的操作過(guò)程中，如果兩次輸入密碼不同時(shí)，會(huì)給出錯(cuò)誤信息。

2.3 健康自檢模塊

本模塊主要以神經(jīng)心理量表為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)用戶記憶、定向能力、思維、語(yǔ)言、計(jì)算能力、情感和人格等功能進(jìn)行評(píng)估。模塊內(nèi)容主要為改良的簡(jiǎn)易精神狀態(tài)檢查和延長(zhǎng)延遲回憶法[7]，通過(guò)MMSE 結(jié)合系列七減法、漢密爾頓抑郁量表[8]進(jìn)行多維度檢測(cè)，為臨床心理學(xué)診斷、治療以及神經(jīng)心理學(xué)的研究提供科學(xué)依據(jù)。

將MMSE 與長(zhǎng)時(shí)延遲回憶聯(lián)合，此方法對(duì)MCI 等認(rèn)知疾病的敏感性高達(dá)96.2%[7]。本模塊能精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)用戶需求，較為全面、準(zhǔn)確、迅速地反映用戶智力狀態(tài)及認(rèn)知功能缺損程度。

2.4 專家問(wèn)診模塊

普通用戶可以通過(guò)查詢當(dāng)前專家空閑狀態(tài)進(jìn)行掛號(hào)，實(shí)現(xiàn)在線問(wèn)診；專家用戶在接收掛號(hào)時(shí)還可通過(guò)訪問(wèn)腦電信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，查詢患者的腦電信號(hào)數(shù)據(jù)，并據(jù)此進(jìn)行進(jìn)一步判斷篩查。

2.5 用戶管理模塊

只有管理員用戶才具有該模塊的操作權(quán)，該模塊是在管理員主頁(yè)面中實(shí)現(xiàn)的，在本模塊中可以直接對(duì)用戶信息進(jìn)行操作，如增加新用戶、刪除已有用戶、查找用戶信息、修改更新用戶資料等，也可以對(duì)推送文章、疾病數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。在本模塊中,管理員用戶的操作會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生直接影響。

2.6 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本網(wǎng)站的數(shù)據(jù)庫(kù)需要分角色進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，本站主要實(shí)體類為Admin、Expert 和User 三大類。針對(duì)管理員用戶與專家用戶，由于其權(quán)限問(wèn)題，所以只需自身相關(guān)賬號(hào)信息的設(shè)置；而對(duì)普通用戶來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)庫(kù)中要包含內(nèi)容相較管理員要多，他的賬號(hào)信息、個(gè)人信息都需要設(shè)置。

根據(jù)腦波交互設(shè)備智能開(kāi)放服務(wù)平臺(tái)的需求，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)服務(wù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)，新建s_user、s_expert、s_admin、userinfo 等表。s_admin 表用來(lái)存儲(chǔ)管理員的用戶名、賬戶和密碼等相關(guān)信息，為登錄提供后臺(tái)數(shù)據(jù)；s_expert 表用于存儲(chǔ)專家的用戶名、賬戶、身份識(shí)別；s_user 表用于存儲(chǔ)用戶的用戶名、賬戶、身份識(shí)別碼和密碼等，s_userinfo 表用來(lái)存儲(chǔ)用戶信息，這兩張表為用戶相關(guān)表，用于用戶登陸注冊(cè)以及數(shù)據(jù)的提交。

3 平臺(tái)具體實(shí)現(xiàn)

3.1 配置與部署

本平臺(tái)主要是進(jìn)行Java WEB 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，使用Eclipse IDE 對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。開(kāi)發(fā)過(guò)程中以Layui 框架為基礎(chǔ)界面框架，充分運(yùn)用AJAX、jQuery、servlet 等javaWEB 基礎(chǔ)技術(shù)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)，使用DIV+CSS 網(wǎng)頁(yè)布局，搭建實(shí)現(xiàn)一個(gè)B/S 結(jié)構(gòu)的服務(wù)平臺(tái)。用戶可使用IE 8.0 以上版本進(jìn)行訪問(wèn)。本文選用的是Google Chrome 瀏覽器。

3.2 登陸注冊(cè)模塊

3.2.1 登陸界面

當(dāng)用戶使用本平臺(tái)時(shí)，首先會(huì)先進(jìn)入LoginServlet.java 文件中，使用getRequest 方法轉(zhuǎn)入Login.jsp 頁(yè)面，在這個(gè)文件里一方面本平臺(tái)可以對(duì)頁(yè)面進(jìn)行布局，另一方面，可以接收用戶的輸入和操作。

該頁(yè)面主要實(shí)行兩個(gè)方法：登陸login()和注冊(cè)zhuce()，這里的登陸方法本平臺(tái)使用了Ajax 技術(shù)。

3.2.2 注冊(cè)界面

單擊注冊(cè)賬號(hào)后會(huì)轉(zhuǎn)入zhuceServlet 文件，同樣getRequest 方法轉(zhuǎn)入zhuce.jsp 頁(yè)面，注冊(cè)過(guò)程中會(huì)調(diào)用CheckZhuCeServlet 文件進(jìn)行校驗(yàn)。滿足包括二次密碼驗(yàn)證和數(shù)據(jù)庫(kù)回滾查無(wú)重復(fù)等相關(guān)的注冊(cè)邏輯規(guī)范方可成功注冊(cè)，否則就會(huì)注冊(cè)失敗。

3.4 健康自測(cè)模塊

健康自檢模塊采用了MMSE+長(zhǎng)時(shí)延遲回憶法，評(píng)估組成分為MMSE測(cè)試結(jié)果與長(zhǎng)時(shí)延遲回憶測(cè)試結(jié)果，MMSE 測(cè)試法對(duì)用戶以下方面進(jìn)行測(cè)試：對(duì)時(shí)間的認(rèn)知能力，對(duì)地點(diǎn)的認(rèn)知能力，即刻記憶能力，注意力及計(jì)算能力，近期記憶能力，語(yǔ)言表達(dá)能力，觀察能力。長(zhǎng)時(shí)延遲回憶法則對(duì)用戶的學(xué)習(xí)回憶能力，語(yǔ)義串連能力，瞬時(shí)回憶能力，長(zhǎng)延遲回憶能力等進(jìn)行測(cè)試。

用戶做答時(shí)，平臺(tái)會(huì)通過(guò)用戶選擇數(shù)據(jù)的迭代處理不斷動(dòng)態(tài)優(yōu)化評(píng)估內(nèi)容，直至用戶獲得契合的評(píng)估內(nèi)容，能夠盡最大努力減小用戶選擇與評(píng)估結(jié)果的匹配誤差。用戶做答后，平臺(tái)通過(guò)判斷用戶是否能正確反應(yīng)進(jìn)行選擇給出分?jǐn)?shù)，答題最后按得分按鈕查看總分，用戶的用戶得分對(duì)應(yīng)病情狀況如表1 所示：

表1： 評(píng)分參考表

圖2 是健康自檢——測(cè)試模塊。

圖2： 測(cè)試模塊

3.5 專家問(wèn)診模塊

在本模塊，用戶可以通過(guò)查看專家在線狀態(tài)，選擇專家進(jìn)行掛號(hào)，進(jìn)行網(wǎng)上問(wèn)診。用戶亦可上傳本人腦電信號(hào)數(shù)據(jù)至系統(tǒng)腦電信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，專家可以通過(guò)自身權(quán)限實(shí)時(shí)調(diào)用腦電信號(hào)數(shù)據(jù)作為問(wèn)診參考依據(jù)。如圖3 所示。

圖3： 資料提交板塊

3.6 用戶管理模塊

該模塊主要為管理員主頁(yè)面功能，分為用戶列表和增加用戶兩個(gè)界面，在用戶列表界面，可以對(duì)用戶各項(xiàng)信息進(jìn)行編輯、修改、刪除，在增加用戶界面可直接創(chuàng)建新的普通用戶。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”概念的興起[9]，人們對(duì)于網(wǎng)上看病、網(wǎng)上體檢需求也越來(lái)越高，本平臺(tái)聚焦阿爾茲海默癥等腦部認(rèn)知功能障礙類疾病的治療與預(yù)防，進(jìn)行腦波交互設(shè)備智能開(kāi)放服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過(guò)MMSE 等工具對(duì)此類腦部認(rèn)知功能障礙類疾病進(jìn)行初步篩查與知識(shí)普及。在患者足不出戶的同時(shí)通過(guò)線上網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自我初步篩查，避免了昂貴的費(fèi)用與繁瑣的篩查步驟，為阿爾茲海默癥患者提供福音，并希望通過(guò)知識(shí)普及的方式讓越來(lái)越多的人關(guān)注到阿爾茲海默癥，關(guān)注到阿爾茲海默癥患者，為我國(guó)醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展提供助力。