5G移動(dòng)智能影像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

史森中 張和華 黃 靖 周 超 龔黎伶

(中國(guó)人民解放軍陸軍特色醫(yī)學(xué)中心醫(yī)學(xué)工程科 重慶 400042) (中國(guó)人民解放軍陸軍特色醫(yī)學(xué)中心信息科 重慶 400042)

1 引言

在醫(yī)療信息化工作中，各類診療工作離不開醫(yī)學(xué)影像存儲(chǔ)與傳輸系統(tǒng)(Picture Archiving and Communication System，PACS)作為支撐。以往該系統(tǒng)工作環(huán)境主要位于有線局域網(wǎng)個(gè)人電腦用戶終端中，即醫(yī)務(wù)人員必須在相應(yīng)科室的工作區(qū)域通過個(gè)人工作站才能對(duì)相應(yīng)影像檢查報(bào)告進(jìn)行查詢和檢索[1-2]。開發(fā)一種不受局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境所限制的系統(tǒng)和平臺(tái)，以便醫(yī)務(wù)工作者能通過移動(dòng)智能平臺(tái)無線連接到終端，及時(shí)了解和掌握工作站中患者的PACS影像檢查結(jié)果非常必要。

2 移動(dòng)智能影像系統(tǒng)研究進(jìn)展

2.1 技術(shù)條件成熟

近年來國(guó)內(nèi)通信技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國(guó)家相關(guān)政策支持下迅猛發(fā)展，相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及技術(shù)條件不斷完善，為移動(dòng)PACS提供了網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)保障。根據(jù)工信部發(fā)布的2020年通信業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況，截至2020年10月末5G手機(jī)終端連接數(shù)量已達(dá)3.65億戶，代表著我國(guó)5G技術(shù)及應(yīng)用環(huán)境已趨于成熟并且可以持續(xù)化發(fā)展，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)移動(dòng)醫(yī)療技術(shù)提供了有利條件，使移動(dòng)PACS實(shí)施成為可能。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中越來越多商業(yè)機(jī)構(gòu)以及科研單位積極研究適用于移動(dòng)終端的PACS。

2.2 形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

移動(dòng)PACS的醫(yī)學(xué)病理和影像分析分類編碼標(biāo)準(zhǔn)方面，典型代表是醫(yī)學(xué)數(shù)字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)3.0標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)早期是由美國(guó)放射學(xué)及電子制造協(xié)會(huì)共同起草完成，通過不斷修改和完善形成行業(yè)通用的DICOM 3.0標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)也是醫(yī)學(xué)影像傳輸與通信的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，目前被普遍采用，是當(dāng)前使用最為廣泛的大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化中文醫(yī)用術(shù)語數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有利于PACS影像存儲(chǔ)、傳輸和歸檔，且實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間PACS影像資料的快速傳閱共享和檢索重建。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 概述

本系統(tǒng)移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸主要依托于第5代移動(dòng)通信技術(shù)(5th Generation Mobile Networks，5G)，安全方面主要借助公開密鑰基礎(chǔ)設(shè)施(Public Key Infrastructure, PKI)加密技術(shù)，數(shù)字認(rèn)證技術(shù)以及虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(Virtual Private Network，VPN)等。在保證數(shù)據(jù)安全前提下形成一個(gè)5G閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。5G網(wǎng)絡(luò)擁有高速的傳輸速率以及更大的帶寬容量，目前國(guó)內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)帶寬理論上可達(dá)1～10Gbit/s[3]，其傳輸速率優(yōu)于現(xiàn)有的百兆光纖網(wǎng)絡(luò)。為移動(dòng)PACS傳輸閱覽和調(diào)取提供強(qiáng)大通信基礎(chǔ)支持。醫(yī)務(wù)人員通過利用已授權(quán)的移動(dòng)終端，安裝本系統(tǒng)APP客戶終端后即可實(shí)現(xiàn)上述操作。

3.2 系統(tǒng)平臺(tái)選擇

目前主流移動(dòng)智能終端系統(tǒng)操作平臺(tái)主要由iOS以及安卓(Android)系統(tǒng)所占據(jù)[4]，用戶數(shù)量巨大。但從開發(fā)者角度來看iOS相對(duì)較為封閉，其二次開發(fā)難度較大，系統(tǒng)程序不可替代，其中的第3方程序需要非常嚴(yán)格的應(yīng)用權(quán)限授權(quán)。而Android系統(tǒng)權(quán)限相對(duì)較為開放，能夠自由容納第3方應(yīng)用程序，可以實(shí)現(xiàn)第3方應(yīng)用程序?qū)υ邢到y(tǒng)程序的替換。因此選擇較為開放的Android平臺(tái)作為本移動(dòng)PACS影像終端的系統(tǒng)平臺(tái)。

3.3 跨網(wǎng)訪問安全性問題

3.3.1 概述 基于5G網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搭建移動(dòng)PACS需要通過外部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境跨網(wǎng)訪問內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。由于醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)屬于涉密局域網(wǎng)，需要防止醫(yī)療數(shù)據(jù)、患者信息泄露，同時(shí)還要阻止系統(tǒng)外部攻擊，因此在系統(tǒng)規(guī)劃初期即將網(wǎng)絡(luò)安全措施和機(jī)制納入其中。

3.3.2 安全機(jī)制和構(gòu)建措施 陸軍特色醫(yī)學(xué)中心作為大型三甲醫(yī)院已經(jīng)擁有相對(duì)豐富的經(jīng)驗(yàn)，如已實(shí)現(xiàn)微信、支付寶等APP掃描支付結(jié)賬，通過手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行掛號(hào)等功能?，F(xiàn)階段采取VPN技術(shù)，通過外部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)調(diào)取內(nèi)部局域網(wǎng)系統(tǒng)。移動(dòng)PACS醫(yī)學(xué)影像安全訪問技術(shù)層面主要借助外網(wǎng)云服務(wù)運(yùn)營(yíng)商，通過劃分、租賃私有云并通過VPN技術(shù)完成整個(gè)過程。

3.3.3 具體構(gòu)建路徑 在院內(nèi)根據(jù)業(yè)務(wù)需求和安全等級(jí)保護(hù)要求，采用防火墻、網(wǎng)閘來控制互聯(lián)網(wǎng)接入到核心交換區(qū)；利用入侵檢測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的攻擊行為；設(shè)置對(duì)外提供服務(wù)的隔離區(qū)(Demilitarized Zone，DMZ)，將移動(dòng)醫(yī)療系統(tǒng)服務(wù)器部署在此。在院外，借助阿里云等云服務(wù)平臺(tái)劃分醫(yī)院的專有網(wǎng)絡(luò)(Virtual Private Cloud，VPC)，通過VPN相連[5]。VPN 可以通過特殊的加密通信協(xié)議在互聯(lián)網(wǎng)上兩個(gè)或多個(gè)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)之間建立一條專有通信線路，以確保移動(dòng)PACS訪問安全。

3.4 影像調(diào)閱通信標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在移動(dòng)終端PACS影像調(diào)閱過程中采用DICOM 3.0作為移動(dòng)影像成像與通信標(biāo)準(zhǔn)。移動(dòng)PACS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用樹形結(jié)構(gòu)，其文件頭包含導(dǎo)言和前綴，而數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)元素的核心技術(shù)是成像技術(shù)，其載體為數(shù)據(jù)像素。傳輸方式主要分為數(shù)據(jù)像素矩陣和圖像文件格式，包括患者姓名和年齡等基本信息資料，見圖1。

圖1 移動(dòng)影像系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信結(jié)構(gòu)

3.5 移動(dòng)終端影像壓縮

近年來由于醫(yī)療機(jī)構(gòu)特別是三甲醫(yī)療機(jī)構(gòu)日門診量以及住院患者數(shù)量日趨增長(zhǎng)，每日產(chǎn)生的影像文件數(shù)量多達(dá)10萬份,日新增影像報(bào)告數(shù)據(jù)量達(dá)數(shù)十至數(shù)百GB，需要相應(yīng)的醫(yī)學(xué)影像文件壓縮技術(shù)。本系統(tǒng)在影像文件格式壓縮方面主要采用JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)[6]，通過感興趣區(qū)域(Region of Interest，ROI)分層壓縮技術(shù)編碼實(shí)現(xiàn)影像文件分層壓縮,解決單純應(yīng)用JPEG2000標(biāo)準(zhǔn)壓縮技術(shù)所存在的塊狀文件模糊問題。在圖像傳送中采用基于小播技術(shù)的壓縮方法，對(duì)超大醫(yī)學(xué)影像(24Mbytes)采用3%的壓縮率快速壓縮、解壓。醫(yī)學(xué)影像進(jìn)行壓縮后圖像仍然能保持原圖的細(xì)微結(jié)構(gòu)及清晰度，從而保障能用于移動(dòng)診斷。同時(shí)將放射線影像壓縮率控制在1%，大幅降低圖像傳輸速度且適合本系統(tǒng)運(yùn)行。

3.6 系統(tǒng)架構(gòu)

3.6.1 概述 系統(tǒng)主要基于瀏覽器/服務(wù)器(Browser/Server，B/S)模型的超文本標(biāo)記語言5(Hyper Text Markup Language 5，HTML5)架構(gòu)作為可視化平臺(tái)模型，其客戶端安裝較簡(jiǎn)便，維護(hù)擴(kuò)展相對(duì)較容易[7]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)主要包括客戶端、服務(wù)器端兩部分，見圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3.6.2 客戶端 用戶界面采用JavaScript作為整體開發(fā)語言?？蛻舳瞬糠种饕ǎ嚎梢暬挠脩艚缑?、可根據(jù)需求進(jìn)行擴(kuò)展和修改定制的功能模塊、異步圖像載入模塊等。通過線程消息傳遞機(jī)制接受指令和返回?cái)?shù)據(jù)；二維及三維影像傳輸解析模塊主要負(fù)責(zé)醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)繪制和交互顯示。利用二維、三維影像解析模塊響應(yīng)前端不同服務(wù)請(qǐng)求，解決了因線程沒有優(yōu)化處理可能出現(xiàn)的影像資料文件無法正常顯示、加載緩慢、內(nèi)存溢出、系統(tǒng)奔潰等問題。

3.6.3 服務(wù)器 負(fù)責(zé)全院影像結(jié)果的資料存儲(chǔ)和歸檔。PACS服務(wù)器通過DCMTK技術(shù)實(shí)現(xiàn)全院醫(yī)學(xué)影像資料的歸納、存儲(chǔ)和解析，瀏覽器端和服務(wù)器端之間通過超文本傳輸協(xié)議(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)進(jìn)行通信。HTTP作為一種被廣泛使用的通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在開放式系統(tǒng)互連(Open System Interconnect，OSI)的協(xié)議體系上靈活且穩(wěn)定，非常適合本系統(tǒng)影像文件傳輸和通信。系統(tǒng)是現(xiàn)有醫(yī)護(hù)工作站的擴(kuò)展和延伸，而非簡(jiǎn)單的復(fù)制。傳輸網(wǎng)絡(luò)方面借助5G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)PACS服務(wù)器的調(diào)用和查詢，在通過智能終端系統(tǒng)完成相應(yīng)患者影像結(jié)果的診斷后，將診斷結(jié)果傳輸至診斷服務(wù)器進(jìn)行保存和歸檔。

3.7 移動(dòng)影像報(bào)告瀏覽與處理

3.7.1 實(shí)現(xiàn)PACS服務(wù)器中影像報(bào)告的直接調(diào)閱瀏覽 作為PACS的移動(dòng)終端，需要直接調(diào)閱瀏覽PACS服務(wù)器中的影像報(bào)告，采取兩個(gè)步驟來實(shí)現(xiàn)：第1步通過DICOM3.0標(biāo)準(zhǔn)將影像圖像下載到本地。由于移動(dòng)終端的本地存儲(chǔ)空間限制，直接打開“.DCM”格式文件將會(huì)在移動(dòng)終端中產(chǎn)生大量緩存冗余文件，因此通過第2步選中相應(yīng)“.DCM”文件后進(jìn)行2次壓縮和解析。打開過程中影像報(bào)告已通過JPEG 2000標(biāo)準(zhǔn)和ROI分層壓縮編碼進(jìn)行2次文件壓縮以及文件解析顯示，實(shí)際打開后的影像文件是“.PG2”文件格式，“.DCM”文件被2次壓縮和解析后能夠在該移動(dòng)終端得到良好展現(xiàn)，相應(yīng)像素滿足醫(yī)療診斷的閱片標(biāo)準(zhǔn)。

3.7.2 影像報(bào)告處理和閱片功能設(shè)計(jì) 由于移動(dòng)智能終端受本身體積限制，不能提供具有強(qiáng)大圖像處理功能的獨(dú)立顯卡和顯存，為此在移動(dòng)影像報(bào)告的閱覽和處理方面設(shè)計(jì)影像報(bào)告處理和閱片功能，包括影像報(bào)告以軸點(diǎn)為中心自由縮放功能，以便單手或雙手實(shí)現(xiàn)操作；窗口界面位置調(diào)整功能；影像圖像拖移翻轉(zhuǎn)功能；影像報(bào)告色度、色溫、亮度、灰度、相位的深度、對(duì)比度顯示等，能夠滿足移動(dòng)環(huán)境下醫(yī)務(wù)人員工作需要，實(shí)現(xiàn)對(duì)患者影像結(jié)果的查閱、診斷、分析和處理等常用操作。此外還包括影像報(bào)告中病灶的批注和標(biāo)注功能；影像報(bào)告查詢、編輯以及提交功能等。

4 應(yīng)用成效

4.1 緩解基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)影像技術(shù)人員匱乏的問題

我國(guó)影像診斷醫(yī)師人才緊缺，多集中在大城市、大醫(yī)院。很多中小醫(yī)療機(jī)構(gòu)引進(jìn)了先進(jìn)的影像設(shè)備,但缺乏優(yōu)秀的影像診斷醫(yī)師。針對(duì)此情況，本系統(tǒng)設(shè)置影像診斷托管模式，醫(yī)院只需配備影像設(shè)備操作技師和1臺(tái)會(huì)診服務(wù)器，會(huì)診服務(wù)器直接連接影像設(shè)備或PACS服務(wù)器，遠(yuǎn)程影像會(huì)診中心專家通過移動(dòng)智能終端無線連接進(jìn)行影像實(shí)時(shí)監(jiān)控。診斷中心專家可通過移動(dòng)智能終端的系統(tǒng)平臺(tái)查閱患者醫(yī)學(xué)影像，遠(yuǎn)程進(jìn)行醫(yī)學(xué)影像診斷和確認(rèn)后出具影像診斷報(bào)告，基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)收到診斷報(bào)告后直接打印并發(fā)放給患者。此方式解決基層醫(yī)療結(jié)構(gòu)影像診斷人員缺乏問題，可有效提高醫(yī)院診斷水平以及患者對(duì)醫(yī)療機(jī)構(gòu)的信賴程度。

4.2 加強(qiáng)基層醫(yī)院對(duì)影像診斷結(jié)果的質(zhì)量控制

部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)影像科醫(yī)生診斷水平較低，無法保證影像診斷質(zhì)量。本系統(tǒng)提供遠(yuǎn)程專家影像審核功能，基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)在拍完影像后，影像科醫(yī)生書寫診斷報(bào)告，上級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)專家通過系統(tǒng)智能終端與基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)PACS對(duì)接，遠(yuǎn)端上級(jí)醫(yī)療機(jī)構(gòu)能第1時(shí)間調(diào)取患者影像及基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)影像科醫(yī)生所書寫的診斷報(bào)告，進(jìn)行影像審核，從而加強(qiáng)影像診斷質(zhì)量把控?；鶎俞t(yī)療機(jī)構(gòu)只負(fù)責(zé)報(bào)告書寫，沒有審核權(quán)限，遠(yuǎn)程專家在查看并審核后，由基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)醫(yī)生打印并發(fā)放給患者，加強(qiáng)了基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)影像報(bào)告的嚴(yán)謹(jǐn)性。

4.3 實(shí)現(xiàn)緊急情況下的移動(dòng)診斷

醫(yī)療行業(yè)中，即便是大型醫(yī)療機(jī)構(gòu)，夜間住院總值班醫(yī)師、值班醫(yī)師數(shù)量有限，且診斷經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較缺乏，當(dāng)遭遇緊急疑難病例時(shí)很難快速應(yīng)對(duì)和診斷[7]。為解決這一問題，醫(yī)療機(jī)構(gòu)為一線上級(jí)醫(yī)師配備可隨身攜帶的移動(dòng)影像終端設(shè)備，緊急會(huì)診情況下，一線上級(jí)醫(yī)師根據(jù)緊急會(huì)診需求可遠(yuǎn)程提取會(huì)診影像數(shù)據(jù)進(jìn)行會(huì)診。住院醫(yī)師通過系統(tǒng)平臺(tái)接口單獨(dú)提交會(huì)診申請(qǐng)資料并上傳患者PACS影像到一線醫(yī)師的移動(dòng)影像智能終端系統(tǒng)，智能終端收到會(huì)診申請(qǐng)后，一線醫(yī)師對(duì)該疑難影像進(jìn)行會(huì)診并提出診斷意見。

4.4 院內(nèi)影像診斷更加高效

移動(dòng)終端影像信息系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)院內(nèi)醫(yī)學(xué)影像的互聯(lián)互通，醫(yī)師會(huì)診地點(diǎn)不再局限于辦公室，影像會(huì)診也無需預(yù)約時(shí)間。在全院無線接入節(jié)點(diǎn)(Access Point，AP)覆蓋情況下，該系統(tǒng)支持利用移動(dòng)智能終端查看影像資料，實(shí)現(xiàn)臨床病區(qū)的影像查房功能。此外還支持門診、急診等科室的影像調(diào)閱，以及在5G/4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的影像資料調(diào)閱，確保出診醫(yī)生可以更加準(zhǔn)確地對(duì)危急患者進(jìn)行診斷治療。醫(yī)師和專家無論是否在院內(nèi)都可通過5G/4G高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行智能移動(dòng)終端遠(yuǎn)程影像學(xué)診斷和會(huì)診，確保在AP無法覆蓋的范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定地運(yùn)用系統(tǒng)完成高效率的影像學(xué)診斷。

5 結(jié)語

近年來移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)不斷迭代更新，為數(shù)字交換和數(shù)字通信開辟了嶄新領(lǐng)域。Web技術(shù)和電子信息技術(shù)不斷進(jìn)步，促進(jìn)無線智能終端設(shè)備成本不斷降低[8]，并對(duì)醫(yī)療機(jī)構(gòu)PACS提出新要求，移動(dòng)PACS普及成為可能，受到國(guó)內(nèi)外醫(yī)療信息工作者、醫(yī)務(wù)人員的高度關(guān)注?；跓o線移動(dòng)通信協(xié)議、B/S架構(gòu)打造的移動(dòng)影像信息系統(tǒng)，順應(yīng)了電子信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展趨勢(shì)，滿足了我國(guó)醫(yī)療診斷精準(zhǔn)化和高效率等方面的需求。移動(dòng)醫(yī)學(xué)影像系統(tǒng)的應(yīng)用突破了以往有線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下診斷環(huán)境和設(shè)備的限制，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無邊界影像數(shù)據(jù)傳輸。但值得注意的是，移動(dòng)影像系統(tǒng)并不能完全取代傳統(tǒng)PC終端影像系統(tǒng)，其只是傳統(tǒng)影像系統(tǒng)的輔助和延伸。隨著5G技術(shù)乃至更高標(biāo)準(zhǔn)無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及智能終端的進(jìn)步，移動(dòng)影像信息系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)更多功能并持續(xù)發(fā)展。