Komplexe Materie

Problemstellung

Unser Auftraggeber bat uns, eine Anwendung zu konzipieren und zu realisieren, die Strahlenschutzauflagen erfüllt und das Qualitätsmanagement für nuklearmedizinische und radiochemische Geräte unterstützt.

Im Rahmen des „Landesprogramms Wirtschaft“ wurde das Projekt zudem durch die Europäische Union gefördert.

Prüfung von medizinischen Geräten

Im Betrieb nuklearmedizinischer Einrichtungen kommen Messinstrumente zur Erfassung radioaktiver Strahlung zum Einsatz. Um sicherzustellen, dass sie korrekte Werte liefern, werden diese regelmäßig mit sogenannten Prüfstrahlern kontrolliert. Die Messergebnisse müssen innerhalb definierter Toleranzbereiche liegen, um die Einsatzfähigkeit zu bestätigen.

Dokumentation und Auflagen

Die Prüfungen müssen gemäß der Richtlinie Strahlenschutz in der Medizin und der DIN 6855-11 dokumentiert, ausgewertet, archiviert und den zuständigen Behörden zugänglich gemacht werden.

Früher geschah dies mit Office-Dokumenten, Papier, E-Mail und Fax – ein fehleranfälliger, manueller Prozess.

Weitere Anforderungen

Neben der Prüfung von Messgeräten müssen auch Arbeitsanweisungen, Vorschriften und Genehmigungen verfügbar sein sowie Vorkommnisse im Betrieb dokumentiert werden. Smartarchivo integriert all diese Anforderungen in einem zentralen System.

Zielfindung

Basierend auf den Anforderungen entstand eine Anwendung, die den gesamten Dokumentations- und Prüfprozess digitalisiert:

• eine serverseitige Web-Applikation für Verwaltung, Reports und Dokumentation

• eine native Tablet-App für Messwerterfassung und Einsicht in Anweisungen und Betriebsbücher

Erschwerte Bedingungen

Die Lösung musste strenge Authentifizierungsverfahren für Reporting erfüllen und gleichzeitig offline-fähig sein, da viele Messungen ohne Internetzugang stattfinden.

Eine große Herausforderung lag in der Modellierung: Über 20 unterschiedliche Datenstrukturen mussten in einem generischen, polymorphen Schema abgebildet werden.

Fachliche Herausforderung

Die größte fachliche Hürde war es, die physikalischen Zusammenhänge der verschiedenen Gerätetypen und Messverfahren zu verstehen und in eine homogene Modellierung und Implementierung zu überführen. Dabei wurden über 20 ähnliche, aber nicht identische Datenstrukturen identifiziert. Um die zum einen auf radioaktivem Zerfall und zum anderen auf Kontinuität basierten Serientypen und Grenzwertberechnungen in einem allgemeingültigen Modell auszudrücken, wurde ein generisches Schema entworfen, dessen Ausprägungen mithilfe von Single-Table-Inheritance in die Lage versetzt wurden, die benötigten Polymorphismen abzubilden.

Produktdesign

Das Produkt wurde so konzipiert, dass Anwender:innen trotz komplexer Prozesse eine klare, intuitive Bedienoberfläche vorfinden.

• Reduktion der UI auf kontextrelevante Optionen

• User Flows als Grundlage für konsistente Abläufe

• granular konfigurierbares Rollen- und Rechtemanagement

Um die Oberflächen zur Bedienung der Anwendung so weit wie möglich reduzieren zu können, haben wir ein äußerst feingranulares Rollen- und Rechtemanagement geplant. Mit dessen Hilfe lässt sich der Funktionsumfang – und damit auch die Optionen der Oberflächen – für jeden einzelnen Anwender je nach Anforderung minimal konfigurieren.

Um auf Basis der geplanten Produktfeatures die einzelnen benötigten Ansichten zu definieren, wurden für einen Großteil der komplexen Anwendungsfälle Wireframes angefertigt, die der zukünftigen Realisierung vorgreifen. Anhand der Wireframes haben wir in einem frühen Stadium der Produktentwicklung eine Grundlage geschaffen, die es uns und unserem Auftraggeber erlaubte, die fachliche Richtigkeit, die technische Machbarkeit und eine optimale Bedienbarkeit sicherzustellen.

User Interface Design

Die Oberflächen von Tablet-App und Web-Applikation wurden als modulare Bibliotheken nach dem Prinzip des Atomic Designs umgesetzt. Dadurch sind sie konsistent, erweiterbar und effizient in der Weiterentwicklung.

Um den verschiedenen geräteimmanenten Bedienkonzepten der Tablet- und Web-Anwendung gerecht zu werden, weichen die beiden Komponenten-Bibliotheken deutlich voneinander ab. Die Bedienung mithilfe eines Zeigegerätes – wie einer Maus – stellt andere Anforderungen als die Bedienung durch Touch-Eingabe. So gibt es große Übereinstimmung im generellen produktspezifischen Stil, aber deutliche Unterschiede in den einzelnen bedienungsrelevanten UI-Elementen wie Schaltflächen, Eingabe- oder Navigationselementen.

Tablet-Anwendung

Die Android-App ermöglicht komfortables Erfassen von Messwerten, Dokumentation von Vorkommnissen und Einsicht in Anweisungen.
Eine integrierte Berechnungslogik prüft Werte in Echtzeit gegen Toleranzgrenzen und gibt sofort Feedback zur Plausibilität.

Serverseitige Anwendung

Die Web-Anwendung basiert auf dem Propeller Framework und setzt auf RESTful JSON-APIs mit JWT-Authentifizierung. Persistenz erfolgt über PostgreSQL.

Das UI-Kit stellt konsistente Komponenten für zukünftige Erweiterungen bereit. Reports können mandantenspezifisch erstellt und über sichere UUID-URLs an Aufsichtsbehörden weitergeleitet werden.

Auf API-Ebene kommt RESTful JSON als Protokoll zum Einsatz. Als Authentifizierungsmethode haben wir uns für JSON-Webtokens entschieden. Durch die Zustandslosigkeit auf Protokollebene lassen sich einige der Probleme, die durch die Offline-Anforderung entstehen, einfach lösen.

Die API-Endpunkte werden direkt auf Controller-Implementierungen geroutet, die bereits bei Instanziierung Autorisierungsprüfungen und Datenplausibilisierung durchführen. So kann gewährleistet werden, dass unbefugte oder invalide Zugriffe noch vor der Ausführung von Controller-Methoden abgelehnt werden.

Als Persistenzsystem kommt eine PostgreSQL-Datenbank zum Einsatz.

Die API-Dokumentation wird seitens des Frameworks inklusive Beispiel-Anfragen direkt bereitgestellt, was die Entwicklung der API-Clients erheblich vereinfacht.

Reporting

Das Reporting der Messreihen-Dokumentationen lässt sich mithilfe der Webapplikation so konfigurieren, dass die betroffenen Messreihen für ausgewählte Geräte und einen spezifischen Zeitraum in einem Report zusammengefasst werden. Der Report wird um einen Auszug aus dem Betriebsbuch für den gewählten Zeitraum ergänzt.

Für jeden Report wird eine nicht erratbare URL auf Basis von UUIDs generiert und mit einem Zugriffsschlüssel versehen. Diese Informationen können dann an die jeweilige Aufsichtsbehörde weitergegeben werden. Der Inhalt und die Aufbereitung der Reportdaten wurden detailliert abgestimmt, um zu gewährleisten, dass diese von den Behörden akzeptiert werden.

Testing und Verteilung

Um das Produkt kontinuierlich warten und weiterentwickeln zu können, ohne dabei Stabilität und Performance der Bestandsfunktionalität zu gefährden, wurden für alle API-Endpunkte Testszenarien entworfen und die benötigten Tests definiert. Auf diese Weise können im Rahmen von Black-Box-Tests sowohl die Funktion als auch die Performance automatisiert geprüft werden. Dabei werden für einen entsprechend präparierten Mandanten die Testszenarien ausgeführt und die Ergebnisse auf Protokoll- und Antwortebene validiert sowie gegen Performance-Budgets abgeglichen.

Die Tests werden bei Übergabe jeder neuen Version in das Versionskontrollsystem durchgeführt. Nur nach Bestehen aller Testszenarien lässt sich die jeweilige Version auf die Staging- oder Produktivumgebung veröffentlichen. So stehen verschiedene Versionen in verschiedenen Stadien bereit.

Alle Maßnahmen der Inbetriebnahme, wie Build, Testing und stagebasierte Verteilung, werden im Rahmen der CI/CD-Funktionalität des Versionskontrollsystems konfiguriert, versioniert und ausgeführt.

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