基于5G的智能化快速部署醫(yī)院遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)技術(shù)研究*

黃心旋 李曼 唐小勇 朱磊 任海英

(1.中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)會(huì)展部，北京 100191；2.中國(guó)信息通信研究院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所，北京 100191；3.中移(成都)信息通信科技有限公司研發(fā)一部，成都 610200)

0 引言

快速部署醫(yī)院，又稱“方艙醫(yī)院”，其概念由美國(guó)軍隊(duì)在20世紀(jì)50年代初提出，之后應(yīng)用范圍逐漸向保障非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)轉(zhuǎn)變。進(jìn)入21 世紀(jì)后，快速部署醫(yī)院向組合化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，在信息化程度、機(jī)動(dòng)能力、環(huán)境適應(yīng)能力等方面的性能也得以提升。我國(guó)于20世紀(jì)90年代初期開始研制醫(yī)用方艙，目前已完成三代技術(shù)更迭。第三代新型醫(yī)療方艙配置衛(wèi)生、醫(yī)療、通信、水氣電、遠(yuǎn)程會(huì)診等功能，正在逐步縮小與國(guó)際先進(jìn)水平的差距[1-3]。

快速部署醫(yī)院一般由醫(yī)療功能單元、病房單元、技術(shù)保障單元等部分構(gòu)成，具有機(jī)動(dòng)性好、部署快速、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，并集成緊急救治、外科處置、臨床檢驗(yàn)等多方面功能，能夠適應(yīng)突發(fā)的應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援任務(wù)，曾在我國(guó)抗疫、抗震救災(zāi)等公共衛(wèi)生應(yīng)急保障中發(fā)揮了巨大作用。但由于缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，快速部署醫(yī)院的規(guī)?；?、智能化發(fā)展受到制約[4]。

2020年年初新冠肺炎疫情暴發(fā)，我國(guó)為應(yīng)對(duì)疫情蔓延，開始在多地區(qū)建設(shè)方艙醫(yī)院，集中收治輕癥患者，有效杜絕了病毒在公共場(chǎng)所的快速傳播。為縮短方艙醫(yī)院建設(shè)周期，快速完成院內(nèi)整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，部分方艙醫(yī)院依托5G技術(shù)進(jìn)行信息化能力建設(shè)，其全無線組網(wǎng)模式有效加快了建設(shè)速度。5G網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、高速率、低時(shí)延等特性，可滿足疫情下醫(yī)療場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的高需求，依托5G在方艙醫(yī)院內(nèi)構(gòu)建遠(yuǎn)程醫(yī)療相關(guān)的業(yè)務(wù)服務(wù)，有效解決了醫(yī)療資源匱乏、醫(yī)護(hù)人員不足、防護(hù)物資短缺等問題，降低了交叉感染概率[5-7]。

本文主要研究基于5G的智能化快速部署醫(yī)院遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用相關(guān)的通信技術(shù)，全面考慮系統(tǒng)感知、傳輸和應(yīng)用等方面問題，從業(yè)務(wù)場(chǎng)景、總結(jié)架構(gòu)、通信技術(shù)要求和網(wǎng)絡(luò)性能要求等方面進(jìn)行分析，為5G智能化快速部署醫(yī)院信息系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計(jì)和建設(shè)提供參考。

1 業(yè)務(wù)場(chǎng)景

智能化快速部署醫(yī)院的遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)場(chǎng)景包括遠(yuǎn)程會(huì)診、遠(yuǎn)程超聲、遠(yuǎn)程查房、遠(yuǎn)程影像質(zhì)控、遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)、遠(yuǎn)程?？圃\斷、遠(yuǎn)程教學(xué)等[8]。本章主要介紹智能化快速部署醫(yī)院內(nèi)常用的五種業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

1.1 遠(yuǎn)程會(huì)診

遠(yuǎn)程會(huì)診是指依托于后勤保障醫(yī)療機(jī)構(gòu)及后援醫(yī)療資源，在快速部署醫(yī)院內(nèi)針對(duì)疑難病例、多學(xué)科交叉病例等開展會(huì)診服務(wù)，并出具診斷意見及報(bào)告的過程?；诟咔逡曈嵪到y(tǒng)的建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)高清、實(shí)時(shí)、在線數(shù)據(jù)共享的交互式會(huì)診，滿足會(huì)診室、科室、病房、移動(dòng)終端等多場(chǎng)景下遠(yuǎn)程會(huì)診應(yīng)用的需要，有助于為方艙內(nèi)患者提供更加正規(guī)、系統(tǒng)、有效的治療方案，提高診療效率和診療質(zhì)。

遠(yuǎn)程會(huì)診服務(wù)包括實(shí)時(shí)會(huì)診、多學(xué)科遠(yuǎn)程協(xié)同會(huì)診、專家門診、全門診等，可滿足各類患者需求，針對(duì)特定患者制定個(gè)性化治療方案，并實(shí)現(xiàn)臨床診室、輔診檢查、門診藥房等多部門的遠(yuǎn)程協(xié)作。

1.2 遠(yuǎn)程超聲

由于新冠肺炎病毒不僅對(duì)患者肺部有損傷，還會(huì)進(jìn)一步損傷心臟、腎臟等重要器官，尤其針對(duì)有基礎(chǔ)疾病的患者，需要對(duì)其臟器進(jìn)行診斷評(píng)估。超聲由于沒有輻射，是作為新冠肺炎病情動(dòng)態(tài)評(píng)估優(yōu)選的檢查手段。

遠(yuǎn)程超聲業(yè)務(wù)服務(wù)包括機(jī)器人超聲和實(shí)時(shí)會(huì)診與指導(dǎo)。遠(yuǎn)程機(jī)器人超聲基于通信、傳感器技術(shù)，由醫(yī)療專家根據(jù)患者端的視頻和力反饋信息進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，無需近端醫(yī)生參與即可完成超聲檢查。遠(yuǎn)程超聲實(shí)時(shí)會(huì)診過程中，雙方醫(yī)生可基于超聲影像視頻進(jìn)行協(xié)同標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、跨醫(yī)院之間的業(yè)務(wù)指導(dǎo)、質(zhì)量管控，保障快速部署醫(yī)院內(nèi)超聲工作的規(guī)范性和合理性。

1.3 遠(yuǎn)程查房

遠(yuǎn)程查房業(yè)務(wù)服務(wù)實(shí)現(xiàn)了受邀方、邀請(qǐng)方與床邊病人的遠(yuǎn)程互動(dòng)式高清交流，從而達(dá)到良好的實(shí)時(shí)床旁會(huì)診、持續(xù)監(jiān)護(hù)指導(dǎo)的效果，在提高診療水平、促進(jìn)最佳醫(yī)療方案的實(shí)施，提高用藥安全等方面起到明顯效果。此外，遠(yuǎn)程查房還可以通過查房機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)藥品派送、遠(yuǎn)程探視等零接觸服務(wù)。

1.4 遠(yuǎn)程影像質(zhì)控

遠(yuǎn)程影像實(shí)時(shí)質(zhì)控是指在快速部署醫(yī)院內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程超聲、遠(yuǎn)程影像、遠(yuǎn)程內(nèi)鏡操作等過程中，進(jìn)行多站點(diǎn)視頻實(shí)時(shí)審核與指導(dǎo)。基于5G網(wǎng)絡(luò)，采用集中化多站點(diǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以在遠(yuǎn)程質(zhì)控中心實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)操作畫面高清實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，并可以進(jìn)行雙向互動(dòng)。

1.5 遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)

遠(yuǎn)程手術(shù)可全方位、立體化、多維度實(shí)時(shí)呈現(xiàn)患者手術(shù)全貌及各類診療數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)端專家可通過遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)方案討論、手術(shù)支持與操作指導(dǎo)，能夠有效解決快速部署醫(yī)院內(nèi)應(yīng)對(duì)緊急手術(shù)醫(yī)療資源不足等問題。

2 總體架構(gòu)

遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)包括應(yīng)用層、平臺(tái)層、網(wǎng)絡(luò)層和終端層[8]，各層之間的架構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)應(yīng)用層為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供業(yè)務(wù)模塊應(yīng)用服務(wù)，包括遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)管系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程會(huì)診、遠(yuǎn)程超聲、遠(yuǎn)程查房、遠(yuǎn)程影像質(zhì)控、遠(yuǎn)程手術(shù)等醫(yī)療服務(wù)；通過遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各級(jí)遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)情況的分析、統(tǒng)計(jì)、決策、調(diào)度等多種管理功能。

遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)平臺(tái)層構(gòu)建在中心云或邊緣云之上，為應(yīng)用層提供基礎(chǔ)平臺(tái)能力，支撐上層業(yè)務(wù)應(yīng)用的開展，是構(gòu)建整個(gè)遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)系統(tǒng)的公共組件和關(guān)鍵構(gòu)成。邊緣云計(jì)算平臺(tái)具有低延時(shí)、自組織、可定義、可調(diào)度等特點(diǎn)，與中心云相互配合，實(shí)現(xiàn)多云協(xié)同。

遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層為展開遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)提供安全、高效、可靠的硬件及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，是遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)。

遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)終端層根據(jù)遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求，提供符合要求的軟硬件站點(diǎn)服務(wù)。

3 通信技術(shù)要求

3.1 終端技術(shù)要求

遠(yuǎn)程醫(yī)療終端應(yīng)在通信、業(yè)務(wù)系統(tǒng)、設(shè)備安全等方面符合相關(guān)技術(shù)要求。通信方面，遠(yuǎn)程醫(yī)療終端應(yīng)支持5G NSA模式和SA模式，相關(guān)元器件選型需滿足對(duì)應(yīng)的行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。業(yè)務(wù)系統(tǒng)方面，遠(yuǎn)程醫(yī)療終端應(yīng)支持高清視頻信號(hào)采集/輸出、實(shí)時(shí)多點(diǎn)高清視頻互動(dòng)協(xié)同等，應(yīng)符合相應(yīng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景下的傳輸策略要求。安全方面，遠(yuǎn)程醫(yī)療終端應(yīng)符合電磁兼容、醫(yī)用電氣設(shè)備、醫(yī)用電器環(huán)境等方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

遠(yuǎn)程醫(yī)療終端還應(yīng)滿足醫(yī)療級(jí)抗菌消毒要求，應(yīng)符合QB-T 2591-2003 《抗菌塑料 抗菌性能試驗(yàn)方法和抗菌效果》和GB/T 4208-2017《外殼防護(hù)等級(jí)(IP代碼)》。

3.2 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)要求

穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)支撐是遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要保證。遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)開展過程中具有實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)傳輸量大、交互頻繁、呈現(xiàn)效果要求高等特點(diǎn)?；谶@些特點(diǎn)，遠(yuǎn)程醫(yī)療信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)應(yīng)遵循可靠性、開放性、安全性、可管理性、應(yīng)急通信能力等原則。

接入網(wǎng)層面，可基于5G大帶寬、低時(shí)延、廣覆蓋的業(yè)務(wù)承載技術(shù)，為遠(yuǎn)程醫(yī)療提供快速、靈活、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)性能。非5G遠(yuǎn)程醫(yī)療終端可通過5G CPE或網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)。

傳輸網(wǎng)支撐遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)與遠(yuǎn)程醫(yī)療中心實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，保障相關(guān)業(yè)務(wù)開展。快速部署醫(yī)院的選址應(yīng)盡量在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋良好的地域，可通過端到端切片技術(shù)，為醫(yī)療業(yè)務(wù)分配固定傳輸資源；若選址因自然災(zāi)害、當(dāng)?shù)赝ㄐ刨Y源匱乏等客觀因素受限，可通過應(yīng)急通信車、無人機(jī)、微波、衛(wèi)星通信等多種途徑或組合來提供高品質(zhì)的傳輸通道。

此外，遠(yuǎn)程醫(yī)療云業(yè)務(wù)的開展需要強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)能力的支撐，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施需要更好地適應(yīng)云計(jì)算應(yīng)用的需求，并能更好地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以確保網(wǎng)絡(luò)的靈活性、智能性和可運(yùn)維性。通過遠(yuǎn)程醫(yī)療云網(wǎng)融合服務(wù)，可快速構(gòu)建服務(wù)個(gè)性化、業(yè)務(wù)智能化、流程可視化的遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)體系。

3.3 平臺(tái)技術(shù)要求

遠(yuǎn)程醫(yī)療平臺(tái)構(gòu)建在中心云或邊緣云之上，應(yīng)支持計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)等基礎(chǔ)資源管理及虛擬化管理，支持業(yè)務(wù)中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)管理，能夠提供融合網(wǎng)絡(luò)聚合傳輸、終端遠(yuǎn)程操控、高可靠高清視訊、多媒體內(nèi)容存儲(chǔ)分發(fā)等服務(wù)能力。還應(yīng)支持多云協(xié)同，即中心云與邊緣云之間、多個(gè)邊緣云之間在基礎(chǔ)資源、平臺(tái)服務(wù)等方面的協(xié)同能力。

4 網(wǎng)絡(luò)性能要求

遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)需支持多路高清音視頻交流，患者影像、病歷數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步共享，遠(yuǎn)程超聲指導(dǎo)實(shí)時(shí)同步等應(yīng)用場(chǎng)景，不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求有所區(qū)別，各業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)速率和時(shí)延的要求詳見表1。

表1 遠(yuǎn)程醫(yī)療各業(yè)務(wù)場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)性能要求

5 結(jié)束語

基于5G的智能化快速部署醫(yī)院結(jié)合遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)場(chǎng)景，能夠更好地為突發(fā)公共衛(wèi)生事件提供應(yīng)急救援和保障能力。本文分析了基于5G的智能化快速部署醫(yī)院遠(yuǎn)程醫(yī)療業(yè)務(wù)場(chǎng)景和總體架構(gòu)，提出了通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)性能方面的實(shí)現(xiàn)要求，后續(xù)將繼續(xù)深入研究遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和智慧醫(yī)院管理等業(yè)務(wù)在快速部署醫(yī)院中的應(yīng)用和技術(shù)要求，進(jìn)一步構(gòu)建基于5G的智能化快速部署醫(yī)院標(biāo)準(zhǔn)體系，為智能化快速部署醫(yī)院的5G網(wǎng)絡(luò)搭建和配置遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和智慧管理等功能模塊提供參考。