5G移動智能影像系統設計

史森中 張和華 黃 靖 周 超 龔黎伶

(中國人民解放軍陸軍特色醫學中心醫學工程科 重慶 400042) (中國人民解放軍陸軍特色醫學中心信息科 重慶 400042)

1 引言

在醫療信息化工作中，各類診療工作離不開醫學影像存儲與傳輸系統(Picture Archiving and Communication System，PACS)作為支撐。以往該系統工作環境主要位于有線局域網個人電腦用戶終端中，即醫務人員必須在相應科室的工作區域通過個人工作站才能對相應影像檢查報告進行查詢和檢索[1-2]。開發一種不受局域網絡環境所限制的系統和平臺，以便醫務工作者能通過移動智能平臺無線連接到終端，及時了解和掌握工作站中患者的PACS影像檢查結果非常必要。

2 移動智能影像系統研究進展

2.1 技術條件成熟

近年來國內通信技術以及網絡技術在國家相關政策支持下迅猛發展，相應網絡基礎設施以及技術條件不斷完善，為移動PACS提供了網絡通信基礎保障。根據工信部發布的2020年通信業經濟運行情況，截至2020年10月末5G手機終端連接數量已達3.65億戶，代表著我國5G技術及應用環境已趨于成熟并且可以持續化發展，同時也為國內移動醫療技術提供了有利條件，使移動PACS實施成為可能。目前國內市場中越來越多商業機構以及科研單位積極研究適用于移動終端的PACS。

2.2 形成相關標準

移動PACS的醫學病理和影像分析分類編碼標準方面，典型代表是醫學數字成像和通信(Digital Imaging and Communications in Medicine，DICOM)3.0標準，該標準早期是由美國放射學及電子制造協會共同起草完成，通過不斷修改和完善形成行業通用的DICOM 3.0標準。該標準同時也是醫學影像傳輸與通信的國際標準，目前被普遍采用，是當前使用最為廣泛的大規模標準化中文醫用術語數據結構，有利于PACS影像存儲、傳輸和歸檔，且實現不同設備之間PACS影像資料的快速傳閱共享和檢索重建。

3 系統設計

3.1 概述

本系統移動數據傳輸主要依托于第5代移動通信技術(5th Generation Mobile Networks，5G)，安全方面主要借助公開密鑰基礎設施(Public Key Infrastructure, PKI)加密技術，數字認證技術以及虛擬專用網絡(Virtual Private Network，VPN)等。在保證數據安全前提下形成一個5G閉環網絡環境。5G網絡擁有高速的傳輸速率以及更大的帶寬容量，目前國內5G網絡帶寬理論上可達1～10Gbit/s[3]，其傳輸速率優于現有的百兆光纖網絡。為移動PACS傳輸閱覽和調取提供強大通信基礎支持。醫務人員通過利用已授權的移動終端，安裝本系統APP客戶終端后即可實現上述操作。

3.2 系統平臺選擇

目前主流移動智能終端系統操作平臺主要由iOS以及安卓(Android)系統所占據[4]，用戶數量巨大。但從開發者角度來看iOS相對較為封閉，其二次開發難度較大，系統程序不可替代，其中的第3方程序需要非常嚴格的應用權限授權。而Android系統權限相對較為開放，能夠自由容納第3方應用程序，可以實現第3方應用程序對原有系統程序的替換。因此選擇較為開放的Android平臺作為本移動PACS影像終端的系統平臺。

3.3 跨網訪問安全性問題

3.3.1 概述 基于5G網絡平臺搭建移動PACS需要通過外部互聯網絡環境跨網訪問內部網絡。由于醫院網絡屬于涉密局域網，需要防止醫療數據、患者信息泄露，同時還要阻止系統外部攻擊，因此在系統規劃初期即將網絡安全措施和機制納入其中。

3.3.2 安全機制和構建措施 陸軍特色醫學中心作為大型三甲醫院已經擁有相對豐富的經驗，如已實現微信、支付寶等APP掃描支付結賬，通過手機等移動設備進行掛號等功能?，F階段采取VPN技術，通過外部互聯網絡調取內部局域網系統。移動PACS醫學影像安全訪問技術層面主要借助外網云服務運營商，通過劃分、租賃私有云并通過VPN技術完成整個過程。

3.3.3 具體構建路徑 在院內根據業務需求和安全等級保護要求，采用防火墻、網閘來控制互聯網接入到核心交換區；利用入侵檢測系統和監控系統控制整個網絡中的攻擊行為；設置對外提供服務的隔離區(Demilitarized Zone，DMZ)，將移動醫療系統服務器部署在此。在院外，借助阿里云等云服務平臺劃分醫院的專有網絡(Virtual Private Cloud，VPC)，通過VPN相連[5]。VPN 可以通過特殊的加密通信協議在互聯網上兩個或多個企業內部網之間建立一條專有通信線路，以確保移動PACS訪問安全。

3.4 影像調閱通信標準數據結構

在移動終端PACS影像調閱過程中采用DICOM 3.0作為移動影像成像與通信標準。移動PACS的數據結構采用樹形結構，其文件頭包含導言和前綴，而數據集中數據元素的核心技術是成像技術，其載體為數據像素。傳輸方式主要分為數據像素矩陣和圖像文件格式，包括患者姓名和年齡等基本信息資料，見圖1。

圖1 移動影像系統數據通信結構

3.5 移動終端影像壓縮

近年來由于醫療機構特別是三甲醫療機構日門診量以及住院患者數量日趨增長，每日產生的影像文件數量多達10萬份,日新增影像報告數據量達數十至數百GB，需要相應的醫學影像文件壓縮技術。本系統在影像文件格式壓縮方面主要采用JPEG2000標準[6]，通過感興趣區域(Region of Interest，ROI)分層壓縮技術編碼實現影像文件分層壓縮,解決單純應用JPEG2000標準壓縮技術所存在的塊狀文件模糊問題。在圖像傳送中采用基于小播技術的壓縮方法，對超大醫學影像(24Mbytes)采用3%的壓縮率快速壓縮、解壓。醫學影像進行壓縮后圖像仍然能保持原圖的細微結構及清晰度，從而保障能用于移動診斷。同時將放射線影像壓縮率控制在1%，大幅降低圖像傳輸速度且適合本系統運行。

3.6 系統架構

3.6.1 概述 系統主要基于瀏覽器/服務器(Browser/Server，B/S)模型的超文本標記語言5(Hyper Text Markup Language 5，HTML5)架構作為可視化平臺模型，其客戶端安裝較簡便，維護擴展相對較容易[7]。系統整體結構主要包括客戶端、服務器端兩部分，見圖2。

圖2 系統架構

3.6.2 客戶端 用戶界面采用JavaScript作為整體開發語言。客戶端部分主要包括：可視化的用戶界面、可根據需求進行擴展和修改定制的功能模塊、異步圖像載入模塊等。通過線程消息傳遞機制接受指令和返回數據；二維及三維影像傳輸解析模塊主要負責醫學影像數據繪制和交互顯示。利用二維、三維影像解析模塊響應前端不同服務請求，解決了因線程沒有優化處理可能出現的影像資料文件無法正常顯示、加載緩慢、內存溢出、系統奔潰等問題。

3.6.3 服務器 負責全院影像結果的資料存儲和歸檔。PACS服務器通過DCMTK技術實現全院醫學影像資料的歸納、存儲和解析，瀏覽器端和服務器端之間通過超文本傳輸協議(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)進行通信。HTTP作為一種被廣泛使用的通用網絡協議，在開放式系統互連(Open System Interconnect，OSI)的協議體系上靈活且穩定，非常適合本系統影像文件傳輸和通信。系統是現有醫護工作站的擴展和延伸，而非簡單的復制。傳輸網絡方面借助5G通信技術實現對PACS服務器的調用和查詢，在通過智能終端系統完成相應患者影像結果的診斷后，將診斷結果傳輸至診斷服務器進行保存和歸檔。

3.7 移動影像報告瀏覽與處理

3.7.1 實現PACS服務器中影像報告的直接調閱瀏覽 作為PACS的移動終端，需要直接調閱瀏覽PACS服務器中的影像報告，采取兩個步驟來實現：第1步通過DICOM3.0標準將影像圖像下載到本地。由于移動終端的本地存儲空間限制，直接打開“.DCM”格式文件將會在移動終端中產生大量緩存冗余文件，因此通過第2步選中相應“.DCM”文件后進行2次壓縮和解析。打開過程中影像報告已通過JPEG 2000標準和ROI分層壓縮編碼進行2次文件壓縮以及文件解析顯示，實際打開后的影像文件是“.PG2”文件格式，“.DCM”文件被2次壓縮和解析后能夠在該移動終端得到良好展現，相應像素滿足醫療診斷的閱片標準。

3.7.2 影像報告處理和閱片功能設計 由于移動智能終端受本身體積限制，不能提供具有強大圖像處理功能的獨立顯卡和顯存，為此在移動影像報告的閱覽和處理方面設計影像報告處理和閱片功能，包括影像報告以軸點為中心自由縮放功能，以便單手或雙手實現操作；窗口界面位置調整功能；影像圖像拖移翻轉功能；影像報告色度、色溫、亮度、灰度、相位的深度、對比度顯示等，能夠滿足移動環境下醫務人員工作需要，實現對患者影像結果的查閱、診斷、分析和處理等常用操作。此外還包括影像報告中病灶的批注和標注功能；影像報告查詢、編輯以及提交功能等。

4 應用成效

4.1 緩解基層醫療機構影像技術人員匱乏的問題

我國影像診斷醫師人才緊缺，多集中在大城市、大醫院。很多中小醫療機構引進了先進的影像設備,但缺乏優秀的影像診斷醫師。針對此情況，本系統設置影像診斷托管模式，醫院只需配備影像設備操作技師和1臺會診服務器，會診服務器直接連接影像設備或PACS服務器，遠程影像會診中心專家通過移動智能終端無線連接進行影像實時監控。診斷中心專家可通過移動智能終端的系統平臺查閱患者醫學影像，遠程進行醫學影像診斷和確認后出具影像診斷報告，基層醫療機構收到診斷報告后直接打印并發放給患者。此方式解決基層醫療結構影像診斷人員缺乏問題，可有效提高醫院診斷水平以及患者對醫療機構的信賴程度。

4.2 加強基層醫院對影像診斷結果的質量控制

部分醫療機構影像科醫生診斷水平較低，無法保證影像診斷質量。本系統提供遠程專家影像審核功能，基層醫療機構在拍完影像后，影像科醫生書寫診斷報告，上級醫療機構專家通過系統智能終端與基層醫療機構PACS對接，遠端上級醫療機構能第1時間調取患者影像及基層醫療機構影像科醫生所書寫的診斷報告，進行影像審核，從而加強影像診斷質量把控?；鶎俞t療機構只負責報告書寫，沒有審核權限，遠程專家在查看并審核后，由基層醫療機構醫生打印并發放給患者，加強了基層醫療機構影像報告的嚴謹性。

4.3 實現緊急情況下的移動診斷

醫療行業中，即便是大型醫療機構，夜間住院總值班醫師、值班醫師數量有限，且診斷經驗相對較缺乏，當遭遇緊急疑難病例時很難快速應對和診斷[7]。為解決這一問題，醫療機構為一線上級醫師配備可隨身攜帶的移動影像終端設備，緊急會診情況下，一線上級醫師根據緊急會診需求可遠程提取會診影像數據進行會診。住院醫師通過系統平臺接口單獨提交會診申請資料并上傳患者PACS影像到一線醫師的移動影像智能終端系統，智能終端收到會診申請后，一線醫師對該疑難影像進行會診并提出診斷意見。

4.4 院內影像診斷更加高效

移動終端影像信息系統可實現院內醫學影像的互聯互通，醫師會診地點不再局限于辦公室，影像會診也無需預約時間。在全院無線接入節點(Access Point，AP)覆蓋情況下，該系統支持利用移動智能終端查看影像資料，實現臨床病區的影像查房功能。此外還支持門診、急診等科室的影像調閱，以及在5G/4G 移動網絡環境下的影像資料調閱，確保出診醫生可以更加準確地對危急患者進行診斷治療。醫師和專家無論是否在院內都可通過5G/4G高速移動網絡環境進行智能移動終端遠程影像學診斷和會診，確保在AP無法覆蓋的范圍內能夠穩定地運用系統完成高效率的影像學診斷。

5 結語

近年來移動網絡技術迅速發展，標準不斷迭代更新，為數字交換和數字通信開辟了嶄新領域。Web技術和電子信息技術不斷進步，促進無線智能終端設備成本不斷降低[8]，并對醫療機構PACS提出新要求，移動PACS普及成為可能，受到國內外醫療信息工作者、醫務人員的高度關注。基于無線移動通信協議、B/S架構打造的移動影像信息系統，順應了電子信息技術、計算機網絡技術與現代臨床醫學技術相結合的發展趨勢，滿足了我國醫療診斷精準化和高效率等方面的需求。移動醫學影像系統的應用突破了以往有線網絡拓撲結構下診斷環境和設備的限制，實現了真正意義上的無邊界影像數據傳輸。但值得注意的是，移動影像系統并不能完全取代傳統PC終端影像系統，其只是傳統影像系統的輔助和延伸。隨著5G技術乃至更高標準無線通信技術的不斷發展以及智能終端的進步，移動影像信息系統將實現更多功能并持續發展。