移動云環(huán)境下具有計算遷移的遠(yuǎn)程醫(yī)療架構(gòu)

，，

隨著移動設(shè)備及無線網(wǎng)絡(luò)的普及，人們希望隨時隨地都能獲得泛在的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)，而鄉(xiāng)村醫(yī)療衛(wèi)生中心、船舶、救護(hù)車和家庭醫(yī)療保健服務(wù)都可通過移動設(shè)備的應(yīng)用程序支持電子健康服務(wù)。在線醫(yī)療咨詢減少了醫(yī)療服務(wù)時間，改善了醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量和效率。在遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中，需要傳輸X射線圖、心電圖、視頻、診斷圖像等常見的醫(yī)療數(shù)據(jù)和人體生理參數(shù)(包括ECG、HR、PPG、SPO2、BP)等實時采集的生理信號，這些數(shù)據(jù)具有存儲容量大和計算量大等特征。由于傳統(tǒng)的智能移動設(shè)備和智能可穿戴設(shè)備存在電池電量、內(nèi)存空間、計算、存儲等資源受限問題，無法提供高質(zhì)量的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)。云計算可作為移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下改善移動終端性能的一種應(yīng)用模式，用戶將數(shù)據(jù)的存儲和處理遷移至云端后，可降低對移動終端性能的要求。云計算模式下，移動終端僅需承擔(dān)與用戶的交互工作，并在屏幕上顯示來自云端的業(yè)務(wù)處理結(jié)果，復(fù)雜的計算和大規(guī)模的存儲均由云端完成。因此移動終端無需擁有強(qiáng)大的計算能力便可響應(yīng)用戶的業(yè)務(wù)請求，并為其提供滿意的服務(wù)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外很多學(xué)者采用云計算及移動設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程醫(yī)療研究。大多數(shù)移動健康監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)均將采集的人體生理參數(shù)通過移動網(wǎng)絡(luò)傳送至醫(yī)療數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行分析處理和整合，最終計算出人體生理參數(shù)變化狀況[1-4]。有學(xué)者針對智能移動醫(yī)療提出了一種混合計算方案，該方案集成了移動終端處理和云端處理兩種模式，并根據(jù)移動終端收集的生理數(shù)據(jù)為患者提供醫(yī)療服務(wù)[5]。還有學(xué)者在移動云計算環(huán)境下針對多媒體服務(wù)設(shè)計了一種分布式云架構(gòu)，該架構(gòu)采用Cloudlet與BS融合的方式，可滿足用戶在應(yīng)用層面的服務(wù)質(zhì)量需求[6]。文獻(xiàn)7設(shè)計了一種基于智能傳感設(shè)備和云服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可穿戴設(shè)備采集[7]。用戶使用可穿戴設(shè)備，實時采集自身的生理信號，如心率和加速度傳感器信息等，通過智能移動終端設(shè)備，將信號進(jìn)行收集和預(yù)處理之后發(fā)送至云平臺進(jìn)行存儲和分析。文獻(xiàn)8提出一種云輔助的移動心電監(jiān)測系統(tǒng)，利用智能手機(jī)接收心電數(shù)字信號，借助云平臺實現(xiàn)ECG數(shù)據(jù)存儲。移動云計算中，用戶可通過將移動應(yīng)用遷移至云端處理來改善其服務(wù)質(zhì)量,云端根據(jù)移動應(yīng)用的需求調(diào)度計算資源并為用戶分配[8]。文獻(xiàn)9提到的移動云計算技術(shù)可幫助移動用戶在執(zhí)行工作流任務(wù)時將一些任務(wù)遷移至云端服務(wù)器執(zhí)行，從而節(jié)省移動設(shè)備的電池能耗，并提高計算能力[9]。

百度、阿里、騰訊等國內(nèi)IT健康巨頭也在加速布局醫(yī)療信息化的市場。百度將傳統(tǒng)醫(yī)療行業(yè)同大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能相結(jié)合，重點布局人工智能領(lǐng)域，旨在為用戶提供精準(zhǔn)的醫(yī)療服務(wù)；阿里健康與國內(nèi)醫(yī)療軟件龍頭——衛(wèi)寧健康開展關(guān)于區(qū)域衛(wèi)生、智慧醫(yī)院等領(lǐng)域的合作，并創(chuàng)立了阿里健康和“醫(yī)療云”服務(wù)；騰訊以醫(yī)療IT提供方的身份參與，先后推動海南省“智慧醫(yī)療”和吉林省微信居民電子健康虛擬卡建設(shè)，并深入到慢性病管理、支付模式創(chuàng)新、人工智能等多個領(lǐng)域。

目前，貴州已經(jīng)開通省、市、縣、鄉(xiāng)四級遠(yuǎn)程醫(yī)療，河南省鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院設(shè)立的河南省遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)中心成為國家遠(yuǎn)程醫(yī)療中心，江蘇省淮安市第二人民醫(yī)院設(shè)立了遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)中心。2017年，我國推行醫(yī)療聯(lián)合體(以下簡稱“醫(yī)聯(lián)體”)模式試點后，國內(nèi)遠(yuǎn)程醫(yī)療出現(xiàn)了基于醫(yī)聯(lián)體及“兒聯(lián)體”的平臺建設(shè)[10-12]。但是目前的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)多是針對慢性病、常見病或醫(yī)療保健服務(wù)，方式多為利用軟件同專家進(jìn)行語音或視頻聊天，對于急性病則是到鄉(xiāng)鎮(zhèn)或社區(qū)醫(yī)院檢查，將檢驗結(jié)果上傳至上一級醫(yī)療機(jī)構(gòu)會診。由于通信網(wǎng)絡(luò)的限制，無法傳輸清晰的影像資料，而對疾病的診斷需綜合以往病歷、檢驗報告、健康體檢情況、基因檢測數(shù)據(jù)等多種結(jié)果，并且受限于基層診療機(jī)構(gòu)存儲、計算能力，無法全面準(zhǔn)確確診。

遠(yuǎn)程醫(yī)療云技術(shù)方面，目前的架構(gòu)通常采取在健康云端存儲、計算、加工和整理，全部在健康云端處理數(shù)據(jù)的方法會造成帶寬、延時和云端的瓶頸，影響遠(yuǎn)程醫(yī)療的服務(wù)質(zhì)量。因此，本文按照距離區(qū)分不同的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)，近距離采取將計算遷移至由醫(yī)聯(lián)體構(gòu)成微云進(jìn)行處理，遠(yuǎn)距離采取在健康云上進(jìn)行計算的遠(yuǎn)程醫(yī)療架構(gòu)。

2 具有計算遷移的遠(yuǎn)程醫(yī)療架構(gòu)平臺

2.1 基于醫(yī)聯(lián)體的遠(yuǎn)程醫(yī)療分級診療中心

為解決目前大醫(yī)院醫(yī)療資源利用過度和基層醫(yī)療資源利用不足甚至閑置的問題，加快推進(jìn)醫(yī)療衛(wèi)生體制改革向縱深發(fā)展，我們設(shè)計了遠(yuǎn)程醫(yī)療架構(gòu)(圖1)。在該架構(gòu)中，醫(yī)聯(lián)體將同一個區(qū)域內(nèi)的醫(yī)療資源進(jìn)行整合，通常由一個縣域內(nèi)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)組成。在縣域范圍內(nèi)分別面向城市和鄉(xiāng)村建設(shè)城市醫(yī)療集團(tuán)和縣域醫(yī)共體，形成“縣鄉(xiāng)村”的三級醫(yī)療服務(wù)體系，這樣云平臺可與基層、區(qū)域衛(wèi)生信息平臺、醫(yī)院信息系統(tǒng)實現(xiàn)互通。在此基礎(chǔ)上，針對省市縣大型醫(yī)療機(jī)構(gòu)業(yè)務(wù)交流和縣內(nèi)轉(zhuǎn)疑難重癥患者等需求，可向上依次對接市級、省級、國家級醫(yī)療資源[12]。

圖1基于醫(yī)聯(lián)體的遠(yuǎn)程醫(yī)療架構(gòu)

微云(cloudlet)由醫(yī)聯(lián)體構(gòu)成，可利用移動終端附近固定的計算資源增強(qiáng)移動終端的性能，如在物理位置上與移動終端臨近的、可信的、資源豐富的、與互聯(lián)網(wǎng)有良好鏈接的計算機(jī)或者計算機(jī)集群?？稍谥悄芙K端、智能可穿戴設(shè)備等移動終端安裝軟件定制微云服務(wù)[8]。如患者通過個人計算機(jī)將醫(yī)療數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時上傳至醫(yī)聯(lián)體，在醫(yī)聯(lián)體內(nèi)采用微云方式對患者的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、計算、分析，并聯(lián)合區(qū)域內(nèi)的專家進(jìn)行會診。如果微云計算能力不夠，則可同全國遠(yuǎn)程醫(yī)療平臺中心進(jìn)行交互，在更高一級的遠(yuǎn)程醫(yī)療中心平臺進(jìn)行訪問。

在遠(yuǎn)程醫(yī)療的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中仿照傳統(tǒng)的移動云計算的總體架構(gòu)[13-15]，采用無線接入網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)及云端組成。無線接入網(wǎng)負(fù)責(zé)建立手持移動終端與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信，基站或接入節(jié)點用于建立并控制空中鏈接，服務(wù)器根據(jù)用戶的位置、身份、業(yè)務(wù)請求等信息提供移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；互聯(lián)網(wǎng)主要負(fù)責(zé)無線接入網(wǎng)與云端之間的通信，一方面負(fù)責(zé)將用戶的業(yè)務(wù)請求轉(zhuǎn)交給云端，另一方面將云端提供的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有效地傳輸給接入網(wǎng)的服務(wù)器；云端主要由云控制器和云數(shù)據(jù)中心兩部分組成，云控制器負(fù)責(zé)計費管理、用戶的業(yè)務(wù)請求管理、虛擬機(jī)管理、網(wǎng)絡(luò)通信等，云數(shù)據(jù)中心主要根據(jù)云控制器對虛擬機(jī)的分配情況來執(zhí)行用戶請求并存儲數(shù)據(jù)。

2.2 區(qū)分距離的計算遷移

傳統(tǒng)的架構(gòu)方法是將移動設(shè)備通過WCDMA、GPRS、WLAN連接到互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，再由互聯(lián)網(wǎng)連接到健康醫(yī)療云中心，但這種架構(gòu)的服務(wù)質(zhì)量容易受網(wǎng)絡(luò)帶寬、延時的影響。本文提出采用區(qū)分距離的計算遷移架構(gòu)滿足不同需求的遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)，如圖2所示。

圖2 區(qū)分距離的遠(yuǎn)程醫(yī)療架構(gòu)

2.2.1 基于微云的近距離計算遷移架構(gòu)

主要針對慢性病通過使用檢測儀對患者的生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，按照國家衛(wèi)生健康委員會發(fā)布的《全國醫(yī)院信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范》中的硬件要求[16]進(jìn)行規(guī)范，將醫(yī)聯(lián)體內(nèi)醫(yī)療設(shè)備服務(wù)器集群構(gòu)成微云。利用人體內(nèi)的可植入設(shè)備、可穿戴設(shè)備，通過手機(jī)、平板電腦、掌上電腦或接收器等收集高血壓、心血管疾病等慢性病患者的生理信號和生理參數(shù)(脈搏、血壓、心電、血氧、呼吸)等，并進(jìn)行實時、遠(yuǎn)程、動態(tài)監(jiān)測。也可通過基層管理站采集慢性病患者的數(shù)據(jù)，上傳至微云并進(jìn)行存儲和處理，提出指導(dǎo)性的建議。此外，對于監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)的疑難病癥患者，要通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)向更高一級的醫(yī)療機(jī)構(gòu)申請遠(yuǎn)程會診，必要時進(jìn)行轉(zhuǎn)診。

2.2.2 基于移動設(shè)備的遠(yuǎn)距離計算遷移

應(yīng)用場景為地震救災(zāi)現(xiàn)場，包括醫(yī)院、診所、藥店、現(xiàn)場救護(hù)、移動救護(hù)車。如救護(hù)車?yán)锏幕颊咄ㄟ^體內(nèi)的傳感器將生理信號通過訪問點或無線電塔上傳到網(wǎng)絡(luò)上，監(jiān)視器從網(wǎng)絡(luò)下載圖像和視頻信號，醫(yī)療專家通過手機(jī)或平板電腦診斷。

利用附近其他移動設(shè)備(智能手機(jī)、平板電腦、手持/可穿戴設(shè)備和車載計算機(jī))的資源擴(kuò)展移動終端資源，這些設(shè)備形成Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)，將計算任務(wù)劃分到該網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點上執(zhí)行。適用于兩種場景：位于同一位置區(qū)域的多個移動終端相互合作，共同完成任務(wù)，以及單個用戶或家庭擁有多個移動終端。

由第三方(如Amazon、Google、IBM等)提供的公共云資源和由企業(yè)或家庭提供的私有云資源。

2.3 遠(yuǎn)程醫(yī)療架構(gòu)中的計算遷移

2.3.1 云環(huán)境構(gòu)建

可以利用公有云、本地私有云或?qū)Ｓ迷啤€人計算機(jī)、附近的移動設(shè)備等構(gòu)建輔助移動設(shè)備程序的云環(huán)境。其中，公有云(如亞馬遜、谷歌、微軟、百度、騰訊等)擁有無限資源，本地健康云服務(wù)器或本地PC通常被部署于醫(yī)聯(lián)體內(nèi)，是用戶較為信任的資源。但其服務(wù)質(zhì)量受到網(wǎng)絡(luò)帶寬、延時的影響，且存在用戶對服務(wù)商的信任問題。除本地云和公有云外，移動設(shè)備用戶還可利用移動設(shè)備(多個移動設(shè)備構(gòu)成虛擬云平臺)，連接到虛擬云完成計算或存儲任務(wù)[17]。

2.3.2 移動云環(huán)境下遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)計算遷移流程

無線計算遷移的主要問題之一是決定計算遷移任務(wù)的時間、地點。決策應(yīng)考慮任務(wù)的通信成本計算量和信道帶寬[18]。當(dāng)需要使用少量的數(shù)據(jù)進(jìn)行大量計算時，計算遷移是可行的；對于必須使用大量的數(shù)據(jù)傳輸來執(zhí)行小計算量的任務(wù)，可以考慮在醫(yī)聯(lián)體的微云執(zhí)行。其中必須折衷考慮傳輸時間的成本和能耗[9,19]。

具有計算遷移的遠(yuǎn)程醫(yī)療流程如圖3所示。計算遷移系統(tǒng)的關(guān)鍵是任務(wù)分割，其主要功能是將任務(wù)分為若干個可執(zhí)行模塊并分別標(biāo)注各個模塊是否被遷移到云端執(zhí)行，以及哪些遷移至微云端或健康云端。對分割方法的研究可分為基于設(shè)計的分割、基于改寫的分割和基于分析的分割[17]。任務(wù)分割模塊負(fù)責(zé)對應(yīng)用行為建立模型，利用適當(dāng)?shù)乃惴ㄉ珊蜻x劃分方案，然后根據(jù)患者的偏好、劃分策略、移動終端上下文環(huán)境選出最優(yōu)劃分策略。影響應(yīng)用劃分的因素主要有以下4個：移動用戶，包括用戶偏好和用戶使用移動終端的行為模式；開發(fā)人員，包括開發(fā)人員定義的劃分策略、劃分提示和劃分觸發(fā)機(jī)制；來自移動設(shè)備的上下文信息，包括移動設(shè)備的外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境，其中CPU負(fù)載影響移動終端的CPU能耗，無線網(wǎng)絡(luò)接口類型、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和服務(wù)器緩存影響無線接口能耗，間接影響候選方案生成結(jié)果，移動終端可用內(nèi)存大小和電量等因素影響候選劃分方案生成結(jié)果；應(yīng)用的服務(wù)質(zhì)量等級、輸入?yún)?shù)的內(nèi)容和占用的存儲空間等和應(yīng)用有關(guān)的因素[20]。

將一個或多個分配到云端的模塊從移動設(shè)備遷移到云端的算法通常包括保存當(dāng)前狀態(tài)的暫停模塊、壓縮加密模塊、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸、云端解密、重新運行5個模塊。

3 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程醫(yī)療架構(gòu)中智能移動設(shè)備資源受限和網(wǎng)絡(luò)存在帶寬、延時影響的問題，提出區(qū)分距離的遠(yuǎn)程醫(yī)療架構(gòu)。針對慢性病人較少的數(shù)據(jù)量，由近距離醫(yī)聯(lián)體構(gòu)成的微云計算，緊急情況下的較大任務(wù)量采取遷移到第三方提供的遠(yuǎn)距離健康云端進(jìn)行計算，并對具有計算遷移的遠(yuǎn)程醫(yī)療流程進(jìn)行了描述。

圖3 具有計算遷移的遠(yuǎn)程醫(yī)療流程

目前，隨著“大智物移云”技術(shù)和5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，以及政府機(jī)構(gòu)的大力支持和國民健康意識的提高，遠(yuǎn)程醫(yī)療正在高速發(fā)展。未來需要進(jìn)一步提高認(rèn)識，完善遠(yuǎn)程醫(yī)療及其產(chǎn)業(yè)化政策，健全服務(wù)體系，建立遠(yuǎn)程醫(yī)療責(zé)任認(rèn)定機(jī)制、激勵機(jī)制和服務(wù)質(zhì)量評價機(jī)制，使其有效解決醫(yī)療資源分配不均問題、提高疑難病重癥救治水平、緩解群眾看病難等問題，助力國家醫(yī)療改革和健康中國建設(shè)。