基于5G的心血管區域介入云中心設計與研究＊

夏張濤，童基均，張世明

(1.浙江理工大學計算機學院，浙江 杭州 310018；2.上海諾基亞貝爾股份有限公司)

0 引言

心血管疾病被公認為是全球致死率最高的疾病之一。根據中國國家心血管病中心發布的《中國心血管健康與疾病報告2020》[1]可知，目前中國心血管疾病患者推算有3.3 億人，患病率仍處于持續上升階段。心血管疾病患者數量十分龐大，為了對后續的各種科研工作提供更有效的數據支持，有必要將這些臨床數據進行結構化存儲和調閱[2]。

近十年來，心血管介入技術發展迅速，各種新設備、新技術大量涌現，極大的豐富了介入信息，介入中心信息化、智能化建設迫在眉睫。目前心血管介入領域存在幾大不足。①介入手術數據采集和管理很大程度上依賴手工，缺乏有效的臨床數據采集系統，不能滿足數據結構化、數據統計分析和研究、圖文報告生成等臨床需求。②介入領域的手術信息缺乏統一的管理平臺，患者的就診數據沒有得到有效的整理，不利于后續查看與研究。此外，數據存儲往往以醫院為獨立單位，區域內各醫院的數據沒有共享。③介入領域中的臨床實踐在“院后隨訪”部分有所欠缺，導致患者容易忽略院后護理和康復過程，這會導致再入院率的提高，并且容易消耗更多的醫療資源。④醫學影像設備在使用中能產生大量醫學影像數據，在臨床診斷治療中這些影像數據信息可以提供大量價值[3]，但他們的存儲和傳輸卻容易受到傳輸速率、延遲等限制。許多基層的醫院為了發展購置了各種醫學影像設備，但卻缺乏精通設備使用的影像技術人才，患者往往選擇前往上級醫院進行診療，這不利于分級診療的推行[4]。

隨著第五代移動通信技術(5th Generation Mobile Communication Technology,5G)的快速普及，其高可靠、低時延、高速率等特性在醫學信息中心特別是影像中心的建設中，將顯示出極大的應用優勢，解決數據傳輸的瓶頸問題。我們采集患者的基礎信息、電子病歷數據和醫學影像數據，建立基于5G的區域介入云中心，共享醫療衛生信息資源，實現區域內介入手術信息、介入影像數據的充分共享和高效協作，降低醫療成本，推動分級診療，發揮醫聯體作用。

1 項目技術方案

1.1 設備材料

多業務邊緣計算（Multi-Access Edge Computing，MEC）硬件：使用用戶端口功能（User Plane Function，UPF）的MEC 方案，同時建設移動邊緣平臺（MEC Platform，MEP），供第三方應用程序進行安裝，直接完成區域內部的數據處理。具體需要的硬件設備如下：RH2288H V5，作為UPF 的硬件設備；RH2288H V5，作為MEP 部署的硬件設備；RH2288H V5，為第三方應用程序的部署提供硬件資源；交換機CE6865，業務架頂式交換機（Top Of Rack，TOR）；交換機CE5855，設備管理TOR。

介入云中心設備：數據采集使用醫院的電腦設備(酷睿i3 處理器，4GB 內存，1GB 顯存的獨立顯卡及以上配置)，在IE 瀏覽器上進行訪問，并接入院內5G 網絡對云端醫療影像進行查看。需要接入醫療監護儀，來獲取患者的生理參數。云服務器操作系統使用Windows Server 2012 系統，配置在4 核8GB 及以上，存儲空間2TB以上。

1.2 總體設計方案

基于5G的區域介入云中心，涵蓋三個主體模塊功能，包括結構化的介入臨床數據采集系統、臨床專科數據庫建設、介入云隨訪系統。總體功能框架如圖1所示。

圖1 5G+區域介入云中心系統功能框架圖

1.3 5G技術方案

基于5G+MEC 打造的5G 區域介入云中心虛擬專網方案，通過靈活部署形成本地專網，快速實現互聯互通。

移動通信運營商為項目提供專有的5G 獨立組網（Standalone，SA）虛擬專網，并通過MEC 技術應用，實現業務數據本地分流，醫護終端院區外接入需求及現場人員與外界的公網通信需求。

5G 基站通過移動通信傳輸網連接MEC 平臺，MEC 平臺根據分流策略將本地業務卸載到本地健康管理平臺上。

核心網MEC，用戶端口功能（User Plane Function，UPF）方案由醫院隨業務開展，先使用共享MEC。控制面在運營商核心機房，進行用戶鑒權、移動性管理等。控制面與MEC之間通過專線對接，互通多模光纖（Optical Multi-Mode，OM）網絡和N4、N9網絡。傳輸必須具備3 層轉發能力，將控制信令和用戶數據分流在中心機房和數據中心機房。同時由于使用MEC 解決方案，保證敏感數據不出地市，做到專網專用，保護客戶隱私。

MEC 對接需求：MEC 周邊需要對接的端口包括與SA2.0核心網的OM網絡互通；與SA2.0中的會話管理功能（Session Managment Function，SMF）之間互通N4接口；與傳輸分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）之間對接N3接口；與醫院防火墻進行對接，接入醫院內部網絡。

目前各個邏輯接口都是使用的二個10 萬兆以太網（10 Gigabit Ethernet，GE）的物理端口，在進行業務隔離的同時，確保主設備有保護。

1.4 系統技術架構

B/S 架構(Browser/Server)是一種伴隨著Web 技術發展所興起的一種網絡結構模式，它可以看作是對傳統客戶端/服務器(Client/Server,C/S)架構的一種改造。在B/S 架構下Web 瀏覽器是客戶端的主要應用軟件，通過與服務器主機的連接，在服務器上實現系統的核心部分，從而簡化了客戶端的操作難度。相比于傳統的C/S架構，B/S架構具有輕量化、多并發、強運營等優勢。

系統基于B/S 架構開發，采用三層架構，即表現層、業務邏輯層、數據訪問層。表現層就是展現給用戶的界面、業務邏輯層是針對具體問題的操作、數據訪問層進行數據庫的直接操作[5]。各層之間的數據通過對象模型的實體類傳遞，并使用接口相互訪問。

系統前端采用了Vue.js 框架。Vue.js 是用于構建前端用戶頁面的漸進式框架。其核心庫只關注視圖層，在易于上手的同時還便于與現有項目整合。此外它還可以方便的與現代化工具鏈以及各種支持類庫結合使用，具有組件化、虛擬DOM、指令系統等特性，是一個靈活高效穩定的前端開發框架。

系統后端采用了SSM 框架。SSM 框架是Spring MVC、Spring 和Mybatis 框架的整合，是標準的MVC模式。其中Spring 實現業務對象管理，Spring MVC負責請求的轉發和視圖管理，Mybatis作為數據對象的持久化引擎。SSM 框架具有低成本、高擴展性、高可維護性、高開發效率等優點，是目前主流使用的框架之一。

2 介入云中心功能模塊設計

2.1 結構化的介入臨床數據采集系統

結構化的介入數據采集系統對介入術前、術中、術后的所有數據和影像進行科學地、規范地全程化管理，降低數據的重復錄入率，提高醫護人員工作效率，保證數據的高精確性，并最終推動所有數據上云。其主要功能包含介入手術登記和排臺、護理數據采集、手術的術種數據采集、介入手術報告自動生成、后臺數據維護。其中系統架構如圖2所示。

圖2 結構化的介入數據采集系統結構圖

⑴手術術前登記模塊：手術術前登記模塊中患者信息獲取方式分為手工登記和醫院信息系統（Hospital Information System，HIS）讀取，登記和讀取的信息主要有患者基本信息、手術排班信息和手術狀態信息，還包括患者本次手術的總體耗材記錄。

⑵手術術中管理模塊：手術術中管理模塊根據參與角色主要分為護士和醫生。護士主要使用護理模塊和用藥記錄模塊，用于記錄護士術中、術中、術后對病人所做的檢查和治療操作。醫生則使用冠狀動脈造影記錄等多個術種模塊和影像操作模塊[6]。最后根據錄入的結構化數據和模板，自動生成手術經過、手術結果、術后醫囑內容，醫生可在此基礎上做修改。所有模塊的數據都通過結構化的形式存儲到數據庫中，方便手術信息的二次利用。

⑶手術術后管理模塊：手術術后管理模塊支持通過報告模板與已經錄入的結構化數據自動化生成報告，不再需要醫生手動總結，并且報告的模板支持個性化定制。圖3為某一冠脈造影手術記錄單。患者相關的報告也會保存在系統數據庫中，方便醫生對患者歷史檢查報告進行查閱，進而了解患者既往情況，對治療手術方案的評估和確定提供輔助診斷。

圖3 冠脈造影報告模板

2.2 臨床專科數據庫建設

通過介入臨床數據采集系統采集結構化數據，對患者的術前、術中、術后數據進行全生命周期的存儲與管理，建立一個以患者為中心的心血管領域的臨床專科數據庫[7]。臨床研究的基礎是詳細的臨床資料，數據庫的建立不僅可以滿足大型臨床研究對臨床病例數據收集的需求，也可以為未來多因素復雜疾病和臨床科研信息管理系統提供專項的信息數據平臺[8]。臨床專科數據庫可記錄數據類型如圖4所示。

圖4 臨床專科數據庫數據類型

采集的詳細數據如下：

⑴患者基線信息，采集患者基線信息包括入院史、既往史、家族史、吸煙史等；

⑵介入手術信息，根據上述數據采集系統采集介入手術信息，包括冠狀動脈介入、電生理、起搏器、瓣膜介入等；

⑶患者住院信息，采集患者住院信息包括檢查信息、護理信息、不良事件記錄、處理記錄、用藥記錄等；

⑷術后隨訪信息，采集術后隨訪信息包括基礎信息、癥狀描述、用藥狀況等。

患者及其家屬可以在個人計算機、手機、平板端訪問介入云中心內患者的手術信息，并依靠5G網絡實時查看影像記錄。此外，區域內的分院、合作醫院、社區與鄉鎮衛生院也可通過區域介入云中心實現介入影像共享，與區域內的各醫院進行更好的協作，利用互聯網手段，加強患者術后管理，實現更加緊密的“醫療聯合體”。

在數據安全上，從數據可用性、數據完整性、數據隱私性三個維度進行了考慮。在可用性上，為了應對突發狀況，對數據進行冗余備份，以此來提高系統的可靠性；在完整性上，采用數字簽名的方法，保證數據在發送過程中未作任何修改或變動，此外，醫護管理人員對數據修改后，系統會有修改人員信息記錄，可追溯；在隱私性上，采用嚴格的身份管理機制，確保只有授權的人員和共享的人員能夠訪問，對不同類別的用戶賦予不同的權限，第三方無關人員無權進入。

2.3 介入云隨訪系統

該系統將實現基于區域的介入云隨訪系統，系統架構如圖5所示，分六大模塊。

圖5 介入云隨訪系統架構圖

⑴患者管理：介入科室醫生從HIS 系統獲取或手工登記患者信息，獲取患者信息后，可對患者定制隨訪任務。

⑵云隨訪任務：醫生從醫院HIS獲取將要進行隨訪的患者，根據手術及其他信息，為患者定制隨訪周期，之后系統將依據患者手術及出院時間給出隨訪任務單。醫生依據隨訪任務，定期的在系統中給出隨訪問卷，供患者填寫。

⑶數據云連接：根據系統生成的數據，通過服務器在云內連接，實現上下級醫院和家屬之間的相互連接，這樣患者可以根據自身具體情況選擇不同級別的醫院，可以促進醫療資源更合理、更有效率的發揮作用[9]。

⑷進度管理：對患者的隨訪是一個長期的過程，一般持續二年及以上，因此需要對長達二年的隨訪周期進行管理，將其劃分為比較小的時間段，分別進行管理。

⑸關懷管理：醫生可以通過系統與出院患者及其家庭進行相互聯系，回答患者的相關問題，對患者進行健康關懷。能有效的節約醫療資源，并降低患者的再入院率。

⑹醫患交互：系統提供了醫患交互功能，通過醫患之間的即時通信，時刻關注患者的健康狀況，并監控患者的心電數據，幫助醫生把控患者的病情狀況，方便對其治療方式、藥物處方等進行調整。

3 結束語

本文在建設智慧醫療的大背景下，針對心血管介入科室定制了介入云中心系統，根據臨床需求完整實現了從患者登記到出院前的全流程數據管理，目前該系統已在浙江省內多家醫院的心血管介入科室上線應用。對于醫生和護士，該系統能夠滿足臨床的基本工作需求，能夠很好的節省數據錄入和報告制作的時間，為醫護人員提供便利。對于科研人員，結構化的數據管理對科研工作人員提供了極大的幫助，省去了以往對文本數據進行處理的繁瑣步驟，對后續的一系列調查研究有著積極意義。對于患者和家屬，能在系統上更方便的配合醫生完成隨訪，降低再入院率，同時可隨時在自己的設備上訪問云中心內的手術信息，查看影像記錄，做好自身的健康管理和監督。

信息化是醫院發展的大勢所趨，其中建設專科數據庫更是有著重要意義。數據庫中收集的數據經過信息系統初步處理，可將臨床與科研緊密結合[10]。此外，醫院的介入科室每天會產生大量的復雜數據，如果僅僅使用醫院本地的服務器來管理數據會對其產生過大的壓力。隨著云計算技術的成熟、安全性能的提高，遵循信息化的可持續性和可擴展性原則，在介入中心信息管理上應用云服務能夠解決這個問題，并且不需要對服務器進行大規模的升級和轉換，能有效減少介入中心信息化建設的開支，值得各家醫院推廣。