基于5G多接入邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)醫(yī)院應(yīng)用提升的探索

【摘要】? ? 在以5G為代表的物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，人類社會(huì)進(jìn)入萬物互聯(lián)的智能時(shí)代。在醫(yī)療行業(yè)，如何借助5G及其關(guān)聯(lián)技術(shù)，如多接入邊緣計(jì)算和切片技術(shù)，減少醫(yī)院應(yīng)用對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的依賴，提升醫(yī)院內(nèi)部各應(yīng)用系統(tǒng)的部署和交互效率，打通系統(tǒng)間的屏障，最終為人民提供更高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)，變得越來越迫切。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)? ? 多接入邊緣計(jì)算? ? 醫(yī)院? ? 應(yīng)用提升

一、現(xiàn)狀

為了支撐醫(yī)院相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行，目前醫(yī)院內(nèi)部基本采用有線網(wǎng)絡(luò)和無線WLAN相結(jié)合的方式。有線網(wǎng)絡(luò)和無線WLAN一般是劃分接入層、匯聚層和核心層三層，對(duì)于一些中小等規(guī)模的醫(yī)院，可采用二層組網(wǎng)模式，即將匯聚層和核心層合并。但這兩種網(wǎng)絡(luò)方式都有一些弊端存在，比如說傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)，存在新增信息點(diǎn)困難、變更施工工期長(zhǎng)、排障難等問題，不適應(yīng)醫(yī)院業(yè)務(wù)發(fā)展的需求;無線WLAN存在連接成功率低、切換時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)、易受干擾和攻擊等問題。

為了解決以上的痛點(diǎn)，更好地服務(wù)醫(yī)院業(yè)務(wù)的拓展，作者認(rèn)為可以借助5G及其關(guān)聯(lián)技術(shù)，特別是MEC（Multi-access Edge Computing，多接入邊緣計(jì)算）和切片技術(shù)，將醫(yī)院的各項(xiàng)業(yè)務(wù)承載在5G專網(wǎng)上，依靠5G網(wǎng)絡(luò)特有的技術(shù)特點(diǎn)，解決大帶寬、低時(shí)延高可靠、大連接的業(yè)務(wù)需求。多接入邊緣計(jì)算技術(shù)可降低業(yè)務(wù)的響應(yīng)時(shí)延并保證數(shù)據(jù)安全性，而切片技術(shù)實(shí)現(xiàn)醫(yī)院內(nèi)所有業(yè)務(wù)基于同一張網(wǎng)且做到邏輯隔離，應(yīng)用范圍涉及視頻監(jiān)控安全系統(tǒng)、遠(yuǎn)程查房系統(tǒng)、智能終端無線化等。

二、5G技術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬，低時(shí)延高可靠，大連接的基本特性，可實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模設(shè)備連接，其體驗(yàn)速率能達(dá)到100Mbps，峰值速度可達(dá)10Gbps，空口時(shí)延可達(dá)1ms，端到端時(shí)延在20ms以內(nèi)，可支持的移動(dòng)性為500km/h，最大連接數(shù)為100萬/km2。5G 在 UE 身份安全方面也進(jìn)行了很大的優(yōu)化，引入SUPI和SUCI，提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性，即使知道了用戶的IMSI，也無法對(duì)其進(jìn)行監(jiān)聽或竊取數(shù)據(jù)。4G及無線WIFI能勉強(qiáng)滿足4K和100ms級(jí)別時(shí)延的業(yè)務(wù)，而5G能輕松滿足8K、裸眼3D、360度全景攝像頭和10ms時(shí)延級(jí)別的業(yè)務(wù)，這將大幅提升或拓展醫(yī)院的業(yè)務(wù)。

三、MEC技術(shù)

MEC技術(shù)是實(shí)現(xiàn)5G低延遲和提升帶寬速率等的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時(shí)MEC為應(yīng)用程序和服務(wù)打開了網(wǎng)絡(luò)邊緣，包括來自第三方的應(yīng)用程序和服務(wù)，使得通信網(wǎng)絡(luò)可以轉(zhuǎn)變成為其它行業(yè)和特定客戶群的多功能服務(wù)平臺(tái)[1]。MEC技術(shù)可以為醫(yī)院院內(nèi)、院間、院外提供高性能、定制化、差異化的無線通信服務(wù)，主要有兩種下沉方式，即將MEC部署在醫(yī)院自有機(jī)房或運(yùn)營(yíng)商機(jī)房。針對(duì)小型醫(yī)院或單院區(qū)場(chǎng)景，MEC可選擇下沉到醫(yī)院本地機(jī)房，流量在本地卸載，數(shù)據(jù)不出院區(qū);針對(duì)跨院區(qū)建設(shè)場(chǎng)景，MEC可考慮部署在總院中心匯聚機(jī)房或者運(yùn)營(yíng)商骨干機(jī)房，為各分院的醫(yī)療業(yè)務(wù)提供用戶面接入服務(wù)，分院業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)直接由5G基站路由到MEC，無需經(jīng)過運(yùn)營(yíng)商公網(wǎng)。不論采用何種下沉方式，MEC設(shè)備都需接入運(yùn)營(yíng)商的5GC SA（Standalone，獨(dú)立組網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行管理和信令接續(xù)。

未來醫(yī)院大概率會(huì)采用云機(jī)房，將業(yè)務(wù)系統(tǒng)全部搬到云端;在醫(yī)院內(nèi)部不配置機(jī)房，或僅保留數(shù)據(jù)備份服務(wù)器。對(duì)于這種情況，將專屬M(fèi)EC部署在運(yùn)營(yíng)商機(jī)房會(huì)更加合適，當(dāng)然也可以采用優(yōu)享或共享模式，即共享MEC模式，這可以大大減少網(wǎng)絡(luò)成本，但是安全性會(huì)有所下降;然后再?gòu)腗EC設(shè)備至少布放兩條數(shù)據(jù)專線至醫(yī)院核心或匯聚網(wǎng)絡(luò)打通業(yè)務(wù)通道，這兩條專線嚴(yán)格要求滿足雙路由。圖1是5G MEC的基礎(chǔ)架構(gòu)圖。

在醫(yī)院內(nèi)的5G用戶可分為醫(yī)院專網(wǎng)用戶和公網(wǎng)用戶，根據(jù)對(duì)公網(wǎng)數(shù)據(jù)不同的路由方法，MEC組網(wǎng)方案可分為基于IP分流的串接組網(wǎng)方案和基于DNN專網(wǎng)的并接組網(wǎng)方案。基于IP分流的方案就是不論公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)數(shù)據(jù)都流入對(duì)應(yīng)的專網(wǎng)MEC，然后專網(wǎng)MEC再根據(jù)目的IP來判定數(shù)據(jù)是轉(zhuǎn)發(fā)是專網(wǎng)服務(wù)器還是公網(wǎng)的UPF;而基于DNN的方案，專網(wǎng)用戶的上行數(shù)據(jù)根據(jù)5G專用接入點(diǎn)和專用切片將數(shù)據(jù)路由專屬M(fèi)EC以及醫(yī)院內(nèi)部業(yè)務(wù)服務(wù)器，而公網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)則由5G通用接入點(diǎn)最終流向Internet。這兩類用戶可以選擇共用5G基站，也可以選擇分開，通常選擇共用基站。醫(yī)療機(jī)構(gòu)的終端及其現(xiàn)有服務(wù)器借助5G模組或CPE以無線連接方式接入5G基站。

四、應(yīng)用場(chǎng)景

4.1智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)

未來的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將不單單是配置簡(jiǎn)單攝像機(jī)進(jìn)行視頻的采集，更多的將會(huì)是智能攝像機(jī)，融合各種不同的應(yīng)用場(chǎng)景，具有人臉識(shí)別、車牌識(shí)別、穿戴識(shí)別、行為分析等AI功能，借助5G攝像頭與智能視頻監(jiān)控平臺(tái)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)真正的智能安防。5G攝像頭可支持100Mbps傳輸速率和8K以上分辨率，同時(shí)支持裸眼3D（帶寬需求50-100Mbps）和360度全景攝像頭（帶寬需求80-100Mbps），能實(shí)現(xiàn)高清采集、存儲(chǔ)和分析。在此基礎(chǔ)上可將監(jiān)控系統(tǒng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合，根據(jù)人臉識(shí)別結(jié)果關(guān)聯(lián)到病人就診信息，實(shí)現(xiàn)病人在院內(nèi)的智能導(dǎo)診等業(yè)務(wù)。

4.2移動(dòng)護(hù)理系統(tǒng)

5G專網(wǎng)能很好地滿足移動(dòng)護(hù)理中各類場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延及帶寬需求，保障數(shù)據(jù)更快、更完整的采集，實(shí)現(xiàn)高效智能移動(dòng)護(hù)理。在日常查房護(hù)理中，借助5G網(wǎng)絡(luò)，醫(yī)護(hù)人員可以通過高清音視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)交互溝通，處理各種突發(fā)情況，在護(hù)理過程中發(fā)現(xiàn)病人的病情有可疑變化時(shí)，能保障信息的準(zhǔn)確及時(shí)傳送，抓住黃金搶救時(shí)間;實(shí)現(xiàn)患者各項(xiàng)體征數(shù)據(jù)的移動(dòng)化采集和高速傳輸，提高查房和護(hù)理服務(wù)的質(zhì)量和效率。移動(dòng)醫(yī)護(hù)中的其他環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)如醫(yī)囑管理、藥品管理、靜配核對(duì)等也可以通過5G專網(wǎng)來高效完成。與傳統(tǒng)4G或WLAN網(wǎng)絡(luò)相比，5G PDA將大大提升醫(yī)療護(hù)理效率。

4.3胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)

胎心監(jiān)護(hù)是孕晚期孕媽媽必做的一項(xiàng)檢查，旨在通過監(jiān)測(cè)胎動(dòng)和胎心率的變化來了解胎兒儲(chǔ)備能力，同時(shí)醫(yī)生對(duì)胎兒在宮內(nèi)狀況做出評(píng)估，以此判斷胎兒在母體內(nèi)安危。目前胎心監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)化一般都是采用頻段為2.4G、5.8G或醫(yī)用433M的WLAN，但WLAN存在切換時(shí)間長(zhǎng)、易受同頻或異頻干擾，可靠性差，會(huì)引起經(jīng)常性、長(zhǎng)時(shí)間的掉線，這嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和可分析性。那如果胎心監(jiān)護(hù)儀設(shè)備側(cè)增加5G通信模組或借助CPE接入醫(yī)院5G專網(wǎng)，通過5G基站將采集數(shù)據(jù)直接經(jīng)MEC疏導(dǎo)到院內(nèi)胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)服務(wù)器，然后在醫(yī)院各個(gè)區(qū)域設(shè)置胎心監(jiān)護(hù)中央站，根據(jù)胎心監(jiān)護(hù)儀編號(hào)從服務(wù)器端獲取胎心監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù);醫(yī)生在中央站上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，再將報(bào)告通過院內(nèi)有線網(wǎng)絡(luò)或5G無線上傳到HIS系統(tǒng)中。借助5G技術(shù)，將加快胎心監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的部署速度，提高胎心監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的采集效率、穩(wěn)定性和可靠性，解決掉線問題，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)護(hù)胎兒在宮內(nèi)狀況，將孕晚期風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

4.4體重秤等智能終端無線化

除了上述提及的系統(tǒng)，醫(yī)院內(nèi)部還存在很多的智能終端，如體重秤，血壓儀，血?dú)夥治鰞x等，如果每新增一個(gè)智能終端，就要新增網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，除了考慮有線布放的工程量外，還要考慮接入或匯聚交換機(jī)的端口數(shù)是否夠用，這是比較難以實(shí)現(xiàn)的。借助院內(nèi)的5G專網(wǎng)，只需將這些智能終端接入5G模組或5G CPE實(shí)現(xiàn)無線化，智能終端就能將采集后的數(shù)據(jù)經(jīng)確認(rèn)后實(shí)時(shí)上傳到院內(nèi)相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，將大大減少人工登記的工作量，避免人力因素導(dǎo)致數(shù)據(jù)錄入錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和工作效率。

五、結(jié)束語

借助5G技術(shù)，在醫(yī)院內(nèi)部引入5G專網(wǎng)，減少醫(yī)院應(yīng)用對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的依賴，提升醫(yī)院內(nèi)部各應(yīng)用系統(tǒng)的部署效率并打通系統(tǒng)間的屏障。5G專網(wǎng)不僅有醫(yī)院傳統(tǒng)自有網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全保證，其高帶寬，低時(shí)延、高可靠等特性還能提高了醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳輸效率和可靠性，同時(shí)通過將終端智能化在一定程度上將醫(yī)護(hù)人員從繁鎖的工作解放出來，進(jìn)一步提升了醫(yī)療數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和工作效率。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]陳丹、肖羽等.多接入邊緣計(jì)算在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化.2021.4

施振祥（1985.09-），男，漢族，福建泉州，廈門市婦幼保健院，碩士研究生，工程師，350524198509113011。