基于5G+的智慧急救醫療服務體系構建研究*

張夢馨 紀 浩

(1臺州職業技術學院 臺州 318000 2浙江工業大學 杭州 310014) (1杭州醫學院醫學情報與衛生政策研究中心 杭州 310014 2浙江省醫學情報研究所 杭州 310014)

1 引言

1.1 急救醫療服務體系

急救醫療服務體系(Emergency Medical Service System, EMSS)是融合院前急救、院內救治、重癥監護等多個醫療救治單元的復雜系統工程[1]，其主要任務包括緊急醫療物資供給、危重癥患者現場評估、急救方案早期制定、院前院內救治銜接等，EMSS的建立、發展與完善對于爭取救援“黃金時間”、挽救患者生命意義重大，當前已成為我國衛生健康事業的重要組成部分。

1.2 5G網絡

隨著5G網絡在核心網技術、無線空口技術以及承載網技術上取得突破，技術賦能急救醫療服務體系的優勢進一步凸顯[2]。一方面，5G網絡具備超低時延特性，可有效保障對病患生命體征、醫學影像等數據的實時傳輸，有利于將急救工作前移，搶占急救“黃金時間”。另一方面，5G網絡具備海量連接以及超大帶寬特性，支持急救中心(站)、醫療設備、多媒體設備、通信設施等各模塊同時接入，且能確保超清視頻、海量醫學影像資料的高速回傳，為現場救援、遠程指導、預檢分診、院前院內急救銜接等提供支撐。此外基于5G網絡切片和邊緣云計算還能對急救醫療大數據進行更加智能化的操作，包括靈活分流、分析時延以及加密傳輸等[3]。因此在5G技術加持下急救醫療體系服務效能將顯著提升。

1.3 融入5G網絡的急救醫療服務實踐

在實踐方面，融入5G網絡的急救醫療服務已有較多成功案例。2010年德國建成世界上第1輛移動卒中單元(Multi-Subscriber Unit，MSU)。2014年美國首個移動急救醫療單元在休斯敦建成。2019年日本防衛醫科大學融合5G和虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術建設VR急救指揮中心。近年來我國在5G急救醫療上取得一定進展，2019年5月全國首個5G應急救援系統在四川投入使用；同年6月上海開展首例5G急救演習；2020年重慶首輛5G+急救車在大渡口落地。但從整體上看，當前基于5G+技術的急救醫療服務體系建設還處于初級階段，尤其在急救信息共享、急救資源配置、急救流程優化等方面仍有較大提升空間[4]。鑒于此本文擬從規劃設計的視角出發，構建融入5G+技術的智慧急救醫療服務體系，以期為政府決策、醫院管理、公共服務等提供參考。

2 架構設計

2.1 整體架構

基于5G的智慧急救醫療服務體系，以泛在融合信息網絡為基礎，以全面實時獲取急救數據為核心，以短距離通信技術和5G遠距離傳輸專網的融合協同網絡為通道，以急救共享云數據庫和醫院數據庫為載體，對急救病患數據進行加工、集成、分類和應用[5]。在此基礎上，構建面向卒中、胸痛、創傷等各類專病的急救數據集，有利于為急救病患提供更加高效的應急醫療服務支撐，更加及時的應急醫療資源供給，更加周密的應急醫療保障，更加智能的應急指揮、決策與監管，最終為人民生命安全、社會經濟發展、地區安全穩定保駕護航。主要架構包括急救信息感知體系、急救網絡傳輸體系、急救數據管理體系以及智慧急救服務體系，見圖1。

圖1 5G+智慧急救醫療服務體系架構

2.2 急救信息感知體系

2.2.1 急救現場數據獲取 急救信息感知體系是為實現對急救病患數據的全流程采集，包括急救現場的數據獲取和日常生活中的數據監測。在緊急救援現場，基于智能可穿戴設備，如將智慧手環或射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)腕帶綁定病患，實時感知其體溫、脈搏等基礎信息；基于面部識別技術，及時調取病患既往病史、基礎疾病、體檢檔案、就診記錄等形成結構化電子病歷；基于5G急救車裝備的各類便攜式數據采集設備，如監護儀、B超機、呼吸機、生化分析儀、心電檢測設備等，建立機器與病患之間的實時通信，采集并初步分析病患各類生命體征數據。

2.2.2 日常生活數據監測 在日常生活中對病患數據的采集途徑分為3類：一是通過嵌入在病患居住、工作等各個場景的傳感器網絡集群設備進行實時監測；二是調取醫院數據庫，包括醫院信息系統(Hospital Information System，HIS)，檢驗信息系統(Laboratory Information System，LIS)，醫學影像存儲與傳輸系統(Picture Archiving and Communication System，PACS)等，獲取相關診療數據、體檢數據以及臨床數據；三是抓取病患日常通過急救程序上傳的健康信息等。

2.3 急救網絡傳輸體系

急救網絡傳輸體系由短距離通信、遠距離傳輸等各類無線通信技術優化部署構建而成，目的是將急救信息感知層獲取到的數據以低成本、高效率、全方位方式傳輸至各急救專病數據服務器，同時還負責接收“急救指揮大腦”的控制信息，確保急救數據在各醫療單元之間的穩定傳送[6]。短距離通信網絡部署場景包括5G急救車、急救站點、病房、手術室以及社區等通信距離<50 m的小范圍區域，部署方式為無線局域網(Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee、Z-Wave等)和低功耗廣域網(NB-IoT、eMTC、LoRa、SigFox等)，同時基于網絡切片和邊緣計算，實現更加智慧的信息交互。基于5G技術的非公共網絡(Non-Public Network，NPN)模式，命名數據網絡(Data Network Name，DNN)模式以及上行分類器(Uplink Classifier，UL CL)模式，構建面向不同醫療急救場景的遠距離智慧傳輸網絡，包括5G院內專網、5G遠程醫療專網、5G應急救治專網、5G應急指揮專網。

2.4 急救數據管理體系

急救數據管理體系由數據存儲、數據集成以及數據應用模塊3部分構成，其基于5G網絡低時延、大帶寬、廣連接特性，綜合運用大數據分析、深度學習、知識圖譜、數據挖掘以及特征識別等技術，對信息感知層獲取到的多元異構急救數據進行智慧化、差異化處理，進而面向卒中、胸痛、創傷以及其他類型的急救病患構建定制化的個人專病數據庫，從而更高效地實現急救病患預檢分診、醫院選取、病房選擇、臨床質控、留院觀察、康復治療等。數據存儲模塊由急救云共享數據庫和醫院數據平臺組成；數據集成模塊基于提取、轉換、加載(Extract，Transform and Load，ETL)工具對病患急救數據進行封裝與集成；數據應用模塊分為卒中數據庫、胸痛數據庫、創傷數據庫以及其他急救專病數據庫。

2.5 智慧急救服務體系

2.5.1 病患端 基于數據挖掘、知識圖譜、深度學習等，結合獲取到的復雜病患數據，進行一對一精準畫像，從而構建病患突發疾病概率評估模型，定量化病患的患病風險，進而生成定制化的個人健康管理電子檔案，持續向病患提供健康干預服務，從對突發疾病的預測視角最大化降低患病風險[7]。

2.5.2 急救端 指揮人員可以通過指揮中心大屏實時了解當前所在區域的急救資源利用與閑置情況，從而更高效、科學地規劃急救路線、下達急救指令，有利于急救資源的精準化調度；現場醫護人員可以通過所攜帶的醫療設備進行急救數據采集，基于5G網絡實現數據高效回傳，與遠端急救專家進行實時通信，有利于對急救病患采取初步醫學幫扶；遠端專家可以通過遠程視頻互動系統、診療數據共享信息系統進行病情的遠程評估與會診，在必要情況下甚至可以開展遠程手術。

2.5.3 家庭端 智慧急救服務體系還可以基于傳感器網絡集群技術進行病患健康情況的實時監測、健康評估等，當數據出現異常或偏差時會啟動求救警報。

3 功能設計與實現

3.1 功能概述

3.1.1 健康監測與健康管理 針對傳統急救醫療服務體系的缺陷，本文設計的融入5G+技術的智慧急救醫療服務體系在數據、管理、業務3個維度實現預期功能。通過對目標病患健康數據的長期采集與積累，構建動態化的個人健康管理數據庫，基于知識圖譜與深度學習算法提供精準的病患“健康畫像”，從而在急救場景下快速生成更高效的針對性救治方案，縮短急救時間。

3.1.2 保障院前急救與院內急診的數據銜接 在5G網絡、傳感器集群以及云平臺的支撐下，實現對病患院前急救與院內急診在數據上的銜接，更智慧地進行急救藥品、急救設備、急救科室以及急救人員的準備。

3.1.3 營造多元化的遠程急救場景 融合5G網絡的遠程可視化會診系統、混合現實算法、3D建模、實時渲染與互動、VR、混合現實(Mixed Reality，MR)以及增強現實(Augmented Reality，AR)等，構建更加多元的急救場景，包括遠程病情診斷、遠程救治指導、遠程手術等，實現優質急救醫療資源下沉。

3.1.4 更好地發揮急救指揮功能 基于5G+技術急救指揮中心可以更好地進行救援線路規劃、急救物資調度、急救過程可視化展示、急救培訓與急救指導等，實現對急救全流程的智慧化管理，保證各急救環節更好地銜接。

3.2 健康監測與健康管理

3.2.1 健康監測 基于傳感器、可穿戴設備實現對病患健康數據的實時監測，在納入個人信息、體檢數據、診療記錄、用藥日志、血壓、血氧、血糖、心電圖等健康數據的基礎上，結合知識圖譜、深度學習等算法對患者精準畫像。

3.2.2 健康管理 基于個人健康數據的長期監測、積累與研究，融合數據挖掘，形成更加智慧化的個人健康管理數據庫。可以實現以下功能和服務：一是定期或不定期地接收相關醫療單元的個性化健康信息推送，更高效地進行個人健康管理；二是當生命體征指標出現異常或較大偏差時，可以啟動相應健康預警服務，提醒病患進行健康檢查；三是在急救場景下，快速調取病患相關醫療數據，形成有針對性的診療方案。

3.3 院前院內急救數據銜接

通過將院前急救醫療體系與5G網絡、云計算、邊緣計算、網絡切片、短距離通信、傳感器集群等技術進行融合，解決院前急救與院內服務的“斷裂”難題。一方面，基于統一的時鐘源，將在急救現場獲取的心率、脈搏、心電圖、B超影像、CT描述及生命體征數據與后續接診醫院實現實時分享，進行急救藥品、急救設備、急救科室以及急救人員準備，避免重復、低質與無效的操作。另一方面，通過5G智慧急救車的車載醫療設備，如車載遠程超聲、車載攝像機、車載監護儀等，實現現場救護人員與院內接診專家零時差、無卡頓的全時段通信。

3.4 多元化遠程急救

3.4.1 遠程病情評估 通過遠程可視化會診系統、混合現實算法、3D建模、互動、實時渲染以及多方分發技術等，將病患的實時狀態，包括病灶核磁、CT數據進行超高體驗建模仿真，合成無損壓縮的三維立體影像，同時基于5G網絡將其上傳至急救云共享數據庫。在此基礎上，急救站點、急救中心、急診科室的專家能夠通過MR設備實時共享病患的三維立體影像，進而實現遠程端多方專家協同參與、基于3D高質量無損化立體影像的急危重癥病患病情評估。

3.4.2 遠程救治指導 通過5G網絡的廣連接特性，可以將急救共享云數據庫與各類急救醫療設備(監護儀、除顫儀、遠程超聲機、高清影像系統、攝像機、移動終端等)進行充分整合，從而實現病患狀態、場景、位置、生命體征、生理參數等信息的云端共享。在此基礎上現場急救人員可以通過云端與遠端會診專家進行多方實時通信，在“可視化”指導下進行更為專業的現場急救，從而大大提升現場救援成功率。

3.4.3 開展遠程手術 5G智慧急救車可充當移動醫院開展遠程手術，具體步驟如下：一是術前數據準備，現場急救人員向遠端專家發起協作請求，通過5G急救傳輸體系將現場各類信息上傳至急救共享云數據庫進行數據共享，實現醫療資源的合理安排。二是術中技術指導，遠端專家通過超高清影像實時掌握手術進展，標注手術位置，及時提醒現場救護人員注意事項，提升手術操作質量和水平。三是術后深度服務，通過5G網絡進行遠程生命體征監測、移動護理、用藥管理、智慧輸液、智慧查房等。

3.5 智慧急救指揮

第一，通過指揮中心大屏實時顯示急救區域地理邊界以內的急救醫療資源地圖，規劃5G智慧急救車的最佳救援線路，監測運行狀態，保證物資準備及時；第二，急救指揮中心以“熱力圖”形式可視化展示區域內急救醫療資源狀態，如資源擠壓或空閑，幫助急救人員調整急救指令；第三，實時高清全方位展示病患各類信息，如個人健康檔案、生命體征參數、醫學影像資料，方便多方遠端專家進行急救策略研討與方案制定。此外急救指揮中心還能夠開展急救教育與急救培訓，通過5G網絡實時展示急救操作規范、急救技術、設備操作流程等[8]。

4 技術關鍵

4.1 5G“超級上行”技術

當前基于4G通信技術的醫療急救網絡體系存在著“重下行、輕上行”的顯著特征，即在4G急救場景下，病患可以較為順利地接收遠方醫療端發送來的醫療情報，但由于波長、基站覆蓋等因素限制，近處患者端的生理參數、生命體征、位置信息等大規模復雜異構數據無法順利實現向上傳輸，數據銜接存在障礙。例如在遠程手術過程中，由于“上下行”數據交換不對稱，實時、流暢、全方位的遠程指導無法實現。而5G“超級上行”通過時分雙工(Time Division Duplex，TDD)/頻分雙工(Frequency Division Duplex，FDD)系統，高頻段/低頻段互補以及時域/頻域聚合等先進手段，可以極大拓展大規模數據上行能力并大幅降低數據傳輸時延。

4.2 急救優先級調度算法

通過融合數據挖掘、深度學習、人工智能等，完善急救醫療資源優先級調度算法，訓練醫療優先級調度模型(Medical Priority Dispatch Model，MPDM)，關鍵技術如下:一是急救患者病情程度分級。基于各類傳感器、現場急救人員獲取的病患生命體征數據，通過標準化的客觀與主觀指標，結合深度學習與人工智能技術對患者病情進行智慧化評估，確立4個相應等級，分別是I級：急危癥，II級：急重癥，III級：急癥，IV級：非急癥，實現院前急救病情分級評估標準與院內分級接診標準的對應統一。二是指揮調度的分類化與標準化。以患者病情危重及緊急程度、急救措施復雜程度、提供急救服務需求難易程度為評價指標，構建面向病患急救呼叫需求分類標準化的服務模型。結合醫療急救單元的醫療配置、人員隊伍、技術能力、專科特色等指標，完成呼叫需求與服務調度的分級分類匹配。

4.3 5G智慧急救車集成技術

5G智慧急救車通過配置北斗系統、全球定位系統(Global Positioning System，GPS)以及大數據糾偏算法進行最佳救援路徑規劃；在5G網絡切片和5G邊緣計算技術支持下，5G智慧急救車通過部署傳感器集群系統、心電監護儀、遠程B超機、人臉識別器、生化分析儀、除顫監護儀等實現對病患生命體征的實時監測、質控分析與數據傳輸；通過AR技術、VR技術、高清通信系統、5G+8K交互式視頻技術、360度全景攝像頭、5G CPE醫療輔助機器人、觸覺手套等保證遠程急救指導的順利開展。

4.4 院內急診分診算法

實現院內急診分診的關鍵是保證流程邏輯的科學性。首先是患者信息的采集、登記與結構化處理，抓取數據包括患者身份信息、個人健康檔案、歷史就診數據、體檢信息、動態生理參數以及生命體征信息等；其次是院內醫療資源的測算和測算結果的可視化，測算范圍包括急救醫務人員數量、專長、急救經驗等，以及急救場地、急救設備、急救物資等的供給能力等，并以可視化形式呈現；最后是基于預先定義的急救分診信息庫和病患狀態評價體系，實現對救治病患的量化評估，再根據評估結果對病患進行個性化標注，分析病患情況與醫療資源的匹配度，進而依據醫院內部的分區分級機制對病患進行科學精準的自動分診。

4.5 4張5G急救專網部署(圖2)

圖2 5G急救專網部署

基于5G通信技術的網絡切片、邊緣計算屬性，搭建面向急救區域的5G急救醫療專網，包括5G院內專網、5G遠程醫療專網、5G緊急救治專網、5G急救指揮專網，將其劃分為接入網、承載網、核心網3個層次，更好地實現病患急救呼叫-急救指揮中心-5G智慧急救車-醫療設備-急救人員-遠程評估-遠程救治-醫院分診等各個急救環節的高效、實時、全方位、多層次通信。深度融合云數據庫、大數據分析、物聯網、傳感器網絡集群、深度學習算法等，解決在傳統網絡帶寬下存在的難點問題，如大量醫療設備異地通信、高清醫學影像實時傳輸、遠程手術開展、醫療高清視頻會商、多方專家協同救治等，更好地實現“急救呼叫-及時救治”的精準高效急救醫學模式。

4.6 其他關鍵技術

5G云容災備份技術、5G與超聲波相融合的醫用“觸覺”手套技術、5G技能互聯網應用程序技術、5G網絡擁塞控制技術、5G急救無人機定位技術等均是驅動5G智慧急救醫療體系效能高水平發揮的關鍵技術。

5 結語

急救醫療服務體系是面向諸多急救場景，融合大量醫療急救單元的復雜系統工程，當前已成為我國衛生健康事業的重要組成部分。然而目前急救醫療服務體系仍有較多不足：在急救時間上存在空窗期；在急救數據獲取上存在信息盲區；在急救資源配置上存在優化空間；在急救環節銜接上存在諸多管理漏洞。隨著5G通信、物聯網、云計算、信息物理以及傳感器集群系統的興起，技術賦能智慧醫療服務的發展趨勢進一步增強。鑒于此，本文以泛在融合信息網絡為基礎，以全面實時獲取急救數據為核心，以短距離通信技術和5G遠距離傳輸專網的融合協同網絡為通道，以急救共享云數據庫和醫院數據庫為載體，以對急救患者數據的加工、集成、分類和應用為抓手，研究設計基于5G+的智慧急救醫療服務體系，以期為驅動傳統醫療急救模式智慧化升級提供參考。由于5G+智慧急救醫療服務體系更多地關注急救效率提升，在一定程度上忽略了技術應用相關隱私和安全問題，現有文獻表明盡管5G+技術有望提升急救醫療效率，但在某些網關和傳感器之間的數字鏈路可能缺乏隱私性和安全性。另外急救醫療服務體系能否在偏遠地區實現更好的嵌入、缺乏操作經驗的醫護人員能否在緊急情況下實現對醫護設備的更好運用等問題值得考慮。因此研究如何提升5G+智慧急救醫療服務生態體系的安全性與隱私性、完整性與適用性、人性化與通用性是未來的重點工作。