融合5G網(wǎng)絡(luò)的智慧醫(yī)療應(yīng)用*

朱立雷，許建濤，王鵬穎

（中國電信河北分公司，河北 石家莊 050035）

0 引 言

當(dāng)前在以5G（5th-Generation，第五代移動通信技術(shù)）為代表的云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的驅(qū)動下，人類社會進(jìn)入萬物互聯(lián)的全連接的智能時代，智能社會正在影響每個人、每個家庭、每個組織。

特別對醫(yī)療行業(yè)，如何借助5G，同時整合人工智能成果和大數(shù)據(jù)智慧，為醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展增加活力，讓高質(zhì)量的醫(yī)療護(hù)理服務(wù)于廣大百姓，成為各級醫(yī)療機(jī)構(gòu)面臨的首要問題[1]。

河北省人民醫(yī)院率先采用智慧醫(yī)療系統(tǒng)：即利用4G（4th-Generation，第四代移動通信技術(shù)）及VPDN（Virtual Private Dial-up Networks，虛擬專用撥號網(wǎng)）加密網(wǎng)卡將移動床旁車拍攝的影像資料實(shí)時回傳回PACS（Picture Archiving and Communication Systems，影像歸檔及通信系統(tǒng)系統(tǒng)），無需將床旁車推回影像科利用有線進(jìn)行傳輸。

PACS即影像歸檔及通信系統(tǒng)。它是應(yīng)用在醫(yī)院影像科室的系統(tǒng)，將日常產(chǎn)生的各種醫(yī)學(xué)影像（包括核磁共振，CT，超聲波，各種X光機(jī)，各種紅外儀器、顯微儀等設(shè)備產(chǎn)生的各類圖像）通過各種接口（模擬，DICOM，網(wǎng)絡(luò)）以大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)化的方式海量保存起來，當(dāng)需要的時候可通過授權(quán)，隨時調(diào)回使用，同時增加部分輔助診斷和醫(yī)療管理功能[2]。

目前，河北電信已完成河北省人民醫(yī)院5G基站安裝與調(diào)測，為滿足智慧醫(yī)療更快速度、更短時延、更高效率、更高要求，最終制定人民醫(yī)院融合5G網(wǎng)絡(luò)的智慧醫(yī)療MEC（Multi-access Edge Computing，多接入邊緣計算）業(yè)務(wù)組網(wǎng)方案。

醫(yī)療設(shè)備通過智能終端連接5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時采集病人信息，如血壓、體溫、脈搏等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)及時傳送到醫(yī)院，醫(yī)生通過顯示屏遠(yuǎn)程查看病人情況，并且根據(jù)不同病癥，提前通知醫(yī)院準(zhǔn)備醫(yī)療設(shè)備和人員。

5G網(wǎng)絡(luò)提供超大帶寬、超低時延的網(wǎng)絡(luò)能力，從而保障病人信息的及時傳送，抓住黃金搶救時間，提高救治幾率。

1 現(xiàn)狀描述

1.1 河北省人民醫(yī)院4G-VPDN方案

VPDN采用專用的網(wǎng)絡(luò)加密通信協(xié)議在公共網(wǎng)絡(luò)上為企業(yè)建立安全的虛擬專網(wǎng)，人民醫(yī)院各病區(qū)移動床旁車可從遠(yuǎn)程經(jīng)由公共網(wǎng)絡(luò)通過虛擬加密隧道實(shí)現(xiàn)和單位總部之間的網(wǎng)絡(luò)連接，而公共網(wǎng)絡(luò)上其它用戶則無法穿過虛擬隧道訪問單位內(nèi)部網(wǎng)的資源，河北省人民醫(yī)院VPDN智慧醫(yī)療系統(tǒng)組網(wǎng)如圖1所示。

實(shí)現(xiàn)VPDN業(yè)務(wù)的主要步驟：

身份認(rèn)證：通常使用用戶域名做身份認(rèn)證，企業(yè)需要在運(yùn)營商處登記域名和賬號。用戶撥號時，輸入企業(yè)的域名后，運(yùn)營商的服務(wù)器根據(jù)域名和賬號確認(rèn)該用戶是否為VPDN用戶。如果是VPDN用戶，則找到企業(yè)的LNS（L2TP Network Server，L2TP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器），建立隧道，并由LNS完成用戶的身份認(rèn)證[3]。

圖1 河北省人民醫(yī)院VPDN智慧醫(yī)療系統(tǒng)組網(wǎng)

建立L2TP（Layer Two Tunneling Protocol，第二層隧道協(xié)議）協(xié)議設(shè)置的隧道：此種接入方式通過CN2（ChinaNetNextCarryingNetwork，中國電信下一代承載網(wǎng)）電路連接中國電信無線核心網(wǎng)設(shè)備及醫(yī)院傳輸設(shè)備，并通過醫(yī)院本地的LNS路由器接入到醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)，在路由器外側(cè)防火墻進(jìn)行相關(guān)安全策略的網(wǎng)絡(luò)配置。

1.2 VPDN方案短板

移動查房：醫(yī)用推車、PDA（Personal Digital Assistant，個人數(shù)字助手）等移動護(hù)理，存在病房查房過程中業(yè)務(wù)中斷情況。

醫(yī)療資產(chǎn)設(shè)備管理容量受限：醫(yī)療資產(chǎn)設(shè)備接入智慧醫(yī)療系統(tǒng)不僅能定位追蹤，防止丟失，而且便于管理，但接入設(shè)備數(shù)量受限。

擴(kuò)展性稍差，不能與最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)備相兼容。

不能夠有效融合其它醫(yī)療業(yè)務(wù)，如電子白板、取號機(jī)等。

2 融合5G網(wǎng)絡(luò)的智慧醫(yī)療MEC方案

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢

5G不僅僅是4G的升級，更是通信技術(shù)質(zhì)的飛躍：

通信速率：峰值通信速率可達(dá)到10 Gbit/s，提升20倍以上。

延遲：無線時延小于5 ms，提升了10倍以上。

可連接數(shù)：強(qiáng)化IoT應(yīng)用，可連接數(shù)提升10～100倍。

移動數(shù)據(jù)量：5G超大帶寬，移動數(shù)據(jù)量將提升100倍。

連接密度：每平方公里100萬，提升10倍[4]。

5G連接成為醫(yī)療健康行業(yè)的最佳服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。同時5G連接的部署應(yīng)用將帶來四個革命性變化：連接平臺化、萬物在線化、全云化、萬物即插即慧。

連接平臺化，即5G無線接入網(wǎng)將超越管道的角色，成為一個廣泛存在的平臺。管道是有瓶頸的，而平臺是無限延伸的。

萬物在線化，即萬物默認(rèn)在線，相對于目前大部分電子設(shè)備“默認(rèn)是離線的，并且彼此之間并不連接”的情況，5G的目標(biāo)是，未來，離線將成為一件很困難的事。

全云化是一個水到渠成的事。集中的云平臺和部署在本地的邊緣計算結(jié)合在一起，這意味著，計算不再分本地和云端，結(jié)合AI芯片的發(fā)展，AI可以嵌入到終端、邊緣、云端等各種醫(yī)療設(shè)備中去，為醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來無限潛力。

從即插即用到即插即慧，主要指終端，5G技術(shù)將重新定義網(wǎng)絡(luò)終端，人們將看到形式各異的終端涌現(xiàn)，這將顛覆現(xiàn)有電子設(shè)備?；谠萍夹g(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)和終端芯片的緊密協(xié)同，更多沉睡的終端將被最終喚醒。

2.2 智慧醫(yī)療5G融合方案第一階段

對現(xiàn)有查房車等醫(yī)護(hù)終端設(shè)備進(jìn)行5G化改造，查房車上裝備5G CPE（Customer Premise Equipment，客戶前置設(shè)備），醫(yī)療設(shè)備通過CPE連接5G網(wǎng)絡(luò)。

5G核心網(wǎng)通過電信專線，完成和省人民醫(yī)院的路由聯(lián)通，保障數(shù)據(jù)安全的同時，可以提供更良好的服務(wù)質(zhì)量，如圖2所示。

CPE與查房車連接方式分為網(wǎng)線直連、WIFI直連、無線網(wǎng)卡連接WIFI等方式。

2.3 智慧醫(yī)療5G融合方案第二階段

新建MEC設(shè)備，匯聚所有醫(yī)院園區(qū)的基站流量。

MEC根據(jù)本地分流特性，將本地業(yè)務(wù)流量在近端進(jìn)行卸載，將普通用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)到核心網(wǎng)進(jìn)行處理。

圖2 河北省人民醫(yī)院MEC智慧醫(yī)療系統(tǒng)組網(wǎng)第一階段

由于MEC可以在近端直接和服務(wù)器對接，無需再經(jīng)過核心網(wǎng)迂回，因此業(yè)務(wù)質(zhì)量更好，同時業(yè)務(wù)安全性更高，部分安全設(shè)備可以縮減部署，如圖3所示。

圖3 河北省人民醫(yī)院MEC智慧醫(yī)療系統(tǒng)組網(wǎng)第二階段

2.4 智慧醫(yī)療5G融合方案第三階段

查房車使用特殊智能終端MIFI（Dongle），醫(yī)護(hù)終端使用CPE或者支持5G網(wǎng)絡(luò)的終端，如圖4所示。

圖4 河北省人民醫(yī)院MEC智慧醫(yī)療系統(tǒng)組網(wǎng)第三階段

2.5 5G融合方案應(yīng)用場景

河北省人民醫(yī)院結(jié)合醫(yī)療業(yè)務(wù)特征，可將5G融合智慧醫(yī)療應(yīng)用歸納為三類：

第一類：基于無線采集的醫(yī)療監(jiān)測與實(shí)時護(hù)理類應(yīng)用，如無線智能監(jiān)護(hù)、移動智能護(hù)理和病患實(shí)時位置采集與監(jiān)測、無線監(jiān)控輸液等，如圖5所示。

圖5 基于無線采集的醫(yī)療監(jiān)測與實(shí)時護(hù)理類應(yīng)用

第二類：基于圖像與視頻交互的醫(yī)療實(shí)時診斷和指導(dǎo)類應(yīng)用，如實(shí)時數(shù)據(jù)共享、醫(yī)療遠(yuǎn)程查房、遠(yuǎn)程實(shí)時會診、實(shí)時應(yīng)急救援指導(dǎo)、無線手術(shù)示教和無線?？茖?shí)時診斷等，如圖6所示。

圖6 基于圖像與視頻交互的醫(yī)療實(shí)時診斷和指導(dǎo)類應(yīng)用

第三類：基于實(shí)時視頻及力學(xué)反饋的遠(yuǎn)程操控類應(yīng)用，如遠(yuǎn)程超聲檢查、內(nèi)窺鏡遠(yuǎn)程檢查和遠(yuǎn)程機(jī)器人實(shí)時手術(shù)，如圖7所示。

圖7 基于實(shí)時視頻及力學(xué)反饋的遠(yuǎn)程操控類應(yīng)用

這三類無線應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)的時延及網(wǎng)速要求各有不同，5G網(wǎng)絡(luò)能完美解決各類場景的需求，具體要求如圖8所示。

圖8 無線應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)的時延及網(wǎng)速要求

2.6 融合5G覆蓋部署

河北省人民醫(yī)院智慧醫(yī)療5G融合方案陸續(xù)實(shí)施完畢，以河北省人民醫(yī)院的住院部9層中區(qū)（肝膽外科）為例，5G設(shè)備安裝部署圖示如圖9所示（共計布放安裝5G模塊8個）。

5G-RSRP測試覆蓋良好，結(jié)果如圖10所示。

5G-SINR測試覆蓋良好，結(jié)果如圖11所示。

圖9 河北省人民醫(yī)院9樓5G數(shù)字化室分安裝設(shè)計圖

圖10 5G-RSRP測試軌跡

圖11 5G-SINR測試軌跡

河北省人民醫(yī)院住院部已經(jīng)完成了5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，測試指標(biāo)均滿足各類醫(yī)療業(yè)務(wù)應(yīng)用需求。

3 融合5G效果對比

融合5G網(wǎng)絡(luò)后，河北省人民醫(yī)院采用MEC方案進(jìn)行應(yīng)用更新，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對比如圖12所示。

圖12 河北省人民醫(yī)院方案升級前后對比

河北省人民醫(yī)院智慧醫(yī)療MEC方案升級前后應(yīng)用擴(kuò)展性對比：

4G-VPDN方案目前可支持業(yè)務(wù)類型：移動查房車、床旁車、語音視頻+醫(yī)療圖像與音頻。

5G-MEC方案升級后業(yè)務(wù)類型增強(qiáng)，可滿足極低時延的業(yè)務(wù)需求，如：AI醫(yī)療、VR+醫(yī)療視頻+觸覺力反饋、遠(yuǎn)程B超、急救車輔助等。

4 智慧醫(yī)療融合5G發(fā)展前瞻

5G最新技術(shù)在智能醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用潛力無比巨大，不僅能幫助醫(yī)院實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的智能化管理，而且也能實(shí)現(xiàn)對病患者的智能化醫(yī)療，支持醫(yī)療機(jī)構(gòu)內(nèi)部的醫(yī)療數(shù)據(jù)、藥品、人員、設(shè)備及管理的全流程數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)管理標(biāo)準(zhǔn)化、流程數(shù)字化、信息數(shù)字化、醫(yī)療流程化、服務(wù)人性化，進(jìn)而解決醫(yī)療平臺支撐薄弱、醫(yī)療安全所含隱患、醫(yī)療服務(wù)水平較低等問題[5]。

利用5G技術(shù)創(chuàng)建“智慧醫(yī)療”服務(wù)平臺及體系，可為醫(yī)療領(lǐng)域帶來更大便利，如圖13所示。

圖13 5G網(wǎng)絡(luò)能力與醫(yī)患收益關(guān)系

首先可以將現(xiàn)有的醫(yī)療設(shè)備無線化，進(jìn)而大大降低醫(yī)療費(fèi)用負(fù)擔(dān)。

其次是通過5G等信息化手段實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時醫(yī)療和自助互動醫(yī)療，利于緩解醫(yī)療資源等緊缺的壓力。

再次是數(shù)字化信息在醫(yī)療機(jī)構(gòu)及衛(wèi)生領(lǐng)域各參與主體間互享互通，有利于醫(yī)療信息完備共享。

最終將更有利于我國醫(yī)療服務(wù)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化、智能化，進(jìn)而利于提升醫(yī)療行業(yè)服務(wù)整體水平。

在未來，當(dāng)5G技術(shù)及智能元素融入整個醫(yī)療行業(yè)，智慧醫(yī)療信息系統(tǒng)必將以前所未有的速度開始演化，進(jìn)而對醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)行業(yè)，乃至整個全人類的健康產(chǎn)生更加積極而重大影響。