5G 移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計*

薛俊偉，劉雨濛

（1.中通服咨詢設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.暨南大學(xué)，廣東 廣州 510632）

0 引言

醫(yī)工結(jié)合是醫(yī)療發(fā)展趨勢。面對新發(fā)突發(fā)傳染病疫情、老齡化人群卒中病情、中高密度人群公共健康監(jiān)測等重大衛(wèi)生事件時，依靠科技手段提高相關(guān)部門的反應(yīng)速度，可以將損失降到最低。特別是在當(dāng)前新型冠狀病毒感染的肺炎疫情防控形勢下，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理助推遠(yuǎn)程會診，實(shí)行醫(yī)患之間無接觸診療服務(wù)，讓診療更加安全、高效和便捷。此外，人口老齡化已成為經(jīng)濟(jì)社會生活中必須關(guān)注的問題。我國近幾年在逐步調(diào)整因人口年齡結(jié)構(gòu)帶來的影響，預(yù)計未來30 年內(nèi)國內(nèi)的老齡化形勢將達(dá)到峰值并逐漸回歸到一個合理區(qū)間。老齡化所帶來的一系列弊端中，對人們影響最直接的是健康問題。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計，非傳染性慢性疾病如高血壓、高血糖以及由此引發(fā)心血管疾病等是在老年群體中致死率最高的病種。人口老齡化和慢性疾病的蔓延，促使人們更加關(guān)注疾病的提前預(yù)防。

科技的發(fā)展給移動醫(yī)療技術(shù)的普及提供了支撐。隨著經(jīng)濟(jì)水平的進(jìn)步和人們生活水平的提高，越來越多的人開始關(guān)注自己的健康管理，通過更加積極的預(yù)防措施將疾病的發(fā)展限制在初期。同時，由于當(dāng)前生活節(jié)奏的加快，智能設(shè)備和移動網(wǎng)絡(luò)下的健康監(jiān)控具有實(shí)時性、保密性和便捷性，有利于緩解我國醫(yī)療衛(wèi)生資源的不平衡狀態(tài)，更符合社會的需求。基于此，移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及其所依附的移動醫(yī)療體系具有很大的發(fā)展空間。

第五代移動通信新空口技術(shù)（5G New Radio，5G NR）針對更加廣泛的通信場景和廣域互聯(lián)的通信需求，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了超多設(shè)備、超高密度、極低時延、極大速率和更廣范圍的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。通信性能的發(fā)展，為越來越多的應(yīng)用場景提供了更好的支撐。5G NR 在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加明確，其高帶寬和低時延的性能特別適合遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測類醫(yī)療產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。一方面，諸如影像診斷結(jié)果、實(shí)時會診視頻等可以充分利用5G 的高帶寬實(shí)現(xiàn)高清影像的在線傳輸，為優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的共享提供可能；另一方面，生命體征數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)、生化分析結(jié)果、電子病歷等資料，能夠借助5G 網(wǎng)絡(luò)的低時延特性實(shí)現(xiàn)傳送，以保證醫(yī)生對前端情況的實(shí)時動態(tài)掌控，為急救醫(yī)生或前端機(jī)器人提供準(zhǔn)確指導(dǎo)和操控[1]?；?G 網(wǎng)絡(luò)的移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以緩解醫(yī)療資源緊張的壓力，符合智能醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

基于5G NR 網(wǎng)絡(luò)的移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，包含有生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀、醫(yī)療救護(hù)工具、數(shù)據(jù)傳輸模塊和醫(yī)療中心服務(wù)器等主要構(gòu)件。系統(tǒng)設(shè)計用于監(jiān)測用戶的血氧飽和度、血壓、血糖、心率和體溫等各項(xiàng)生理參數(shù)，并有醫(yī)療急救求助功能。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過5G蜂窩網(wǎng)關(guān)模塊或無線局域網(wǎng)模塊傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，經(jīng)過清洗后的數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)生、遠(yuǎn)程專家等用作病癥的判斷，最終將監(jiān)測數(shù)據(jù)和診療信息全部存儲到中心服務(wù)器。醫(yī)生可以隨時跟蹤管理患者的生理參數(shù)信息。經(jīng)過授權(quán)的用戶可通過智能終端查看相關(guān)的生理參數(shù)信息，隨時了解自身健康的變化情況。如果系統(tǒng)監(jiān)測到生理參數(shù)異常超過了閾值，或者用戶在緊急狀態(tài)下激活了救助程序，則能迅速響應(yīng)。同時，系統(tǒng)后臺會通過發(fā)送短信、微信等方式通知醫(yī)生及其監(jiān)護(hù)人[2-3]。基于5G NR 網(wǎng)絡(luò)的移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

1.2 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀

現(xiàn)階段，聯(lián)網(wǎng)生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀在緊急救護(hù)、家庭使用、基層防疫、智慧養(yǎng)老、企業(yè)健康管理等場景都有廣泛應(yīng)用。設(shè)備可提供實(shí)時、快捷、低成本的基礎(chǔ)健康數(shù)據(jù)檢測收集，幫助用戶建立個人健康管理檔案，并利用長期監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)生成健康報告。一般地，移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中使用的生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀至少應(yīng)可準(zhǔn)確測量血氧飽和度、心電、體溫、血糖、脈率和血壓等參數(shù)，提供標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療數(shù)據(jù)格式輸出，并且具備可擴(kuò)展蜂窩/無線通信模塊的接口。本系統(tǒng)設(shè)計需要滿足在室內(nèi)和移動狀態(tài)下的生命體征數(shù)據(jù)采集，宜采用包括通用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀或具備低功耗特性的無線可穿戴式監(jiān)護(hù)儀等[3]。

生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀通過外部接口與RG500Q 5G模塊、BC28 窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）模塊和ESP8266-12F 無線局域網(wǎng)（Wireless-Fidelity，Wi-Fi）模塊連接，傳輸控制命令和生理參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對各參數(shù)的監(jiān)控和預(yù)警。

設(shè)計使用的多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，產(chǎn)品形態(tài)和技術(shù)規(guī)格滿足醫(yī)療使用即可，通過數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)參數(shù)讀取和遠(yuǎn)程上報，具體地可與醫(yī)療機(jī)器人、智能檢測閘機(jī)、無人醫(yī)療檢測艙等配合安裝，組成智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。例如，在本次新冠病毒肺炎疫情爆發(fā)后，多地使用5G 紅外測溫機(jī)器人實(shí)現(xiàn)一次性多人體溫快篩和上報，使用醫(yī)護(hù)助理機(jī)器人實(shí)現(xiàn)消毒、送藥、生理參數(shù)檢查等工作，使用圖像識別監(jiān)控進(jìn)入公共場所人員戴口罩情況，使用無人機(jī)高空監(jiān)測和播報提醒等，充分利用信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)不接觸排查防控，減少人員交叉感染，提升病區(qū)隔離管控水平。

1.3 數(shù)據(jù)通信模塊

相較于第四代長期演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)（Long Term Evolution，LTE）模組，5G NR 模組在性能、頻譜效率和通信時延上都有很大改進(jìn)。使用高通X55 5G 調(diào)制解調(diào)器的RG500Q 模組為柵格陣列封裝，支持5G NR sub-6GHz 頻段，LTE Cat.12 及更高等級的LTE 網(wǎng)絡(luò)連接[4]，能夠支持5G NR 獨(dú)立和非獨(dú)立組網(wǎng)兩種運(yùn)行模式，并內(nèi)置全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位功能和嵌入式SIM 卡（Embedded-SIM，eSIM），適用區(qū)域和范圍都極廣。

BC28 NB-IoT 無線通信模塊是一款通過運(yùn)營商入庫認(rèn)證的封裝尺寸小、通信性能高、運(yùn)行功耗低的物聯(lián)網(wǎng)模組，在頻段上可以支持B1/B3/B8/B5/B20/B28，且內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧，方便普通設(shè)備快速、靈活地升級物聯(lián)網(wǎng)功能。在無人抄表、智慧醫(yī)療、共享單車、無線城市、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛應(yīng)用，可以方便地提供大范圍、多設(shè)備、低時延的連接和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

ESP8266-12F Wi-Fi 模塊是一款成熟的低成本、低功耗、高穩(wěn)定性嵌入式串口轉(zhuǎn)無線網(wǎng)模塊，內(nèi)置傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議，可以方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)改造。模塊支持802.11 b/g/n/ac 協(xié)議，可以通過代碼設(shè)置為Station 工作模式、Access Point 接入點(diǎn)模式或者混合模式。

通過改造的生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀可以將數(shù)據(jù)以特定的格式借助蜂窩或者無線局域網(wǎng)的通道傳送至醫(yī)療中心的服務(wù)器，形成的檢測結(jié)果可實(shí)時分發(fā)給醫(yī)生、病人以及家屬。5G 網(wǎng)絡(luò)的高速率、低延遲和大連接特點(diǎn)，能滿足監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中生理參數(shù)的即時通信，并且在快速移動的場景下也能提供穩(wěn)健的數(shù)據(jù)連接。

圖2 數(shù)據(jù)通信模塊工作模式

1.4 監(jiān)護(hù)平臺部署

監(jiān)護(hù)平臺是整個移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)從海量監(jiān)護(hù)儀器毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)中采集到大數(shù)據(jù)，統(tǒng)一分析管理、執(zhí)行算法、實(shí)時監(jiān)管和并發(fā)處理。智能物聯(lián)網(wǎng)改造后的多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀等設(shè)備內(nèi)嵌了包含5G NR、NB-IoT 和Wi-Fi 等多個通信模組，可以滿足不同場景下的穩(wěn)定使用，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到醫(yī)療中心服務(wù)平臺[5]。監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制信息借助運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，其中分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）經(jīng)路由接入虛擬核心網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）機(jī)房[6]。監(jiān)護(hù)儀器、醫(yī)療中心和其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分布于遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用目標(biāo)區(qū)域，醫(yī)療中心服務(wù)平臺的蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3 所示。

圖3 醫(yī)療中心服務(wù)平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對時延和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性有很強(qiáng)的要求，通過對當(dāng)前系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域的分析，在阿里云華南1 區(qū)創(chuàng)建了兩個云服務(wù)器（Elastic Compute Service，ECS）實(shí)例，并配置同一區(qū)域分布式數(shù)據(jù)庫（Distributed Relational Database Service，DRDS）。通過百度地圖應(yīng)用編程接口（Application Programming Interface，API），為接入平臺內(nèi)的監(jiān)護(hù)儀和醫(yī)院提供位置服務(wù)。在此次新冠病毒肺炎疫情中，可拓展功能的移動方艙醫(yī)療車內(nèi)部即部署了各類醫(yī)療設(shè)施，其中的移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠配合醫(yī)護(hù)人員機(jī)動化展開診療活動。方艙內(nèi)的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)通過運(yùn)營商5G 網(wǎng)絡(luò)及時傳到監(jiān)控平臺服務(wù)器，為早期和疑似病例的發(fā)現(xiàn)節(jié)約時間[7]。同時，監(jiān)控平臺通過地圖API 調(diào)取周邊關(guān)聯(lián)小區(qū)病例進(jìn)行大數(shù)據(jù)研判，為區(qū)域疫情分析診斷提供信息保障。

圖4 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)服務(wù)器通信框

2 結(jié)果分析

本方案心電、血氧和脈率的測試使用生理參數(shù)模擬儀，對移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)同時選擇多組位于不同5G 信號覆蓋區(qū)域的測試源，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀況符合預(yù)期。具體地，主要使用美國FLUKE 公司的血氧模擬儀NDEX2XLF 和心電模擬儀MPS450 對設(shè)備監(jiān)測血氧飽和度和心電的精度進(jìn)行測試。對照組選用校準(zhǔn)后的醫(yī)療儀器。多次實(shí)驗(yàn)后，去除臟數(shù)據(jù)后的統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。

表1 心電檢測模塊數(shù)據(jù)回傳測試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)得到的回傳心電數(shù)據(jù)平均誤差率為3.17%，精度符合醫(yī)療設(shè)備要求。50 Hz時由于工頻干擾，誤差稍大，但是在正常范圍內(nèi)。

如表2 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)得到的回傳血氧飽和度和脈率數(shù)據(jù)精度高達(dá)99.2%，受到的網(wǎng)絡(luò)波動影響小，符合預(yù)期。

表2 血氧飽和度和脈率數(shù)據(jù)回傳測試

此外，對監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中集成的紅外額溫檢測單元進(jìn)行測試，將6 名體溫未知的測試者分為H 組，增加使用MS400 多參模擬儀預(yù)設(shè)4 組不同溫度作為P組參與測試，如表3 所示。其中，H1～H3、P1、P2 位于蜂窩網(wǎng)絡(luò)A 小區(qū)，H4～H36、P3、P4 位于蜂窩網(wǎng)絡(luò)B 小區(qū)。在室溫為24.2～26.4 ℃的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，測試對象分別每隔半小時連續(xù)3 次測量額溫，求取均值。對照組選用德國Braun BNT400 型紅外額溫計。

表3 體溫檢測數(shù)據(jù)回傳測試

實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，在人體額溫測試中，通過5G 網(wǎng)絡(luò)回傳的測試結(jié)果與市售額溫計測量結(jié)果平均差值為0.03 ℃，模擬測試組能100%表達(dá)多參模擬儀預(yù)設(shè)的不同溫度。一般地，額頭溫度的測量因?yàn)榉墙佑|、速度快而適合部署在有快檢需求的場景下，但是醫(yī)學(xué)上普遍認(rèn)為額溫不能真實(shí)反映人體是否處于發(fā)熱狀態(tài)，因此系統(tǒng)預(yù)設(shè)37.3 ℃作為觸發(fā)重新檢測體溫的閾值[8]。實(shí)驗(yàn)測試了系統(tǒng)的異常報警功能，在監(jiān)測額溫數(shù)據(jù)異常時均能及時激活重測提示，并即時上報數(shù)據(jù)到系統(tǒng)后臺。重測仍然不通過后，將聯(lián)系醫(yī)院并發(fā)送信息給指定的監(jiān)護(hù)人員。對于無人值守的全自動檢測情景，異常報警功能涉及到緊急救助模型，機(jī)器學(xué)習(xí)算法依賴于數(shù)據(jù)量和訓(xùn)練時間，會隨著數(shù)據(jù)的增加而更加準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和電子技術(shù)的發(fā)展，使遠(yuǎn)程醫(yī)療的應(yīng)用更加具有可操作性。移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在個人健康管理、基層醫(yī)療防疫、應(yīng)對抗震救災(zāi)等公共衛(wèi)生應(yīng)急保障中作用巨大，功能包括生理參數(shù)監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的電子存儲、生命體征異常及時報警、在線醫(yī)療診斷和遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)平臺等，方便醫(yī)生追蹤患者的長期健康數(shù)據(jù)，全方位了解患者的身體狀態(tài)。云端監(jiān)護(hù)平臺以PaaS/SaaS 方式向用戶和單位提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診療和數(shù)據(jù)互聯(lián)共享，平衡和緩解了優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的合理調(diào)配使用。通過接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過授權(quán)后的手持智能終端能在應(yīng)用軟件上綁定個人信息，接入系統(tǒng)查看相關(guān)報告等數(shù)據(jù)，節(jié)省時間。

使用5G NR 網(wǎng)絡(luò)的移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在當(dāng)前國內(nèi)公共衛(wèi)生應(yīng)急保障能力不充足、老齡化問題嚴(yán)重、醫(yī)療資源緊張和慢性病群體不斷增加的形勢下，能幫助居民建立個人健康檔案，培養(yǎng)社會大眾治未病、防大病的意識，減少傳染病疫情防控中醫(yī)患之間的接觸和交叉感染風(fēng)險，方便醫(yī)生根據(jù)患者的長期生理參數(shù)信息作出更加科學(xué)準(zhǔn)確的診斷，提供更加個性化的醫(yī)療服務(wù)。5G 網(wǎng)絡(luò)的特性，為移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及其所依附的移動醫(yī)療體系提供了巨大的發(fā)展空間，依靠醫(yī)工結(jié)合產(chǎn)生的合力以及全體醫(yī)護(hù)人員的努力，新冠肺炎疫情將很快過去，并為國內(nèi)構(gòu)建更加有效、迅速、安全的公共衛(wèi)生防疫系統(tǒng)提供經(jīng)驗(yàn)。