基于5G網(wǎng)絡(luò)的救護(hù)車系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

洪成洋，薛俊偉

（1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210006；2.廣州醫(yī)科大學(xué)，廣東 廣州 510182）

0 引 言

作為城市保障體系中重要的一環(huán)，急救醫(yī)療體系功不可沒，擔(dān)負(fù)著拯救人民群眾生命的責(zé)任。我國的急救醫(yī)療體系組織形式為120指揮調(diào)度中心+院前急救+醫(yī)院急診科+重癥監(jiān)護(hù)病房或?qū)？撇》俊，F(xiàn)場急救、病患轉(zhuǎn)運(yùn)和途中監(jiān)護(hù)救治等工作由院前急救負(fù)責(zé)，重點(diǎn)是保障病人的生命特征值穩(wěn)定，為后面院內(nèi)急診救治爭取時(shí)間，醫(yī)院急診科承擔(dān)診斷救治功能，二者既有分工，又緊密合作。但現(xiàn)實(shí)中，院前、院內(nèi)急救多是獨(dú)立運(yùn)行的，分工配合脫節(jié)，主要原因是：（1）城鄉(xiāng)發(fā)展不平衡，大部分急救中心集中在城市，能夠覆蓋農(nóng)村的急救中心很少，設(shè)備水平普遍低于城市；（2）專業(yè)急救醫(yī)師數(shù)量不足，院前急救的供需矛盾十分突出，全國很多地方都出現(xiàn)了“有車無人”，醫(yī)師現(xiàn)場急救不專業(yè)等現(xiàn)象；（3）網(wǎng)絡(luò)通信能力不足，導(dǎo)致實(shí)時(shí)監(jiān)測生命體征和關(guān)鍵報(bào)警信息數(shù)據(jù)回傳能力不及時(shí)，急救醫(yī)師與醫(yī)院醫(yī)生僅能通過話務(wù)機(jī)溝通，醫(yī)生無法在電話中對(duì)病人情況有準(zhǔn)確了解，不敢下達(dá)指導(dǎo)意見，尤其是對(duì)于中風(fēng)、心臟病等緊急發(fā)病，可能就錯(cuò)過緊急搶救的“黃金時(shí)間”造成病人死亡。

隨著5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)的高速發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)救護(hù)車的聯(lián)網(wǎng)化、信息化、智能化的5G賦能改造，實(shí)現(xiàn)醫(yī)衛(wèi)人員、醫(yī)療信息、醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)療資源互聯(lián)互通，打破救護(hù)車與醫(yī)院之間的信息壁壘，實(shí)現(xiàn)“上車即入院”已成了迫切需要解決的課題。

1 救護(hù)車通信業(yè)務(wù)需求分析

救護(hù)車是院前施救的重要載體，在病人急救過程中發(fā)揮巨大的作用[1]。按照急救病人的病癥以及程度的不同，我國將救護(hù)車分成3大類，分別是普通轉(zhuǎn)運(yùn)型救護(hù)車、重癥型急救車、?？漆t(yī)療救護(hù)車。

普通轉(zhuǎn)運(yùn)型救護(hù)車的主要功能是提供現(xiàn)場一般性急救、轉(zhuǎn)運(yùn)病人、途中監(jiān)護(hù)等，車內(nèi)醫(yī)療艙通常配置管道供氧裝置、心電圖機(jī)，另外會(huì)根據(jù)病情需要隨車攜帶除顫器、監(jiān)護(hù)儀、電動(dòng)吸引器等急救設(shè)備。其通信需求是實(shí)現(xiàn)車內(nèi)醫(yī)療設(shè)備采集的數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸，與急救中心的醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS）對(duì)接建立雙向通信，使院內(nèi)的急診醫(yī)生能及時(shí)了解情況做好相應(yīng)準(zhǔn)備。

重癥型急救車、?？漆t(yī)療救護(hù)車類似1間流動(dòng)的監(jiān)護(hù)室或重癥加強(qiáng)護(hù)理病房（Intensive Care Unit，ICU），醫(yī)療倉內(nèi)除常規(guī)呼吸機(jī)外，還會(huì)根據(jù)需要配置高價(jià)值醫(yī)學(xué)儀器，如便攜式血糖檢測儀、移動(dòng)車載CT、便攜式血凝儀、氣管插管器等，主要針對(duì)的是重傷或者特殊?？萍本葓鼍埃ǖ幌抻谥卸?、重傷、急性腦中風(fēng)、重癥嬰兒孕婦搶救等。此類急救的特征是病人生命已十分危險(xiǎn)，必須將CT診斷與搶救手段從院內(nèi)前移到院救護(hù)車內(nèi)。在轉(zhuǎn)運(yùn)病人途中需要將車內(nèi)采集的高清監(jiān)護(hù)視頻、CT照、體征檢查、電子病歷等數(shù)據(jù)通過醫(yī)院專網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)郊痹\專家電腦或者增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）設(shè)備上，專家可以利用遠(yuǎn)程會(huì)診實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場醫(yī)生對(duì)病人進(jìn)行處置，以贏得“黃金時(shí)間”。

為清楚地了解救護(hù)車的通信需求，本文采用文獻(xiàn)分析法、實(shí)證研究法量化統(tǒng)計(jì)普通轉(zhuǎn)運(yùn)型救護(hù)車，重癥型急救車、?？漆t(yī)療救護(hù)車在轉(zhuǎn)運(yùn)途中提供醫(yī)療護(hù)理，同時(shí)與急診中心或者遠(yuǎn)程指導(dǎo)醫(yī)院間交換數(shù)據(jù)對(duì)通信指標(biāo)的要求，如表1所示。

上述場景涵蓋了所有類別的救護(hù)車，對(duì)了解救護(hù)車實(shí)際通信業(yè)務(wù)需求有“窺一斑而知全豹”的效果。從表1可看出，體態(tài)檢測數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，但對(duì)可靠性要求較高；而遠(yuǎn)程專家會(huì)審、CT圖像傳送、后端的人工智能（Artificial Intelligence，AI）影像決策系統(tǒng)則對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延、可靠性都特別的敏感，如果網(wǎng)絡(luò)時(shí)延或者掉話造成診斷失誤或者漏診，會(huì)威脅患者生命，由此可知急救醫(yī)療場景對(duì)無線通信質(zhì)量的要求極為嚴(yán)苛，但2G～4G網(wǎng)絡(luò)無法承載此類需求。

表1 救護(hù)車醫(yī)療儀器或者終端通信業(yè)務(wù)需求指標(biāo)

2 5G適配救護(hù)車通信業(yè)務(wù)需求

當(dāng)前階段移動(dòng)通信已發(fā)展到第5代，5G具有連續(xù)廣域覆蓋、熱點(diǎn)高容量、低功耗大連接、低時(shí)延高可靠的特點(diǎn)，滿足3大應(yīng)用場景，即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（enhance Mobile Broadband，eMBB）、海量機(jī)器類通信（massive Machine Type Communication，mMTC）、超高可靠低時(shí)延通信（ultra-Reliable Low-Latency Communication，uRLLC）[2]。救護(hù)車內(nèi)通信需求可分為如下幾類。

（1）大帶寬業(yè)務(wù)主要是指救護(hù)車內(nèi)對(duì)上下行帶寬需求高的業(yè)務(wù)，包括遠(yuǎn)程會(huì)診服務(wù)系統(tǒng)、高分辨率信息采集傳輸系統(tǒng)，如生命體征監(jiān)測器、超聲波設(shè)備和攝像機(jī)等。遠(yuǎn)程會(huì)診服務(wù)系統(tǒng)要求上行速率不得低于50 Mb/s，下行速率不得低于80 Mb/s，能夠傳輸4K視頻、圖像，通過5G高速數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)全高清影像共享，院內(nèi)急診專家借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/混合現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality/Mixed Reality，AR/MR） 與跟車醫(yī)生分享視野，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端指導(dǎo)；高分辨率信息采集傳輸系統(tǒng)在速率方面要求不一，最低上行速率不得小于20 Mb/s、下行速率不得小于5 Mb/s。在速率方面，5G峰值速率為10～20 Gb/s，用戶體驗(yàn)速率將達(dá)到0.1～1 Gb/s，相對(duì)于4G，有百倍左右的提升，能夠充分滿足救護(hù)車內(nèi)各類通信業(yè)務(wù)需求。

（2）低時(shí)延業(yè)務(wù)主要是指救護(hù)車內(nèi)對(duì)時(shí)延、可靠性和隔離性要求均很高的業(yè)務(wù)，包括AI智能影像決策系統(tǒng)、CT系統(tǒng)、遠(yuǎn)程會(huì)診系統(tǒng)等，對(duì)應(yīng)表1中序號(hào)4至序號(hào)7場景，可以看出CT系統(tǒng)、與遠(yuǎn)程會(huì)診系統(tǒng)最高不能超過50 ms，可靠性方面不得小于99.999%，AI智能影像決策系統(tǒng)對(duì)時(shí)延要求不得超過100 ms，5G端到端通信時(shí)延可控制在10 ms以下，最高時(shí)延能達(dá)到1ms內(nèi)，能夠滿足重傷，急性腦中風(fēng)、重癥嬰兒孕婦搶救或者遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)的超低時(shí)延要求[3]。

（3）其他對(duì)時(shí)延與帶寬要求不高的通信終端，如生物傳感器、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）數(shù)據(jù)、車載傳感器等需要可靠接入；5G的海量連接能力能夠接入所有設(shè)備而不會(huì)形成擁塞。

可以看出，救護(hù)車內(nèi)主要是大帶寬、低時(shí)延、高可靠性通信需求，2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)無法滿足不同業(yè)務(wù)需求，5G的切片技術(shù)能夠根據(jù)應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)指標(biāo)需求的不同靈活裁剪，將從無線接入網(wǎng)到承載網(wǎng)，再到核心網(wǎng)的物理網(wǎng)絡(luò)，切成多張相互獨(dú)立的端到端邏輯上隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò)，來適配各種指標(biāo)要求的業(yè)務(wù)應(yīng)用[4]。運(yùn)營商可為救護(hù)車定制2個(gè)專屬5G醫(yī)療專網(wǎng)切片，即 eMBB切片、uRLLC切片，以滿足大帶寬、低時(shí)延、高可靠性需求。

3 基于5G的緊急救護(hù)車方案設(shè)計(jì)

5G和救護(hù)車融合創(chuàng)新已是我國急救醫(yī)療體系的迫切需求，本文提出一種基于5G的救護(hù)車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1中，救護(hù)車智能系統(tǒng)由嵌入式控制與存儲(chǔ)單元、無線通信單元、信息采集傳輸單元、信息輸出單元、車載管理單元等構(gòu)成，下面將詳細(xì)闡述各單元的功能[5]。

圖1 5G智慧救護(hù)車系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）信息采集傳輸單元。包括身份采集模塊、生命體征檢測數(shù)據(jù)采集組件、音視頻采集組件。身份采集模塊包括指紋識(shí)別器、醫(yī)?？ㄗx卡器、身份證讀取器等，可為病患創(chuàng)建電子病歷或者通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)訪問醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫獲取與病人ID對(duì)應(yīng)的歷次診療看病記錄。生命體征檢測數(shù)據(jù)采集組件是指為病人提供治療、檢查、維持生命穩(wěn)定的醫(yī)學(xué)儀器，如移動(dòng)CT機(jī)、血液分析儀、心電圖機(jī)、監(jiān)測儀等，這些儀器可通過有線或者Wi-Fi通信與嵌入式控制單元連接。音視頻交互組件包括多個(gè)攝像頭、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等，通過音視頻交互組件可實(shí)現(xiàn)救護(hù)車內(nèi)監(jiān)控、遠(yuǎn)程專家診斷等功能。

（2）嵌入式控制與存儲(chǔ)單元。是救護(hù)車智能系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行智能5G急救車急救程序。原生支持 Gbit Ethernet、m.2、 PCIe、USB3.0、RS485 等通信功能的接口，并具有接口擴(kuò)展性，能夠接入所有醫(yī)學(xué)儀器設(shè)備。

（3）無線通信單元。1組是與室外蜂窩網(wǎng)絡(luò)保持通信輸出單元，包括5G無線通信模塊、運(yùn)營商SIM卡、陣列天線。為了更好地接收蜂窩網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，陣列天線需選擇4×4或者更高陣子數(shù)的天線陣，天線安裝在救護(hù)車外邊并做好美化。無線通信模塊通過同軸電纜與天線相連，通信模塊一般可以選擇華為MH5000-31模塊或者移遠(yuǎn) RM500Q-GL模塊，支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信5G上網(wǎng)功能。另1組是用于室內(nèi)通信Wi-Fi組件，支持 STA、無線接入點(diǎn)（Access Point，AP）功能。由此，救護(hù)車內(nèi)任何通過以太網(wǎng)、Wi-Fi熱點(diǎn)或者其他接口接入控制單元的終端都能獲取1個(gè)IP地址，并通過5G/4G 實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)。

（4）車載管理單元。包括GPS模塊、車內(nèi)供電組件、車內(nèi)傳感器、車輛管理等多個(gè)模塊。其中，GPS模塊可以實(shí)時(shí)推送位置信息，及時(shí)做好路線調(diào)整，車供電組件的功能是提供救護(hù)車工作電源，車內(nèi)傳感器的功能是探測并反饋出救護(hù)車內(nèi)溫濕度以及運(yùn)行狀態(tài)。

（5）信息輸出單元。包括揚(yáng)聲器、帶觸屏功能的顯示器。顯示器既是各種信息的展示屏幕，也是指令輸入裝置，通過觸摸顯示器上實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的操作。

圖2為5G智慧救護(hù)車的車內(nèi)效果，醫(yī)院可以根據(jù)需求選擇對(duì)醫(yī)療設(shè)備采用固定安裝方式或者便攜式接入方式，救護(hù)車應(yīng)預(yù)留接口與安裝位置。

圖2 5G智慧救護(hù)車車內(nèi)效果圖

本文提出的方案可為急救車提供穩(wěn)定的5G網(wǎng)絡(luò)接入能力，使病患的生命特征數(shù)據(jù)可以及時(shí)地傳給院內(nèi)醫(yī)生，并且兼容性強(qiáng)，預(yù)留多個(gè)通信接口能夠滿足各類通信方式的儀器儀表，使救護(hù)車能適應(yīng)各種類型的院前救治。

4 結(jié) 論

基于5G的緊急救護(hù)車系統(tǒng)為院前急救提供了全新的服務(wù)，從信息采集、數(shù)據(jù)分析到信息傳輸，實(shí)時(shí)共享院前和院內(nèi)急救的病人信息，實(shí)現(xiàn)了“上車即入院”“移動(dòng)ICU”等創(chuàng)新救治模式，提升了醫(yī)療機(jī)關(guān)院前急救能力，同時(shí)也為5G在醫(yī)療的其他領(lǐng)域創(chuàng)新融合樹立典范。未來的醫(yī)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將充分發(fā)揮5G的智能路由、能力開放、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障、網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)，構(gòu)建省市級(jí)醫(yī)療虛擬專網(wǎng)[6]。