基于5G的心血管區(qū)域介入云中心設(shè)計(jì)與研究＊

夏張濤，童基均，張世明

(1.浙江理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.上海諾基亞貝爾股份有限公司)

0 引言

心血管疾病被公認(rèn)為是全球致死率最高的疾病之一。根據(jù)中國國家心血管病中心發(fā)布的《中國心血管健康與疾病報(bào)告2020》[1]可知，目前中國心血管疾病患者推算有3.3 億人，患病率仍處于持續(xù)上升階段。心血管疾病患者數(shù)量十分龐大，為了對后續(xù)的各種科研工作提供更有效的數(shù)據(jù)支持，有必要將這些臨床數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化存儲和調(diào)閱[2]。

近十年來，心血管介入技術(shù)發(fā)展迅速，各種新設(shè)備、新技術(shù)大量涌現(xiàn)，極大的豐富了介入信息，介入中心信息化、智能化建設(shè)迫在眉睫。目前心血管介入領(lǐng)域存在幾大不足。①介入手術(shù)數(shù)據(jù)采集和管理很大程度上依賴手工，缺乏有效的臨床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不能滿足數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和研究、圖文報(bào)告生成等臨床需求。②介入領(lǐng)域的手術(shù)信息缺乏統(tǒng)一的管理平臺，患者的就診數(shù)據(jù)沒有得到有效的整理，不利于后續(xù)查看與研究。此外，數(shù)據(jù)存儲往往以醫(yī)院為獨(dú)立單位，區(qū)域內(nèi)各醫(yī)院的數(shù)據(jù)沒有共享。③介入領(lǐng)域中的臨床實(shí)踐在“院后隨訪”部分有所欠缺，導(dǎo)致患者容易忽略院后護(hù)理和康復(fù)過程，這會導(dǎo)致再入院率的提高，并且容易消耗更多的醫(yī)療資源。④醫(yī)學(xué)影像設(shè)備在使用中能產(chǎn)生大量醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，在臨床診斷治療中這些影像數(shù)據(jù)信息可以提供大量價(jià)值[3]，但他們的存儲和傳輸卻容易受到傳輸速率、延遲等限制。許多基層的醫(yī)院為了發(fā)展購置了各種醫(yī)學(xué)影像設(shè)備，但卻缺乏精通設(shè)備使用的影像技術(shù)人才，患者往往選擇前往上級醫(yī)院進(jìn)行診療，這不利于分級診療的推行[4]。

隨著第五代移動通信技術(shù)(5th Generation Mobile Communication Technology,5G)的快速普及，其高可靠、低時(shí)延、高速率等特性在醫(yī)學(xué)信息中心特別是影像中心的建設(shè)中，將顯示出極大的應(yīng)用優(yōu)勢，解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題。我們采集患者的基礎(chǔ)信息、電子病歷數(shù)據(jù)和醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)，建立基于5G的區(qū)域介入云中心，共享醫(yī)療衛(wèi)生信息資源，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)介入手術(shù)信息、介入影像數(shù)據(jù)的充分共享和高效協(xié)作，降低醫(yī)療成本，推動分級診療，發(fā)揮醫(yī)聯(lián)體作用。

1 項(xiàng)目技術(shù)方案

1.1 設(shè)備材料

多業(yè)務(wù)邊緣計(jì)算（Multi-Access Edge Computing，MEC）硬件：使用用戶端口功能（User Plane Function，UPF）的MEC 方案，同時(shí)建設(shè)移動邊緣平臺（MEC Platform，MEP），供第三方應(yīng)用程序進(jìn)行安裝，直接完成區(qū)域內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理。具體需要的硬件設(shè)備如下：RH2288H V5，作為UPF 的硬件設(shè)備；RH2288H V5，作為MEP 部署的硬件設(shè)備；RH2288H V5，為第三方應(yīng)用程序的部署提供硬件資源；交換機(jī)CE6865，業(yè)務(wù)架頂式交換機(jī)（Top Of Rack，TOR）；交換機(jī)CE5855，設(shè)備管理TOR。

介入云中心設(shè)備：數(shù)據(jù)采集使用醫(yī)院的電腦設(shè)備(酷睿i3 處理器，4GB 內(nèi)存，1GB 顯存的獨(dú)立顯卡及以上配置)，在IE 瀏覽器上進(jìn)行訪問，并接入院內(nèi)5G 網(wǎng)絡(luò)對云端醫(yī)療影像進(jìn)行查看。需要接入醫(yī)療監(jiān)護(hù)儀，來獲取患者的生理參數(shù)。云服務(wù)器操作系統(tǒng)使用Windows Server 2012 系統(tǒng)，配置在4 核8GB 及以上，存儲空間2TB以上。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

基于5G的區(qū)域介入云中心，涵蓋三個(gè)主體模塊功能，包括結(jié)構(gòu)化的介入臨床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、臨床?？茢?shù)據(jù)庫建設(shè)、介入云隨訪系統(tǒng)。總體功能框架如圖1所示。

圖1 5G+區(qū)域介入云中心系統(tǒng)功能框架圖

1.3 5G技術(shù)方案

基于5G+MEC 打造的5G 區(qū)域介入云中心虛擬專網(wǎng)方案，通過靈活部署形成本地專網(wǎng)，快速實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。

移動通信運(yùn)營商為項(xiàng)目提供專有的5G 獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）虛擬專網(wǎng)，并通過MEC 技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地分流，醫(yī)護(hù)終端院區(qū)外接入需求及現(xiàn)場人員與外界的公網(wǎng)通信需求。

5G 基站通過移動通信傳輸網(wǎng)連接MEC 平臺，MEC 平臺根據(jù)分流策略將本地業(yè)務(wù)卸載到本地健康管理平臺上。

核心網(wǎng)MEC，用戶端口功能（User Plane Function，UPF）方案由醫(yī)院隨業(yè)務(wù)開展，先使用共享MEC?？刂泼嬖谶\(yùn)營商核心機(jī)房，進(jìn)行用戶鑒權(quán)、移動性管理等?？刂泼媾cMEC之間通過專線對接，互通多模光纖（Optical Multi-Mode，OM）網(wǎng)絡(luò)和N4、N9網(wǎng)絡(luò)。傳輸必須具備3 層轉(zhuǎn)發(fā)能力，將控制信令和用戶數(shù)據(jù)分流在中心機(jī)房和數(shù)據(jù)中心機(jī)房。同時(shí)由于使用MEC 解決方案，保證敏感數(shù)據(jù)不出地市，做到專網(wǎng)專用，保護(hù)客戶隱私。

MEC 對接需求：MEC 周邊需要對接的端口包括與SA2.0核心網(wǎng)的OM網(wǎng)絡(luò)互通；與SA2.0中的會話管理功能（Session Managment Function，SMF）之間互通N4接口；與傳輸分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）之間對接N3接口；與醫(yī)院防火墻進(jìn)行對接，接入醫(yī)院內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

目前各個(gè)邏輯接口都是使用的二個(gè)10 萬兆以太網(wǎng)（10 Gigabit Ethernet，GE）的物理端口，在進(jìn)行業(yè)務(wù)隔離的同時(shí)，確保主設(shè)備有保護(hù)。

1.4 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

B/S 架構(gòu)(Browser/Server)是一種伴隨著Web 技術(shù)發(fā)展所興起的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，它可以看作是對傳統(tǒng)客戶端/服務(wù)器(Client/Server,C/S)架構(gòu)的一種改造。在B/S 架構(gòu)下Web 瀏覽器是客戶端的主要應(yīng)用軟件，通過與服務(wù)器主機(jī)的連接，在服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的核心部分，從而簡化了客戶端的操作難度。相比于傳統(tǒng)的C/S架構(gòu)，B/S架構(gòu)具有輕量化、多并發(fā)、強(qiáng)運(yùn)營等優(yōu)勢。

系統(tǒng)基于B/S 架構(gòu)開發(fā)，采用三層架構(gòu)，即表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)訪問層。表現(xiàn)層就是展現(xiàn)給用戶的界面、業(yè)務(wù)邏輯層是針對具體問題的操作、數(shù)據(jù)訪問層進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的直接操作[5]。各層之間的數(shù)據(jù)通過對象模型的實(shí)體類傳遞，并使用接口相互訪問。

系統(tǒng)前端采用了Vue.js 框架。Vue.js 是用于構(gòu)建前端用戶頁面的漸進(jìn)式框架。其核心庫只關(guān)注視圖層，在易于上手的同時(shí)還便于與現(xiàn)有項(xiàng)目整合。此外它還可以方便的與現(xiàn)代化工具鏈以及各種支持類庫結(jié)合使用，具有組件化、虛擬DOM、指令系統(tǒng)等特性，是一個(gè)靈活高效穩(wěn)定的前端開發(fā)框架。

系統(tǒng)后端采用了SSM 框架。SSM 框架是Spring MVC、Spring 和Mybatis 框架的整合，是標(biāo)準(zhǔn)的MVC模式。其中Spring 實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)對象管理，Spring MVC負(fù)責(zé)請求的轉(zhuǎn)發(fā)和視圖管理，Mybatis作為數(shù)據(jù)對象的持久化引擎。SSM 框架具有低成本、高擴(kuò)展性、高可維護(hù)性、高開發(fā)效率等優(yōu)點(diǎn)，是目前主流使用的框架之一。

2 介入云中心功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)化的介入臨床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

結(jié)構(gòu)化的介入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對介入術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后的所有數(shù)據(jù)和影像進(jìn)行科學(xué)地、規(guī)范地全程化管理，降低數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入率，提高醫(yī)護(hù)人員工作效率，保證數(shù)據(jù)的高精確性，并最終推動所有數(shù)據(jù)上云。其主要功能包含介入手術(shù)登記和排臺、護(hù)理數(shù)據(jù)采集、手術(shù)的術(shù)種數(shù)據(jù)采集、介入手術(shù)報(bào)告自動生成、后臺數(shù)據(jù)維護(hù)。其中系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)化的介入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

⑴手術(shù)術(shù)前登記模塊：手術(shù)術(shù)前登記模塊中患者信息獲取方式分為手工登記和醫(yī)院信息系統(tǒng)（Hospital Information System，HIS）讀取，登記和讀取的信息主要有患者基本信息、手術(shù)排班信息和手術(shù)狀態(tài)信息，還包括患者本次手術(shù)的總體耗材記錄。

⑵手術(shù)術(shù)中管理模塊：手術(shù)術(shù)中管理模塊根據(jù)參與角色主要分為護(hù)士和醫(yī)生。護(hù)士主要使用護(hù)理模塊和用藥記錄模塊，用于記錄護(hù)士術(shù)中、術(shù)中、術(shù)后對病人所做的檢查和治療操作。醫(yī)生則使用冠狀動脈造影記錄等多個(gè)術(shù)種模塊和影像操作模塊[6]。最后根據(jù)錄入的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和模板，自動生成手術(shù)經(jīng)過、手術(shù)結(jié)果、術(shù)后醫(yī)囑內(nèi)容，醫(yī)生可在此基礎(chǔ)上做修改。所有模塊的數(shù)據(jù)都通過結(jié)構(gòu)化的形式存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便手術(shù)信息的二次利用。

⑶手術(shù)術(shù)后管理模塊：手術(shù)術(shù)后管理模塊支持通過報(bào)告模板與已經(jīng)錄入的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)自動化生成報(bào)告，不再需要醫(yī)生手動總結(jié)，并且報(bào)告的模板支持個(gè)性化定制。圖3為某一冠脈造影手術(shù)記錄單。患者相關(guān)的報(bào)告也會保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，方便醫(yī)生對患者歷史檢查報(bào)告進(jìn)行查閱，進(jìn)而了解患者既往情況，對治療手術(shù)方案的評估和確定提供輔助診斷。

圖3 冠脈造影報(bào)告模板

2.2 臨床?？茢?shù)據(jù)庫建設(shè)

通過介入臨床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，對患者的術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后數(shù)據(jù)進(jìn)行全生命周期的存儲與管理，建立一個(gè)以患者為中心的心血管領(lǐng)域的臨床?？茢?shù)據(jù)庫[7]。臨床研究的基礎(chǔ)是詳細(xì)的臨床資料，數(shù)據(jù)庫的建立不僅可以滿足大型臨床研究對臨床病例數(shù)據(jù)收集的需求，也可以為未來多因素復(fù)雜疾病和臨床科研信息管理系統(tǒng)提供專項(xiàng)的信息數(shù)據(jù)平臺[8]。臨床?？茢?shù)據(jù)庫可記錄數(shù)據(jù)類型如圖4所示。

圖4 臨床專科數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)類型

采集的詳細(xì)數(shù)據(jù)如下：

⑴患者基線信息，采集患者基線信息包括入院史、既往史、家族史、吸煙史等；

⑵介入手術(shù)信息，根據(jù)上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集介入手術(shù)信息，包括冠狀動脈介入、電生理、起搏器、瓣膜介入等；

⑶患者住院信息，采集患者住院信息包括檢查信息、護(hù)理信息、不良事件記錄、處理記錄、用藥記錄等；

⑷術(shù)后隨訪信息，采集術(shù)后隨訪信息包括基礎(chǔ)信息、癥狀描述、用藥狀況等。

患者及其家屬可以在個(gè)人計(jì)算機(jī)、手機(jī)、平板端訪問介入云中心內(nèi)患者的手術(shù)信息，并依靠5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)查看影像記錄。此外，區(qū)域內(nèi)的分院、合作醫(yī)院、社區(qū)與鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院也可通過區(qū)域介入云中心實(shí)現(xiàn)介入影像共享，與區(qū)域內(nèi)的各醫(yī)院進(jìn)行更好的協(xié)作，利用互聯(lián)網(wǎng)手段，加強(qiáng)患者術(shù)后管理，實(shí)現(xiàn)更加緊密的“醫(yī)療聯(lián)合體”。

在數(shù)據(jù)安全上，從數(shù)據(jù)可用性、數(shù)據(jù)完整性、數(shù)據(jù)隱私性三個(gè)維度進(jìn)行了考慮。在可用性上，為了應(yīng)對突發(fā)狀況，對數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余備份，以此來提高系統(tǒng)的可靠性；在完整性上，采用數(shù)字簽名的方法，保證數(shù)據(jù)在發(fā)送過程中未作任何修改或變動，此外，醫(yī)護(hù)管理人員對數(shù)據(jù)修改后，系統(tǒng)會有修改人員信息記錄，可追溯；在隱私性上，采用嚴(yán)格的身份管理機(jī)制，確保只有授權(quán)的人員和共享的人員能夠訪問，對不同類別的用戶賦予不同的權(quán)限，第三方無關(guān)人員無權(quán)進(jìn)入。

2.3 介入云隨訪系統(tǒng)

該系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)基于區(qū)域的介入云隨訪系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示，分六大模塊。

圖5 介入云隨訪系統(tǒng)架構(gòu)圖

⑴患者管理：介入科室醫(yī)生從HIS 系統(tǒng)獲取或手工登記患者信息，獲取患者信息后，可對患者定制隨訪任務(wù)。

⑵云隨訪任務(wù)：醫(yī)生從醫(yī)院HIS獲取將要進(jìn)行隨訪的患者，根據(jù)手術(shù)及其他信息，為患者定制隨訪周期，之后系統(tǒng)將依據(jù)患者手術(shù)及出院時(shí)間給出隨訪任務(wù)單。醫(yī)生依據(jù)隨訪任務(wù)，定期的在系統(tǒng)中給出隨訪問卷，供患者填寫。

⑶數(shù)據(jù)云連接：根據(jù)系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)，通過服務(wù)器在云內(nèi)連接，實(shí)現(xiàn)上下級醫(yī)院和家屬之間的相互連接，這樣患者可以根據(jù)自身具體情況選擇不同級別的醫(yī)院，可以促進(jìn)醫(yī)療資源更合理、更有效率的發(fā)揮作用[9]。

⑷進(jìn)度管理：對患者的隨訪是一個(gè)長期的過程，一般持續(xù)二年及以上，因此需要對長達(dá)二年的隨訪周期進(jìn)行管理，將其劃分為比較小的時(shí)間段，分別進(jìn)行管理。

⑸關(guān)懷管理：醫(yī)生可以通過系統(tǒng)與出院患者及其家庭進(jìn)行相互聯(lián)系，回答患者的相關(guān)問題，對患者進(jìn)行健康關(guān)懷。能有效的節(jié)約醫(yī)療資源，并降低患者的再入院率。

⑹醫(yī)患交互：系統(tǒng)提供了醫(yī)患交互功能，通過醫(yī)患之間的即時(shí)通信，時(shí)刻關(guān)注患者的健康狀況，并監(jiān)控患者的心電數(shù)據(jù)，幫助醫(yī)生把控患者的病情狀況，方便對其治療方式、藥物處方等進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)束語

本文在建設(shè)智慧醫(yī)療的大背景下，針對心血管介入科室定制了介入云中心系統(tǒng)，根據(jù)臨床需求完整實(shí)現(xiàn)了從患者登記到出院前的全流程數(shù)據(jù)管理，目前該系統(tǒng)已在浙江省內(nèi)多家醫(yī)院的心血管介入科室上線應(yīng)用。對于醫(yī)生和護(hù)士，該系統(tǒng)能夠滿足臨床的基本工作需求，能夠很好的節(jié)省數(shù)據(jù)錄入和報(bào)告制作的時(shí)間，為醫(yī)護(hù)人員提供便利。對于科研人員，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)管理對科研工作人員提供了極大的幫助，省去了以往對文本數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的繁瑣步驟，對后續(xù)的一系列調(diào)查研究有著積極意義。對于患者和家屬，能在系統(tǒng)上更方便的配合醫(yī)生完成隨訪，降低再入院率，同時(shí)可隨時(shí)在自己的設(shè)備上訪問云中心內(nèi)的手術(shù)信息，查看影像記錄，做好自身的健康管理和監(jiān)督。

信息化是醫(yī)院發(fā)展的大勢所趨，其中建設(shè)?？茢?shù)據(jù)庫更是有著重要意義。數(shù)據(jù)庫中收集的數(shù)據(jù)經(jīng)過信息系統(tǒng)初步處理，可將臨床與科研緊密結(jié)合[10]。此外，醫(yī)院的介入科室每天會產(chǎn)生大量的復(fù)雜數(shù)據(jù)，如果僅僅使用醫(yī)院本地的服務(wù)器來管理數(shù)據(jù)會對其產(chǎn)生過大的壓力。隨著云計(jì)算技術(shù)的成熟、安全性能的提高，遵循信息化的可持續(xù)性和可擴(kuò)展性原則，在介入中心信息管理上應(yīng)用云服務(wù)能夠解決這個(gè)問題，并且不需要對服務(wù)器進(jìn)行大規(guī)模的升級和轉(zhuǎn)換，能有效減少介入中心信息化建設(shè)的開支，值得各家醫(yī)院推廣。