脑波交互设备智能开放服务平台设计与实现

孙浩 向林俊 鲁芳怡 王树雅 顾亚玲

（1.徐州医科大学医学信息与工程学院 江苏省徐州市 221004）（2.徐州医科大学药学院 江苏省徐州市 221004 3.徐州医科大学护理学院 江苏省徐州市 221004）（4.徐州医科大学第一临床学院 江苏省徐州市 221004）

进入二十一世纪以来，人体疾病愈来愈多样化、复杂化，并且大量集中在中老年人群。随着社会老年化进程的不断加快，老年患者数也在逐年递增，阿尔兹海默症等脑部认知功能障碍类疾病[1]，由于人们专业知识的缺乏，以及各类相关检查费用相对昂贵，常常面临着预防难、就医难的困境[2]。

脑电图（Electroencephalogram, EEG）反映了神经的电活动并且具有很高的时间分辨率。脑电信号中具有大量、复杂的数据，包含丰富的人体生理与病理信息，如何对这些数据进行特征提取，实现可视化操作是目前亟待解决的问题[3]。

自2020 年以来，人类在世界范围内遭受新冠肺炎疫情的冲击，社会的医疗资源面临了极大的挑战，伴随科技的发展和疫情的持续，许多网络问诊平台得到关注[4]。在此种种社会背景下，本文结合脑机接口与医疗健康系统平台，设计实现脑波交互设备智能开放服务平台。

1 需求分析

本文以阿尔兹海默症患者及其家属需求为目标，进行平台系统的需求调研和分析，对平台的功能提出要求。

1.1 平台定位

平台以公益性为中心，普及疾病知识为主，加入筛查和设备连接等功能，提供基于神经心理学的量表诊断[5]，解决诊断确认流程复杂、就医难等问题。

1.2 用户分析

根据社会需求和相关权限及安全问题，可将网站用户分为三类：

（1）普通用户：普通用户需要通过注册登录进入网站，能够进行量表初步筛查诊断并上传脑电信号数据，通过专家问诊的进一步筛查。

（2）专家用户：专家用户通过平台提供的账号登录后能够在线实时接取挂号进行问诊，并可查询脑电信号数据库，根据患者脑电信号作进一步判断。

（3）管理员用户：管理员可以修改、删除、查询用户信息，管理专家信息。

2 平台框架与功能模块设计

2.1 平台总体框架和体系结构设计

本平台采用三层架构，以Layui 框架为基础，进行构建开发。采用MVC 分层结构，将用户界面、控制界面、服务界面分割开来，在降低耦合性的同时，也在一定程度上增加本服务平台的安全性[6]。

在体系结构上，本平台采用B/S 结构，其结构框架如图1 所示。

图1： 脑波交互设备智能开放服务平台的体系结构

本平台根据要实现的不同功能进行模块划分，主要的功能模块如下：

（1）平台注册登录管理模块；

（2）平台健康自检模块；

（3）平台专家问诊模块；

（4）平台用户管理模块。

2.2 平台登陆注册管理模块

在登陆界面会对用户身份进行区分，分为普通用户登陆、专家用户登录和管理员登陆。已注册的用户可根据自己的用户名和密码直接登陆，未注册的用户则需点击注册账户按键进行注册操作。进入zhuceServlet 页面，本页面主要涵盖了：数据格式的验证和注册逻辑的实现。具体表现在：注册已有名称时或在进行确认密码输入的操作过程中，如果两次输入密码不同时，会给出错误信息。

2.3 健康自检模块

本模块主要以神经心理量表为标准，对用户记忆、定向能力、思维、语言、计算能力、情感和人格等功能进行评估。模块内容主要为改良的简易精神状态检查和延长延迟回忆法[7]，通过MMSE 结合系列七减法、汉密尔顿抑郁量表[8]进行多维度检测，为临床心理学诊断、治疗以及神经心理学的研究提供科学依据。

将MMSE 与长时延迟回忆联合，此方法对MCI 等认知疾病的敏感性高达96.2%[7]。本模块能精准实现用户需求，较为全面、准确、迅速地反映用户智力状态及认知功能缺损程度。

2.4 专家问诊模块

普通用户可以通过查询当前专家空闲状态进行挂号，实现在线问诊；专家用户在接收挂号时还可通过访问脑电信号数据库，查询患者的脑电信号数据，并据此进行进一步判断筛查。

2.5 用户管理模块

只有管理员用户才具有该模块的操作权，该模块是在管理员主页面中实现的，在本模块中可以直接对用户信息进行操作，如增加新用户、删除已有用户、查找用户信息、修改更新用户资料等，也可以对推送文章、疾病数据进行操作。在本模块中,管理员用户的操作会对数据库内的数据产生直接影响。

2.6 数据库设计

本网站的数据库需要分角色进行设计，在此基础上，本站主要实体类为Admin、Expert 和User 三大类。针对管理员用户与专家用户，由于其权限问题，所以只需自身相关账号信息的设置；而对普通用户来说，数据库中要包含内容相较管理员要多，他的账号信息、个人信息都需要设置。

根据脑波交互设备智能开放服务平台的需求，需要创建一个服务平台的数据库，新建s_user、s_expert、s_admin、userinfo 等表。s_admin 表用来存储管理员的用户名、账户和密码等相关信息，为登录提供后台数据；s_expert 表用于存储专家的用户名、账户、身份识别；s_user 表用于存储用户的用户名、账户、身份识别码和密码等，s_userinfo 表用来存储用户信息，这两张表为用户相关表，用于用户登陆注册以及数据的提交。

3 平台具体实现

3.1 配置与部署

本平台主要是进行Java WEB 系统开发，使用Eclipse IDE 对本系统进行开发设计。开发过程中以Layui 框架为基础界面框架，充分运用AJAX、jQuery、servlet 等javaWEB 基础技术、动态网页技术，使用DIV+CSS 网页布局，搭建实现一个B/S 结构的服务平台。用户可使用IE 8.0 以上版本进行访问。本文选用的是Google Chrome 浏览器。

3.2 登陆注册模块

3.2.1 登陆界面

当用户使用本平台时，首先会先进入LoginServlet.java 文件中，使用getRequest 方法转入Login.jsp 页面，在这个文件里一方面本平台可以对页面进行布局，另一方面，可以接收用户的输入和操作。

该页面主要实行两个方法：登陆login()和注册zhuce()，这里的登陆方法本平台使用了Ajax 技术。

3.2.2 注册界面

单击注册账号后会转入zhuceServlet 文件，同样getRequest 方法转入zhuce.jsp 页面，注册过程中会调用CheckZhuCeServlet 文件进行校验。满足包括二次密码验证和数据库回滚查无重复等相关的注册逻辑规范方可成功注册，否则就会注册失败。

3.4 健康自测模块

健康自检模块采用了MMSE+长时延迟回忆法，评估组成分为MMSE测试结果与长时延迟回忆测试结果，MMSE 测试法对用户以下方面进行测试：对时间的认知能力，对地点的认知能力，即刻记忆能力，注意力及计算能力，近期记忆能力，语言表达能力，观察能力。长时延迟回忆法则对用户的学习回忆能力，语义串连能力，瞬时回忆能力，长延迟回忆能力等进行测试。

用户做答时，平台会通过用户选择数据的迭代处理不断动态优化评估内容，直至用户获得契合的评估内容，能够尽最大努力减小用户选择与评估结果的匹配误差。用户做答后，平台通过判断用户是否能正确反应进行选择给出分数，答题最后按得分按钮查看总分，用户的用户得分对应病情状况如表1 所示：

表1： 评分参考表

图2 是健康自检——测试模块。

图2： 测试模块

3.5 专家问诊模块

在本模块，用户可以通过查看专家在线状态，选择专家进行挂号，进行网上问诊。用户亦可上传本人脑电信号数据至系统脑电信号数据库，专家可以通过自身权限实时调用脑电信号数据作为问诊参考依据。如图3 所示。

图3： 资料提交板块

3.6 用户管理模块

该模块主要为管理员主页面功能，分为用户列表和增加用户两个界面，在用户列表界面，可以对用户各项信息进行编辑、修改、删除，在增加用户界面可直接创建新的普通用户。

4 结束语

近年来，随着“互联网+医疗”概念的兴起[9]，人们对于网上看病、网上体检需求也越来越高，本平台聚焦阿尔兹海默症等脑部认知功能障碍类疾病的治疗与预防，进行脑波交互设备智能开放服务平台的设计与实现，通过MMSE 等工具对此类脑部认知功能障碍类疾病进行初步筛查与知识普及。在患者足不出户的同时通过线上网络平台实现自我初步筛查，避免了昂贵的费用与繁琐的筛查步骤，为阿尔兹海默症患者提供福音，并希望通过知识普及的方式让越来越多的人关注到阿尔兹海默症，关注到阿尔兹海默症患者，为我国医疗行业的发展提供助力。