Desarrollo de aplicación IoMT sobre Raspberry Pi para monitorización de datos biomédicos

161 Pages·2016·5.76 MB·Spanish

Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería de Telecomunicación

Desarrollo de aplicación IoMT sobre Raspberry Pi
para monitorización de datos biomédicos
Autor: Alfredo Enrique Sáez Pérez de la Lastra
Tutor: Antonio Jesús Sierra Collado
Equation Chapter 1 Section 1
Departamento de Ingeniería Telemática
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla

Sevilla, 2016

Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería de Telecomunicación

Desarrollo de aplicación IoMT sobre Raspberry Pi
para monitorización de datos biomédicos

Autor:
Alfredo Enrique Sáez Pérez de la Lastra

Tutor:
Antonio Jesús Sierra Collado
Profesor titular

Departamento de Ingeniería Telemática
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2016

Í
NDICE
1 Objetivos ............................................................................................................................................. 11
2 Introducción ........................................................................................................................................ 13
Recolección de datos ................................................................................................................................. 13
Almacenamiento e intercambio de la información procedente de dispositivos clínicos ...................... 14
Visualización de las constantes biomédicas del paciente ....................................................................... 14
Diagrama de componentes implicados .................................................................................................... 14
3 Soluciones IoMT alternativas ............................................................................................................... 17
Capsule ....................................................................................................................................................... 17
Picis Hawkeye ............................................................................................................................................. 19
OpenICE ...................................................................................................................................................... 19
Resumen de las soluciones IoMT alternativas ......................................................................................... 21
4 Análisis de tecnologías ......................................................................................................................... 23
Hardware de integración .......................................................................................................................... 23
4.1.1 Descripción ......................................................................................................................................... 23
4.1.2 Análisis de alternativas ...................................................................................................................... 23
Sistema Operativo del Hardware de integración .................................................................................... 25
4.2.1 Descripción ......................................................................................................................................... 25
4.2.2 Análisis de alternativas ...................................................................................................................... 25
4.2.2.1 SO Linux ...................................................................................................................................... 26
4.2.2.2 SO Windows ............................................................................................................................... 26
4.2.2.3 Otros SO ..................................................................................................................................... 26
Clúster de servidores de mensajes ............................................................................................................ 26
4.3.1 Descripción ......................................................................................................................................... 26
4.3.2 Análisis de alternativas ...................................................................................................................... 27
4.3.2.1 Apache Kafka .............................................................................................................................. 27
4.3.2.2 RabbitMQ ................................................................................................................................... 29
Base de datos ............................................................................................................................................. 30
4.4.1 Descripción ......................................................................................................................................... 30
4.4.2 Análisis de alternativas ...................................................................................................................... 30
4.4.2.1 Oracle .......................................................................................................................................... 31
4.4.2.2 MySQL......................................................................................................................................... 32
4.4.2.3 SQL Server .................................................................................................................................. 32
Entorno de desarrollo para BBDD............................................................................................................. 32
4.5.1 Descripción ......................................................................................................................................... 32
4.5.2 Análisis de alternativas ...................................................................................................................... 33
4.5.2.1 Oracle SQL Developer ................................................................................................................ 33
4.5.2.2 TOAD ........................................................................................................................................... 34
Lenguaje de programación ....................................................................................................................... 34
4.6.1 Descripción ......................................................................................................................................... 34
4.6.2 Análisis de alternativas ...................................................................................................................... 34
4.6.2.1 Java ............................................................................................................................................. 34
4.6.2.2 Python......................................................................................................................................... 35
Capa de persistencia .................................................................................................................................. 36
4.7.1 Descripción ......................................................................................................................................... 36
4.7.2 Análisis de alternativas ...................................................................................................................... 36
4.7.2.1 Bajo nivel de abstracción .......................................................................................................... 36
4.7.2.2 ORM: Object-Relational mapping............................................................................................. 36
4.7.2.3 Soluciones mixtas ...................................................................................................................... 38
Gestor de dependencias y construcción del proyecto ............................................................................. 38
4.8.1 Descripción ........................................................................................................................................ 38
4.8.2 Análisis de alternativas...................................................................................................................... 39
4.8.2.1 Ant .............................................................................................................................................. 39
4.8.2.2 Maven ........................................................................................................................................ 39
4.8.2.3 Gradle ......................................................................................................................................... 39
Entorno de desarrollo software ................................................................................................................ 40
4.9.1 Descripción ........................................................................................................................................ 40
4.9.2 Análisis de alternativas...................................................................................................................... 40
4.9.2.1 Eclipse ......................................................................................................................................... 41
4.9.2.2 IntelliJ IDEA ................................................................................................................................ 44
4.9.2.3 NetBeans .................................................................................................................................... 45
4.9.2.4 JDeveloper ................................................................................................................................. 45
Resumen del análisis de tecnologías empleadas en el proyecto............................................................ 46
5 Descripción de la propuesta ................................................................................................................. 47
Arquitectura ............................................................................................................................................... 47
5.1.1 Diseño funcional ................................................................................................................................ 47
5.1.2 Prototipo inicial de la arquitectura del proyecto ............................................................................ 48
5.1.3 Modelo definitivo .............................................................................................................................. 50
Hardware de integración con biodispositivos ......................................................................................... 53
5.2.1 El estándar HL7 .................................................................................................................................. 53
5.2.2 Protocolos propietarios .................................................................................................................... 54
5.2.3 Adaptación entre puertos estándares ............................................................................................. 56
Base de datos ............................................................................................................................................. 58
5.3.1 Tablespace ......................................................................................................................................... 58
5.3.2 Usuarios / Esquemas ......................................................................................................................... 59
5.3.3 Tablas ................................................................................................................................................. 61
5.3.3.1 Información común a todas las tablas ..................................................................................... 62
5.3.3.2 Esquema HEALTH ...................................................................................................................... 63
5.3.3.3 Esquema DATA_ACQ ................................................................................................................. 66
5.3.4 Secuencias .......................................................................................................................................... 71
5.3.5 Índices ................................................................................................................................................ 73
5.3.6 Permisos ............................................................................................................................................. 74
Sistema de intercambio de datos: Kafka ................................................................................................. 76
5.4.1 Nodos ................................................................................................................................................. 77
5.4.2 Topics ................................................................................................................................................. 78
5.4.3 DTOs ................................................................................................................................................... 80
5.4.4 Modelo ............................................................................................................................................... 81
5.4.5 Producers ........................................................................................................................................... 82
5.4.6 Consumers ......................................................................................................................................... 85
Componentes software ............................................................................................................................. 88
5.5.1 Estructura del software del proyecto .............................................................................................. 88
5.5.2 MEDIPI Suite ...................................................................................................................................... 92
5.5.3 MEDIPi-DOM ..................................................................................................................................... 94
5.5.3.1 CORE-DOM ................................................................................................................................. 96
5.5.3.2 HEALTH-DOM .......................................................................................................................... 103
5.5.3.3 DATACQ-DOM ......................................................................................................................... 107
5.5.4 MEDIPI-CLUSTER ............................................................................................................................. 108
5.5.4.1 CORE-CLUSTER ......................................................................................................................... 109
5.5.5 MEDIPI-APP ...................................................................................................................................... 113
5.5.5.1 CORE-APP ................................................................................................................................. 116
5.5.5.2 DDA ........................................................................................................................................... 120
5.5.5.3 SAVER ....................................................................................................................................... 135
5.5.5.4 CHART ....................................................................................................................................... 139
Resumen de la descripción de la propuesta ........................................................................................... 145
6 Validación ........................................................................................................................................... 147
Funcionamiento de la solución ............................................................................................................... 147
Resumen de la validación ........................................................................................................................ 150
7 Planificación........................................................................................................................................ 151
Fases de la planificación .......................................................................................................................... 151
Resumen de la planificación.................................................................................................................... 153
8 Conclusiones y líneas futuras .............................................................................................................. 155
Conclusiones ............................................................................................................................................. 155
Líneas futuras ........................................................................................................................................... 156
Referencias ................................................................................................................................................ 157

ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA 2-1. PRIMER ESQUEMA GENERAL DEL PROYECTO.................................................................................................... 14
FIGURA 3-1. ESQUEMA DE SMARTLINX, DE CAPSULE TECH, INC ....................................................................................... 17
FIGURA 3-2. MODELOS DE LA SERIE SMARTLINX AXON ...................................................................................................... 18
FIGURA 3-3. SMARTLINX IQ ............................................................................................................................................ 18
FIGURA 3-4. LOGO DE HAWKEYE, DE LA COMPAÑÍA PICIS CLINICAL SOLUTIONS .................................................................. 19
FIGURA 3-5. INTERFAZ DE USUARIO DE HAWKEYE CON LAS CONSTANTES DE UN PACIENTE. .................................................. 19
FIGURA 3-6. ASTM F-2761 VS IMPLEMENTACIÓN DE OPENICE ......................................................................................... 20
FIGURA 3-7. INTERFAZ SUPERVISOR DE OPENICE .............................................................................................................. 20
FIGURA 3-8. INTERFAZ DISPOSITIVO OPENICE .................................................................................................................. 21
FIGURA 4-1. CATÁLOGO DE SISTEMAS OPERATIVOS PARA LA RASPBERRY PI 2 ....................................................................... 25
FIGURA 4-2. LOGO DE APACHE KAFKA .............................................................................................................................. 27
FIGURA 4-3. ARQUITECTURA BÁSICA JAVA ........................................................................................................................ 27
FIGURA 4-4. CONSUMICIÓN DE MENSAJES DEL CLÚSTER ..................................................................................................... 28
FIGURA 4-5. TOPICS Y PARTICIONES EN KAFKA ................................................................................................................... 28
FIGURA 4-6. LOGO RABBITMQ ....................................................................................................................................... 29
FIGURA 4-7. RANKING DE BASES DE DATOS DE DB-ENGINES. .............................................................................................. 30
FIGURA 4-8. LOGO ORACLE DATABASE ............................................................................................................................. 31
FIGURA 4-9. LOGO MYSQL ............................................................................................................................................ 32
FIGURA 4-10. LOGO SQL SERVER .................................................................................................................................... 32
FIGURA 4-11. LOGO SQL DEVELOPER .............................................................................................................................. 33
FIGURA 4-12. INTERFAZ GRÁFICA SQL DEVELOPER ............................................................................................................ 33
FIGURA 4-13. LOGO DE TOAD ........................................................................................................................................ 34
FIGURA 4-14. LOGO DE JAVA .......................................................................................................................................... 34
FIGURA 4-15. PLATAFORMAS JAVA .................................................................................................................................. 35
FIGURA 4-16. LOGO DE PYTHON ..................................................................................................................................... 35
FIGURA 4-17. LOGO DE JDBC ......................................................................................................................................... 36
FIGURA 4-18. LOGOS DE LAS PRINCIPALES IMPLEMENTACIONES JPA: HIBERNATE, ECLIPSELINK Y OPENJPA ............................ 37
FIGURA 4-19. LOGO DE QUERYDSL ................................................................................................................................. 37
FIGURA 4-20. LOGO DE IBATIS ........................................................................................................................................ 38
FIGURA 4-21. LOGO DE ANT ........................................................................................................................................... 39
FIGURA 4-22. LOGO DE MAVEN ...................................................................................................................................... 39
FIGURA 4-23. LOGO DE GRADLE ...................................................................................................................................... 39
FIGURA 4-24. COMPARATIVA ENTRE LOS IDES JAVA MÁS USADOS ...................................................................................... 41
FIGURA 4-25. ARQUITECTURA DE ECLIPSE. ........................................................................................................................ 41
FIGURA 4-26. INTERFAZ DE ECLIPSE IDE. .......................................................................................................................... 43
FIGURA 4-27. PERSPECTIVAS. .......................................................................................................................................... 43
FIGURA 4-28. VISTA DE GESTIÓN DE PROYECTOS. .............................................................................................................. 43
FIGURA 5-1. TIPOS DE CONSTANTES MÉDICAS, CONTINUAS Y DISCRETAS. .............................................................................. 48
FIGURA 5-2. PRIMER PROTOTIPO DE MEDIPI ................................................................................................................... 48
FIGURA 5-3. LEYENDA PRIMER PROTOTIPO DE MEDIPI ...................................................................................................... 49
FIGURA 5-4. ESQUEMA DEL SISTEMA DE FICHEROS DISTRIBUIDOS HDFS EMPLEADO POR HADOOP. ........................................ 50
FIGURA 5-5. ESQUEMA GENERAL DE LA ARQUITECTURA ..................................................................................................... 51
FIGURA 5-6. LEYENDA ESQUEMA GENERAL DE LA ARQUITECTURA ........................................................................................ 51
FIGURA 5-7. A LA IZQUIERDA, UN SENSOR DE PULSO CARDÍACO. A LA DERECHA, UN VENTILADOR DE GENERAL ELECTRICS ......... 53
FIGURA 5-8. LA RASPBERRY PI 2 B OFRECE 4 PUERTOS USB A BAJO COSTE ........................................................................... 55
FIGURA 5-9. ESQUEMA DE UNA ADAPTACIÓN RS232 (DB9) A USB .................................................................................... 57
FIGURA 5-10. ADAPTADOR EMPLEADO EN EL PROYECTO .................................................................................................... 57
FIGURA 5-11. TABLESPACE INICIALES DE UNA BASE DE DATOS ORACLE XE 11G R2 ................................................................ 58
FIGURA 5-12. PARÁMETROS DE CONEXIÓN POR DEFECTO DE LA BASE DE DATOS ................................................................... 59
FIGURA 5-13. MODELO DE DATOS ................................................................................................................................... 61
FIGURA 5-14. MODELO DE DATOS SOBRE BIODISPOSITIVOS ................................................................................................ 66
FIGURA 5-15. ARQUITECTURA BÁSICA DE KAFKA ............................................................................................................... 76
FIGURA 5-16. MODELO DEL CLÚSTER ............................................................................................................................... 81
FIGURA 5-17. ESTRUCTURA DE PROYECTOS DOM (DOCUMENT OBJECT MODEL) (BASE DE DATOS) ...................................... 89
FIGURA 5-18. ESTRUCTURA DE PROYECTOS CLUSTER (KAFKA) ............................................................................................ 89
FIGURA 5-19. ESTRUCTURA DE PROYECTOS APP (ELEMENTOS COMUNES DE APLICACIONES MEDIPI) .................................... 89
FIGURA 5-20. ESTRUCTURA DE PROYECTOS MEDIPI. REPRESENTACIÓN GRÁFICA................................................................. 90
FIGURA 5-21. ESTRUCTURA DE PROYECTOS MEDIPI. REPRESENTACIÓN EN CARPETAS .......................................................... 91
FIGURA 5-22. PROYECTO CORE-DOM............................................................................................................................... 96
FIGURA 5-23. PATRÓN DAO EN MEDIPI ...................................................................................................................... 101
FIGURA 5-24. PROYECTO HEALTH-DOM ......................................................................................................................... 104
FIGURA 5-25. PROYECTO DATACQ-DOM ........................................................................................................................ 107
FIGURA 5-26. PROYECTO CORE-CLUSTER ....................................................................................................................... 110
FIGURA 5-27. PROYECTO CORE-APP .............................................................................................................................. 117
FIGURA 5-28. ESTRUCTURA DE UN PROYECTO DURANTE EL DESARROLLO VS COMPILADO ..................................................... 118
FIGURA 5-29. PROYECTO DDA ..................................................................................................................................... 120
FIGURA 5-30. ESQUEMA DE DDA ................................................................................................................................. 123
FIGURA 5-31. PROTOCOLREADER.................................................................................................................................. 130
FIGURA 5-32. COMMANDLISTENER ............................................................................................................................... 133
FIGURA 5-33. DATASENDERMANAGER .......................................................................................................................... 134
FIGURA 5-34. PROYECTO SAVER .................................................................................................................................. 136
FIGURA 5-35. ESQUEMA DE SAVER .............................................................................................................................. 137
FIGURA 5-36. PROYECTO CHART ................................................................................................................................. 140
FIGURA 5-37. ESQUEMA DE CHART ............................................................................................................................. 141
FIGURA 6-1. RASPBERRY PI 2 MODELO B CONECTADA A UN BIODISPOSITIVO MEDIANTE UN ADAPTADOR USB – RS232 ........ 147
FIGURA 6-2. MÓDULO DDA DESPLEGADO EN LA RASPBERRY ........................................................................................... 147
FIGURA 6-3. ENTORNO DE DESARROLLO SQL CONECTADO CORRECTAMENTE A LA BASE DE DATOS........................................ 148
FIGURA 6-4. NODOS ZOOKEEPER, BROKER 1 Y BROKER 2 ARRANCADOS SOBRE UNA MISMA MÁQUINA WINDOWS ................ 148
FIGURA 6-5. LOG DE EJECUCIÓN, EN MODO DEBUG, DE DDA EN LA RASPBERRY ................................................................. 148
FIGURA 6-6. LOG DE UN BROKER KAFKA ........................................................................................................................ 149
FIGURA 6-7. LOG DE SAVER ........................................................................................................................................ 149
FIGURA 6-8. TABLA CONSTANT_INFO CON DATOS INSERTADOS POR SAVER ................................................................. 149
FIGURA 6-9. EJECUCIÓN DE CHART, EN LA QUE PODEMOS VER DATOS (SIMULADOS) A TIEMPO REAL ..................................... 150
FIGURA 7-1. PLANIFICACIÓN PLANTEAMIENTO ................................................................................................................ 151
FIGURA 7-2. PLANIFICACIÓN FASE DE ANÁLISIS ................................................................................................................ 151
FIGURA 7-3. PLANIFICACIÓN PRUEBA DE CONCEPTO ........................................................................................................ 152
FIGURA 7-4. PLANIFICACIÓN DESARROLLO I .................................................................................................................... 152
FIGURA 7-5. PLANIFICACIÓN DESARROLLO II ................................................................................................................... 153
FIGURA 7-6. PLANIFICACIÓN POSTDESARROLLO .............................................................................................................. 153