移动电子健康应用程序开发的未来：探索情境感知的HTML5糖尿病监测应用外文翻译资料

 2022-05-21 22:16:59

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移动电子健康应用程序开发的未来：探索情境感知的HTML5糖尿病监测应用

Davy Preuveneers , Yolande Berbers , Wouter Joosen

iMinds-DistriNet, KU Leuven, 3001 Leuven, Belgium

摘要

根据Gartner等信息技术研究咨询公司的预测，混合HTML5应用将成为移动应用开发的未来。在本文中，我们探讨了使用HTML5技术和相关Web应用程序标准开发移动电子医疗应用程序的可行性，并将糖尿病监测应用作为实际使用案例来介绍。情境感知能力和通过平行坐标实现的多元数据可视化技术用于决策支持是此移动电子医疗应用程序的关键。我们将比较混合HTML5应用与原生移动应用程序的优缺点，并报告应用程序开发和使用的实际经验。我们的实验表明，开发出具有相当先进的情境感知能力的移动应用程序的开发人员肯定可以从HTML5应用程序可跨不同移动平台的可移植特性中受益。然而，与原生应用程序相比，他们也应该知道混合HTML5应用的一些不足，例如安全存储问题，移动平台上JavaScript业务逻辑的性能损失以及不太友好的用户体验。

1．介绍

随着患者人数的增加，医疗保健和福利体系的压力将越来越大。因此，医疗保健学科的许多研究计划和多学科研究领域都在关注信息和通信技术前沿的最新进展，用以改变我们关于个性化医疗和独立生活的方式。无线医疗和环境传感器的重大进展有望为患者和医疗保健专业人员为健康管理随时随地提供高性价比的新型解决方案，真正实现移动和普及医疗保健的愿望。在本文中，我们专注于情境感知应用程序用于患者检测护理，数据可视化和决策支持的研究。与这些挑战有关的是，我们可以通过此电子医疗应用程序中见证两种不同的开发趋势。

首先，无处不在的计算社区在过去十年中花费了大量精力研究数据融合和人工智能技术，以创造出各种环境感知应用程序和智能环境应用。现在，这些组件正在进入电子医疗和个人健康监测系统，虽然通常为一种疾病的治疗方法配备一个传感器。关键的挑战是如何将环境感知提升到可重用的更高层次的抽象层面，以便个人健康监测系统可以更轻松地利用个人和其所处的情境信息（当前时间，地点，活动等）真正使患者自己管理他们自身的健康。

其次，尽管在传感器技术和远程监控，活动识别和人机交互领域取得了许多进展，但仍然没有令人信服的解决方案。这种观察结果不仅由必要的开发成本和这类工程系统的复杂性所引发，而且还由于辅助能力的方式有时不太恰当，患者不理解应用程序根据什么会对他们自身的健康提供某种建议。用于决策支持的良好数据可视化技术是让人感觉自身健康状况仍然处于掌控之中的关键。

未来几年，智能手机和平板电脑可能会超过个人电脑市场，而HTML5是一种能够在跨移动平台和浏览器上无缝工作的实现技术。Gartner在其2013年的IT预测报告中称，未来的web应用程序消费将是移动端的。在本文中，我们报告了在个人健康辅助应用程序中使用HTML5和相关网络技术来传递环境感知的实际经验，以及将这些智能电子医疗应用程序迁移到移动设备的挑战。

在回顾完第2部分的相关工作后，我们在第3节介绍了我们的情境感知糖尿病监测助手应用，以此作为移动电子医疗应用程序的一个激励范例。在第4节讨论了使用了HTML5 的web应用程序的各种实现细节。在第5节中，我们评估了该方法的可行性，并重点介绍了在移动平台上开发和使用该应用程序的一些实际经验。我们在第6节中总结阐述了主要的观点并确定了今后工作的可能方向。

2.相关工作

近年来，移动设备作为广泛存在的计算研究平台受到了很多关注。提供关于情境感知和电子医疗网络应用程序的最新技术的详细评论已经超出了本文的范围。我们将给感兴趣的读者介绍Bricon-Souf和Newman的一项调查[2]，调查内容是关于如何将环境感知技术应用于各种不同的医疗项目。相反，我们回顾了基于html5的应用程序的可行性分析以及相关的性能和安全性方面问题的相关工作。

Juntunen等人研究了移动设备的HTML5的可行性。在[3]中，重点讨论在图形，多媒体，用户交互，设备适配，网络，电池和其他性能方面的功能。他们得出的结论是，HTML5应用程序并没有达到与原生应用程序相同的性能，但是web应用程序的低成本和跨平台的可用性是显而易见的优势。Xinogaloset al.[4]特别关注使用HTML5的优点和缺点，并在移动云计算环境中探索类似的特性。

De Ryck等人在[5]新的HTML5标准中对潜在的安全问题进行了详细的研究，并对新的web机制如何破坏现有web应用程序的安全性进行了系统的分析，以及对于新提出的不同机制彼此之间如何优雅地交互进行了系统分析。他们在许多浏览器中都发现了各种违反这些安全规范和相关问题的行为。在[6]中，West等人 特别关注Web存储规范并讨论localStorage和sessionStorage属性的隐私性，安全性和性能问题。

在本文中，我们研究了与HTML5和JavaScript技术适用于高级移动和情境感知健康自理应用程序相似的问题，并对某些活动识别、可视化和安全特性进行了比较性能分析。

3.激励案例：用于糖尿病患者自我管理的情境感知监测应用

在之前的工作中[7]，我们提出了一项关于使用智能手机作为移动健康管理助手的案例研究，用于诊断2型糖尿病患者。这个应用程序的具体目的不仅仅是用便携式电子设备取代纸质记录本，而是为了更好地将测量结果与以前的情况进行比较来捕获相关用户情境信息并将其加入到数据日志中。扩增的数据日志和相

图1.我们用HTML5实现的混合糖尿病伴侣应用

图2.基于加速度计的运动识别和步数计算

似度分析有助于发现趋势走向，进而为个人提供更准确、更适合当前情况的建议。主要的挑战是确定对血糖水平有影响的各种活动，例如进食和锻炼。由于日常生活中的活动（ADL）行为模式通常是反复出现的，因此我们分析研究了时间，地点与活动类型之间存在的相关性，并利用这些相关性信息找到之前的相似情况，以此作为对病人的建议。这种方法的优势在于，该系统为患者提供了个性化的帮助，不仅可以利用血糖传感器自身的测量结果，而且还可以根据当前情况提供建议，并预测接下来可能发生的事情。最近在FP7 BUTLER 1项目框架中开发了一个经过修改和改进的Android应用程序。下面几节讨论了在HTML5、CSS3和JavaScript web标准中实现类似功能的困难和挑战(参见图1)。

4.使用HTML5开发智能和移动电子医疗应用程序

4.1.情境感知: 时间、位置和活动识别

情境感知被定义为能够感知当前情况并能够无缝和主动的进行响应的能力。时间和地点通常是情境管理中的第一类实体。除了时间和地点之外，我们还使用了嵌入到许多智能手机中的三轴加速度计，作为一个普遍的、非侵入性的移动感知单元来进行活动识别。然而，与易于直接在移动平台上感知的时间和地点相比，我们需要相当复杂且精密的算法来对用户的活动（站立，行走，跑步，下降等）进行分类并跟踪步数，以此作为衡量用户的锻炼水平和积极生活方式的程度。图2在左侧提供了活动识别组件的组成部分以及各部分之间的数据流动情况。在右侧，该图显示了由组件处理后的X，Y，Z加速计数据和中间输出数据：

bull;加速度计：该组件产生连续的加速度数据流，包含以某个采样率（cfr，红色，绿色和蓝色线）得到的X，Y和Z值。

bull;低通滤波器：对于移动性追踪，例如行走或跑步，我们主要对达到最高5Hz频率的加速度峰值感兴趣(即每秒钟最多5步)。为此，我们使用“移动平均”分量作为简单的低通滤波器来消除高频噪声。

bull;量级过滤器：在许多情况下，我们不知道加速度计是如何以运动活动的偏移量为导向的。此外，传感器的方向在移动时也可能会发生改变。因此，我们对加速度信号的整体大小（cfr黄线）进行信号分析。

bull;峰值滤波器：在加速度信号的时域中，一个单步的特征表现为多个最大值和最小值的模式。该组件提取信号中的这些特征用于进一步分析（cfr.青色和品红色标记）。

bull;步骤检测器：该组件为每一步确定相同的峰值，以便正确计算步数并区分静止，行走和跑步（即峰值速率）（cfr黑色标记）。

在计步组件旁边，我们的情境中间件还具有用于跌倒检测的附加组件：

bull;高通滤波器：跌倒的特点是加速度信号在振幅和方向上突然发生高频变化。该组件实现了一个高通有限脉冲响应(FIR)滤波器来提取这些特征。

bull;信号幅度区域滤波器：该组件分析加速度信号的高频部分的信号幅度区域（SMA），并在该特征值超过阈值时识别出一次跌倒。

上述组件仅仅是我们情境中间件一部分功能中的一个子集。但我们的目标不是详细说明这些组件，而是讨论将这些算法和功能集成到HTML5 Web应用程序环境中的挑战。

4.2．一种适用于移动环境感知应用程序的混合HTML5方法

时间和位置是可以在标准的HTML5 web应用程序中轻松访问到的环境概念。例如，W3C地理位置API规范2定义了一个用于存储应用程序设备的位置信息的高级接口。此接口的位置信息按照世界地心坐标系统坐标提供，并且此API不依赖于基础位置的信息源（GPS，WiFi，GSM / M CDMA小区ID等）。但是，访

图3.使用平行坐标的可视化数据

问加速度计等其他传感器需要采用混合HTML5方法。混合应用程序将HTML5 Web应用程序的可移植性与原生设备（例如Android或iOS）相结合，以更好地利用原生移动设备功能。在前面提到的同一报告中[1]，Gartner估计，到2016年，超过50％的移动应用程序将是混合模式的移动应用。他们证实，随着移动设备功能的增加，移动应用中对情境感知的需求也在不断增加，从而导致开发人员同时考虑混合架构和本地架构两种架构模式。

为了构建糖尿病电子医疗应用程序的混合HTML5应用版本，针对Android和iOS设备，我们利用PhoneGap 2.7.03跨平台开发工具，使用相同的HTML5和CSS代码进行渲染展示和相同的JavaScript代码实现业务逻辑。为了简化用户界面的开发难度并支持更好的跨平台互操作特性，我们还使用了jQuery UI框架4和相关插件进行开发。

4.3．通过平行坐标表达出的数据可视化实现决策支持的可理解性。

思考是聪明的标志，但认为自己聪明并不意味着聪明。所以没有什么比使用自动化操作的智能应用程序更令人沮丧的了，因为它对自己提出的建议的正确性如此自信，以至于不能容忍用户的关注或反馈。如果应用程序的行为方式对患者来说似乎不符合逻辑，那么这种情况通常反映了应用程序所了解的内容和患者自身所了解的内容之间的不一致性。能够理解应用程序以某种方式行事的原理是纠正其不恰当行为的第一步。任何其逻辑循环中涉及到人相关信息的智能应用程序或系统都需要清楚地传达出其内部推理逻辑。这意味着它必须提供因果关系的解释，解释哪些情境信息已经被获取，哪些规则控制了它的行为，解释的详细程度最好能让用户理解。此外，它还必须提供适当的机制来吸收用户的反馈，用以完善系统的行为。这个概念被称为可理解性，于2009年由Dey和Newberger [8]介绍，并由Lim等人对不确定的情境感知应用程序进行了在后续跟踪工作[9]。

可视化数据对于在我们的应用程序中实现可理解性非常重要。糖尿病患者基于各种参数来选择他的胰岛素剂量，这些参数包括患者默认的胰岛素的具体用量计划，当前的血糖水平，他下一餐中碳水化合物的剂量（来自营养表）和身体活动的强度（

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