基于5G技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)電磁兼容環(huán)境下測試分析與圖像評估*

陳婉如 吳佳歡 趙娜 / .上海市計量測試技術(shù)研究院；.上海海關(guān)機(jī)電中心

0 引言

隨著5G技術(shù)高速發(fā)展與逐漸普及，其低時延高可靠通信的技術(shù)特性，被廣泛應(yīng)用于智慧醫(yī)療領(lǐng)域，為遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程手術(shù)提供高速、實時、可靠的通信支撐。2019年3月，中國人民解放軍總醫(yī)院完成全國首例基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程“帕金森病腦起搏器”植入手術(shù)，醫(yī)生在海南為北京的患者實施手術(shù)。2019年4月，國際首家5G遠(yuǎn)程超聲門診在解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院正式成立并開診，海南的醫(yī)生為330千米外的西沙島礁駐島戰(zhàn)士進(jìn)行遠(yuǎn)程體檢。

5G通信是在4G通信基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通信速度快，但由于引進(jìn)了新的頻譜，使得電磁穩(wěn)態(tài)降低，場景應(yīng)用更為復(fù)雜，設(shè)備間電磁干擾更頻繁，易產(chǎn)生互相影響，造成系統(tǒng)性能下降，無法達(dá)到預(yù)期[1]。一旦設(shè)備因為電磁兼容問題導(dǎo)致互相影響，造成遠(yuǎn)程手術(shù)時影像延遲、中斷、抖動、不清晰等現(xiàn)象，將直接影響醫(yī)生的下一步操作，甚至造成嚴(yán)重的醫(yī)療事故，危害患者的生命安全。

因此，評估遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)在電磁干擾環(huán)境下的傳輸性能尤為重要，并且應(yīng)模擬實際工作場景，結(jié)合5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)在電磁兼容環(huán)境中的輻射值、抗干擾能力綜合分析，以降低電磁兼容問題所造成的5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)傳輸性能下降或功能喪失的風(fēng)險。

1 5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)性能評估方法發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 醫(yī)療系統(tǒng)電磁兼容檢測標(biāo)準(zhǔn)

國家食品藥品監(jiān)督管理局2005年批準(zhǔn)發(fā)布的YY 0505-2005《醫(yī)用電氣設(shè)備第1-2部分：安全通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容要求和試驗》由IEC 60601-1-2：2001翻譯而來。GB/T 18268.1-2010《測量、控制和實驗室用的電設(shè)備電磁兼容性要求》也是作為醫(yī)療器械相關(guān)的電磁兼容通用技術(shù)要求。

因為國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)大多引用國際標(biāo)準(zhǔn)，而國家標(biāo)準(zhǔn)的制定又要經(jīng)歷從立項到發(fā)布，長達(dá)1～2 a的周期，因此，標(biāo)準(zhǔn)往往滯后，且無法及時滿足現(xiàn)實中產(chǎn)品性能評估的要求，其中包括近期得到快速發(fā)展的5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)。

1.2 檢測標(biāo)準(zhǔn)的不足

高可靠性和低延時性是5G通信的主要特性，也是其應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療的重要原因，因此，5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)中的設(shè)備電磁兼容抗干擾能力需更加強(qiáng)大。檢測實驗室更需在測試階段檢查出該系統(tǒng)的電磁兼容問題，以保障其工作時的安全性。

由于實時影像傳輸對遠(yuǎn)程醫(yī)療尤為重要，因此，在為5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)做電磁兼容測試時，應(yīng)該結(jié)合影像傳輸指標(biāo)，綜合評判效果?，F(xiàn)有檢測標(biāo)準(zhǔn)中，電磁兼容環(huán)境下5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)的傳輸性能指標(biāo)，尤其是影像質(zhì)量方面的指標(biāo)缺少對應(yīng)的評估標(biāo)準(zhǔn)。

通常標(biāo)準(zhǔn)中的性能判據(jù)只簡單定義了設(shè)備遭受電磁兼容干擾后是否可以自行恢復(fù)，卻沒有定義性能判據(jù)的依據(jù)。電磁兼容工程師主要完成電磁兼容檢測方法、電磁兼容環(huán)境的搭建，但是如何準(zhǔn)確地評估影像質(zhì)量，并沒有專門的評定工具。為了保障電磁兼容測試準(zhǔn)確性，應(yīng)與實測場景相結(jié)合，且定義影像指標(biāo)以及評估方法。

1.3 電磁兼容費效比關(guān)系

醫(yī)療器械研發(fā)成本較一般產(chǎn)品高，并且從研發(fā)到上市周期較長。為了降低開發(fā)成本，應(yīng)該在產(chǎn)品設(shè)計階段就考慮電磁兼容問題。圖1展示了電磁兼容費效比關(guān)系，由此可見，在產(chǎn)品開發(fā)初期未重視電磁兼容設(shè)計，而后期為了符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求所設(shè)計的解決方案非但在技術(shù)實現(xiàn)上難度較大，而且耗費大量的時間和金錢。尤其搭建大型的醫(yī)療系統(tǒng)，花費的研發(fā)成本和時間更多。

圖1 電磁兼容費效比關(guān)系

2 試驗平臺的建立

2.1 5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)試驗平臺搭建

為了模擬遠(yuǎn)程手術(shù)，本文以內(nèi)窺鏡為受控設(shè)備，如圖2所示搭建5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容測試。

圖2 電磁兼容暗室中基于5G的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)

圖2中，遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)采用一款高清口腔內(nèi)窺鏡采集臨床的視頻數(shù)據(jù)；基于模擬5G基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；另外，該系統(tǒng)中采用局域網(wǎng)私有云服務(wù)器進(jìn)行醫(yī)療影像傳輸，其目的為排除公有云網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定導(dǎo)致的結(jié)果偏差，私有云服務(wù)器通過Ubuntu虛擬機(jī)架設(shè)在局域網(wǎng)臺式機(jī)上。

基于5G的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程用戶通過客戶端播放流媒體，從而實現(xiàn)了醫(yī)療影像的遠(yuǎn)程訪問。

2.2 傳輸性能評估軟件設(shè)計及選取

設(shè)計了一款智能遠(yuǎn)程影像質(zhì)量評估軟件，自動采集遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)發(fā)出和接收的影像，通過均方誤差（E）、峰值信噪比（P）、結(jié)構(gòu)相似性（S）指標(biāo)評估分析發(fā)出和接收影像的差異率，最終對如何合理規(guī)范地評估5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析和探討。

E（Mean Square Error）是用于描述原圖和處理后圖片的對應(yīng)像素點的方差均值，是圖像/視頻處理領(lǐng)域目前應(yīng)用最廣泛的性能量化指標(biāo)，簡單易用，運算速度快，具體計算公式為

式中：m——視頻幀的長；

n——視頻幀的寬；

ti,j——原始圖像在像素（i，j）處的像素值；

ri,j——重建圖像在圖像（i，j）處的像素值E的值越小，視頻圖像的質(zhì)量越好[2]。

P（Peak Signal-to-Noise Ratio）表示峰值信噪比，即信號最大功率和影響準(zhǔn)確度的噪聲的功率比值，是圖像質(zhì)量最主要的客觀評價方法[3]。

式中：M——圖像顏色點的最大數(shù)值，在8點采樣中最大值可以取255

對于彩色圖片，在計算E時，對三種顏色通道的E值求平均值即可。P的值越大，視頻圖像的質(zhì)量越好。

S（Structural Similarity Index）表示結(jié)構(gòu)相似度。S認(rèn)為人類視覺感知能力高度自適應(yīng)提取場景中的結(jié)構(gòu)信息，用于衡量根據(jù)圖像像素間的相關(guān)性構(gòu)造出的參考圖像與待評價圖像之間結(jié)構(gòu)相似性的指標(biāo)，S值越大，圖像質(zhì)量越好[4]。

式中：x——對應(yīng)的參考圖像；

y——待評價圖像；

μ——均值；

σ——方差或協(xié)方差；

l(x,y)——亮度；

c(x,y)——對比度；

s(x,y)——結(jié)構(gòu)

2.3 受控電磁兼容暗室環(huán)境設(shè)定

本試驗中，受控電磁兼容暗室環(huán)境設(shè)定如下。

2.3.1 輻射發(fā)射測試

輻射發(fā)射測試是檢測設(shè)備通過空間以電磁波形式向外發(fā)射電磁騷擾能量的項目，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 4824-2019《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備射頻騷擾特性限值和測量方法》，輻射發(fā)射測試場地一般在半電波暗室或開闊場中進(jìn)行。本試驗中輻射發(fā)射測試是在10 m半電波暗室中開展的，測試頻率段覆蓋30 MHz～6 GHz，測試設(shè)備包括承載被測設(shè)備的轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)、接收天線、騷擾測量儀以及控制系統(tǒng)。5G影像傳輸設(shè)備發(fā)出干擾信號后經(jīng)接收天線傳輸至騷擾測量儀，通過控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺角度和天線高度，從而找到干擾信號的最大值。由于測試時需要保證被測設(shè)備在5G網(wǎng)絡(luò)下工作，鑒于場地和設(shè)備限制，本次試驗中將5G綜合測試儀作為輔助設(shè)備與被測設(shè)備一同置于暗室內(nèi)。在正式測試前對5G綜合測試儀和環(huán)境進(jìn)行預(yù)掃，其水平極化和垂直極化測試結(jié)果如圖3和圖4所示，由此可知，5G綜合測試儀對本次測試影響較小，可以置于暗室中開展試驗。

圖3 5G綜合測試儀與環(huán)境水平極化測試結(jié)果

圖4 5G綜合測試儀與環(huán)境垂直極化測試結(jié)果

將5G手機(jī)接入5G綜合測試儀系統(tǒng)中，開啟視頻傳輸模式，進(jìn)行測試，其測試結(jié)果如圖5和圖6所示，由此可知，5G影像傳輸系統(tǒng)在30 MHz～1 GHz頻段范圍內(nèi)主要干擾信號的頻率點在55 MHz左右，并且為寬頻騷擾信號，其干擾信號幅度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值范圍內(nèi)，可以認(rèn)為該系統(tǒng)的低頻輻射發(fā)射電磁兼容性能較好，對周圍環(huán)境的影響在理想范圍之內(nèi)。具體測試時的照片如圖7、圖8所示。

圖5 5G影像傳輸系統(tǒng)水平極化測試結(jié)果

圖6 5G影像傳輸系統(tǒng)垂直極化測試結(jié)果

圖7 5G影像傳輸系統(tǒng)輻射發(fā)射測試照片（正面）

圖8 5G影像傳輸系統(tǒng)輻射發(fā)射測試照片（背面）

2.3.2 輻射抗擾度測試

輻射抗擾度（Radiate Susceptibility）又稱輻射敏感度，是最基本的電磁兼容測試項目之一，指各種裝置、設(shè)備或系統(tǒng)，在存在輻射的情況下，抵抗輻射的一種能力[5]。敏感度越高，抗干擾的能力越低。輻射抗擾度測試系統(tǒng)由信號發(fā)生器、功率放大器和發(fā)射天線組成。

根據(jù)YY 0505-2005的要求，本試驗中輻射抗擾度測試在3 m全電波暗室內(nèi)進(jìn)行，測試頻段為80 MHz～2.5 GHz。通過光纖攝像頭觀察畫面是否變化，以及通過自制的遠(yuǎn)程影像質(zhì)量評估軟件對暗室內(nèi)外的圖像傳輸指標(biāo)進(jìn)行判定，判斷圖像質(zhì)量在輻射干擾下是否下降。并使用第三方測試軟件Pinginfoview考察視頻在電磁兼容干擾下的抖動、丟包率等指標(biāo)，進(jìn)一步判斷電磁輻射是否對5G影像傳輸造成干擾。

為了保證5G綜合測試儀不受輻射的影響，將其置于暗室外部進(jìn)行測試，系統(tǒng)搭建如圖9、圖10所示。

圖9 5G影像傳輸系統(tǒng)輻射抗擾度測試照片

圖10 5G影像傳輸系統(tǒng)輻射抗擾度測試照片

延遲、抖動和丟包則是為了避免網(wǎng)絡(luò)抖動而產(chǎn)生的視頻播放效果的惡化。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和視頻解碼器往往需要對視頻流進(jìn)行延遲和緩沖，而恒定的延遲表現(xiàn)為視頻觀看時間的推遲；視頻編碼器/服務(wù)器性能變化、網(wǎng)絡(luò)擁擠、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能變化都可能導(dǎo)致視頻流的抖動變化，觀測視頻流的抖動變化可以幫助用戶提前發(fā)現(xiàn)視頻傳輸質(zhì)量惡化的趨勢；在沒有適當(dāng)?shù)囊曨l解碼補(bǔ)償或者丟包重傳機(jī)制下，丟包對視頻播放質(zhì)量有直接的影響，使播放質(zhì)量出現(xiàn)不同程度的下降[6]。通過測試時打開Pinginfoview軟件（圖11），判斷圖像有無丟包和抖動情況。

圖11 Pinginfoview軟件記錄界面

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 電磁兼容試驗結(jié)果分析

2020年9月，IEC發(fā)布了醫(yī)療設(shè)備電磁騷擾要求和測試標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 60601-1-2：2014的第一份修訂IEC 60601-1-2：2014/A1：2020，新標(biāo)準(zhǔn)中首次提到基本性能風(fēng)險管理需要考慮5G移動電話所產(chǎn)生的電磁騷擾[7]。由此可見，國際標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對設(shè)備抗擾度提出了要求，因目前植入5G通信功能的醫(yī)療設(shè)備尚未全面開發(fā)、建設(shè)，標(biāo)準(zhǔn)中并未限定設(shè)備本身的輻射發(fā)射值。

通過輻射騷擾和輻射抗擾度測試，足以看出遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)在植入5G功能后，輻射值依然在限值以下，滿足發(fā)射的要求，該系統(tǒng)在輻射抗擾度的測試場景下，依舊運行正常，并未受到影響。在當(dāng)前測試標(biāo)準(zhǔn)下，植入5G后的測試系統(tǒng)符合要求，可以應(yīng)用于5G遠(yuǎn)程醫(yī)療場景中。

3.2 電磁兼容輻射、抗擾度測試環(huán)境下影像質(zhì)量評估分析

本文為了更準(zhǔn)確地獲取5G醫(yī)療影像傳輸系統(tǒng)抗干擾能力，結(jié)合醫(yī)療影像質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷，并研制一款自動比對影像軟件進(jìn)行圖像采集、分析、判定。

運行遠(yuǎn)程影像質(zhì)量評估軟件，自動評估5G影像傳輸系統(tǒng)的影像質(zhì)量評估結(jié)果見表1。

表1 電磁兼容環(huán)境下影像質(zhì)量評估

結(jié)構(gòu)相似性是一種全參考的圖像質(zhì)量評價指標(biāo)，它分別從亮度、對比度、結(jié)構(gòu)三個方面度量圖像相似性。取值范圍[0，1]，值越大，表示圖像失真越小[8]。

由表1可見，搭建的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)在沒有干擾的情況下圖像未失真，在施加輻射騷擾時，峰值信噪比為38.87，符合圖像質(zhì)量評估指標(biāo)要求，但是確實與沒有干擾的環(huán)境下的指標(biāo)存在微小的差異。

本文在評估圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過Pinginfoview考察視頻在電磁兼容干擾下的抖動、丟包率等指標(biāo)，最終對模擬的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)進(jìn)行了全面的分析。

4 結(jié)語

就醫(yī)學(xué)圖像而言，特定的診斷任務(wù)會依賴于圖像質(zhì)量的評價，質(zhì)量好的圖像能提高診斷決策正確性，保證手術(shù)過程中的安全性。本文通過搭建一套基于5G技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)，在電磁兼容環(huán)境下對遠(yuǎn)程會診和遠(yuǎn)程手術(shù)所產(chǎn)生的高清視頻流的最終顯示效果進(jìn)行分析，并充分結(jié)合醫(yī)療影像特性，研究在不同電磁兼容環(huán)境下，用計算機(jī)自動進(jìn)行定量評價的方法，使圖像質(zhì)量評價過程智能化。

通過試驗，發(fā)現(xiàn)對該5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)抗干擾能力的評價尤為重要?；谌松戆踩c設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性的角度出發(fā)，制定符合5G通信下智慧醫(yī)療電磁兼容評估標(biāo)準(zhǔn)，通過提高圖像質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性，更好地服務(wù)于更多的醫(yī)用場景。