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基于MEC的智慧医疗方案分析
 
作者:延凯悦 ,王玉婷 ,冯毅 , 张忠皓 ,盛煜
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2020-8-18 
 
编辑推荐:
本文首先对面向5G的智慧医疗行业进行介绍和需求分析,之后结合MEC,介绍了MEC的特性、部署方案及面向智慧医疗的平台架构和关键技术;最后详细介绍了三个典型的基于MEC的智慧医疗解决方案,分别为远程会诊、移动查房和在线监控、可穿戴设备健康管理解决方案。
本文来自于 微信边缘计算产业联盟ECC,由火龙果软件Anna编辑推荐。

01 引言

我国正处于工业化、城镇化、人口老龄化快速发展阶段,生态环境和生活方式不断变化,目前仍面临着医疗资源不均,健康、养老资源不足的问题,难以满足人民群众对健康、养老日益增长的需求[1]。同时,传统的医疗设备、医疗方式等在新时期已经落伍,信息技术应用水平较低,智慧医疗成为人们关注的 核心领域。2016年10月25日,国务院印发《"健康中国2030"规划纲要》提出了2030年实现人民健康目标, 随着智慧医疗行业的日益发展,将不再局限机构信息化或区域信息化,最终发展成面向家庭或面向个体的智能化医疗体系[1]。智慧医疗利用物联网、云计算、大数据、智能硬件等新一代信息技术产品,能够实现医院、个人、家庭、社区、机构与健康资源的有效对接和优化配置,推动医疗服务智慧化升级,提升医疗服务质量效率水平[2]。

本文首先对面向5G的智慧医疗行业进行介绍和需求分析,之后结合MEC,介绍了MEC的特性、部署方案及面向智慧医疗的平台架构和关键技术;最后详细介绍了三个典型的基于MEC的智慧医疗解决方案,分别为远程会诊、移动查房和在线监控、可穿戴设备健康管理解决方案,以期借助高速发展的无线通信技术以及MEC强大平台能力,为医疗健康产业的发展插上腾飞的翅膀,实现优质医疗资源下沉,让高质量的医疗服务飞入寻常百姓家。

02 智慧医疗业务分析

5G时代,传统医疗可以依托计算机、可穿戴、物联网、无线通信和云计算等技术,充分利用有限的医疗人力和设备资源,发挥大医院的医疗技术优势,在疾病诊断、监护和治疗等方面提供信息化、移动化和远程化的智慧医疗服务。目前产业界纷纷开展了智慧医疗的应用场景分析、解决方案和产业化推广等课题研究。结合医疗业务特征,可以将智慧医疗应用场景总结为3大类:

第一类:基于医疗设备数据无线采集的医疗监测与护理类应用,如无线监护、无线输液、移动护理和患者实时位置采集与监测等。

第二类:基于视频与图像交互的医疗诊断与指导类应用,如实时调阅患者影像诊断信息的移动查房、采用医疗服务机器人的远程查房、远程实时会诊、应急救援指导、无线手术示教和无线专科诊断等。

第三类:基于视频的远程操控类应用,如远程机器人超声检查、远程机器人内窥镜检查和远程机器人手术。

这三类无线应用场景对网络的带宽和时延要求各有不同,具体要求如表1所示。

2.1 医疗检测与护理类应用

(1)患者定位管理

为避免患者走失,对患者进行定位管理是很重要的医疗应用。日常工作中,医护人员需要定期巡视病房查看患者住院情况,当发现患者未经批准离开病区时,启动应急程序,立即联系家属,查看监控,请求安保人员在全院区范围搜寻,必要时还会采取报警,请求警方帮助。因为患者走失是重大医疗事件,一方面患者离开病区造成治疗延误致使病情加重,还可能造成传播疾病,甚至遇到意外危险危及生命;另一方面医院需花费大量的时间和人力搜寻患者,增加额外的工作量,甚至承担赔偿责任。随着无线定位技术在医疗中的应用,可以通过对患者佩戴可穿戴设备,实现医护人员远程查看患者的实时位置,节省定期巡视的工作量。

患者位置定位信息数据量很小,传输数据为坐标信息(十几个字节大小),每1~2秒传输一次,并由接收端在电子地图上实时标注患者位置。

对于意识不清、精神病和传染病患者等,医院需要重点监控患者活动范围。当检测到患者活动超出预设活动区域时(比如在病区出口外5~10米设置界线),触发报警,启动应急程序。当出现患者离开医院住院楼,甚至到达院外的情况时,医院也需要能定位到患者位置,方便搜寻。

(2)患者监护

患者监护是指通过一些可穿戴设备对患者生命体征进行实时、连续和持续的无活动束缚的监测,并将获取的生命体征数据和危急报警信息及时传送给医护人员,可以使医护人员实时获悉患者当前状态,做出及时的病情判断和处理。通常会对两类患者进行监护:①术后患者:术后病情变化风险大,医护人员需要持续对患者的生命体征进行监护;②突发性疾病患者:如心脏病患者,日常生活中也需要生命体征监护。

穿戴式健康服务设备的优势十分明显,比如体积小、价格低、携带方便等,穿戴式移动用户健康信息感知系统也会成为社会医疗系统的重要组成部分[4]。通过一些联网的可穿戴监护设备可以持续进行患者位置上报和生命体征信息的采集、处理和计算,并传输到远端监控中心。例如心跳、血压、呼吸以及患者位置等信息[5]。患者位置信息为十几个字节大小的坐标信息,每1~2秒传输一次。生命体征信息由心电、呼吸和血氧等生理信号采样波形、参数值和报警信息组成,以心电为例需传输采样波形、心率参数值和心律失常报警信息,通信速率约为200Kbps[3]。

2.2 医疗诊断与指导类应用

(1)远程实时会诊

远程实时会诊通常发生在医疗联合体的医院之间,或者医院总院和分院之间,可以有效解决医疗资源分配不均的问题。远端医疗专家可以通过视频实时指导基层医生对患者开展检查和诊断,不仅需要传输静态的医学图像、诊断单、化验单、检测报告,还需要多路高清视频传输,以远程实时超声会诊为例,医生不仅要看到超声图像,还需要知道对应的超声探头在人体的位置和方向,因此远端专家将同时看到双路高清视频,超声影像视频和探头操作视频,扫查病灶并进行疾病诊断。远程实时会诊包括视频交流和检查信息共享,视频交流一般在医患两侧配置1080P高清视频,通信速率为5Mbps,需要网络提供大带宽和低时延的通信保障[3]。

(2)AR/VR示教

AR/VR示教可以构建完整的虚拟现实手术场景,全方位展示患者情况、手术创口、手术台画面和手术过程内容。AR/VR示教可以帮助提升偏远区域医院的医疗技术水平,教学医生可以通过视讯设备和远端医务人员或者学员进行视频实时交流,远端医务人员或学员可以通过佩戴AR/VR同步看到真实的手术环境和患者实时的医疗信息。

AR/VR还可以进行在线实时采编录像和无线直播,实现手术音像资料存档、远程观摩教学和专家指导。无线手术示教需要传输多种视频和图像信息,以内窥镜手术为例,手术环境、监护仪画面和内窥镜影像三类视频都需要传输。这三类视频的主流分辨率为1080P,共需要15Mbps的通信速率[3]。

2.3 远程操控类医疗应用

(1)远程机器人手术

机器人手术时一种可控交互式远程医疗服务,突破地域限制,医生和专家可以远离手术台,坐在操作控制台中,根据高清视频回传的手术创口、手术台画面和患者情况,并且通过操作手柄来远程控制患者体内的机械臂、手术器械进行手术。远程机器人手术不仅需要大的带宽、低时延,对定位的精度要求也特别高,尤其是在一些微创手术中,切口可能只有5~8mm, 差之毫厘,谬以千里。

(2)远程机器人内窥镜

远程机器人内窥镜是基于通信、传感器和机器人技术,由医疗专家根据患者端的视频和力反馈信息,远程操控机器人开展的内窥镜检查医疗服务。其中,视频交流通过医生端和患者端的摄像头完成,力反馈信息通过患者端机器人机械手传感器的采集和反馈来完成,远程操控通过操作摇杆完成。

机器人内窥镜有两路视频信号、一路操作摇杆控制信号和一路力反馈触觉信号。两路视频信号分别为患者端摄像头视频(1080P)和超声影像视频,每路信号通信速率各约5Mbps。操作摇杆控制信号和力反馈触觉信号数据量都很小,经实测两路信号的传输速率都在K比特级。

03 面向智慧医疗领域的MEC

3.1 智慧医疗对网络的需求

智慧医疗融合了多种通信技术,包括4G、物联网和移动边缘计算(Mobile Edge Computing, MEC)等 技术,并具备向5G平滑演进的能力,以崭新的网络架构为医院构建基于蜂窝通信的医疗虚拟专网,不仅能满足大带宽、低时延、大连接的网络通信要求,还降低了整体投资和运维成本。

此外,安全是医疗领域对网络的特殊要求。医疗信息关乎人身生命安全,且具有隐私性要求,网络需要具备较高的安全性和可靠性,如采用安全隧道协议IP-Sec,在网络边缘节点部署电信级防火墙来确保其安全性,采用无线网络协议中的握手信息以及定时器轮询等方式确保协议的可靠性,并在核心节点通过冗余备份甚至异地容灾方案确保系统的可靠性。

3.2 面向智慧医疗的MEC关键技术

MEC是ICT融合的产物,支持LTE、NR、Wi-Fi、有线,以及ZigBee、LoRa、NB-IoT、工业以太总线等多种接入技术,可以支持智慧医疗中多种多样的医疗设备和可穿戴设备接入,此外MEC还具备低时延、大带宽、本地化的特点[6],可以有效满足未来高清视频、VR/ AR、远程控制等业务需求,基于MEC实现医疗信息化,智能化,可以进一步提高医疗效率。

传统4G传输路径如图1中红线所示。智慧医疗中的高清视频、实时监控等大视频大带宽业务,对实验要求较高还需要占用大量的回传带宽。通过在基站与核心网之间更加靠近用户终端的位置部署MEC服务器,用户可以直接通过MEC服务器访问本地网络,MEC服务器可以解析S1消息实现业务的分流,而不用经过接入、汇聚、核心等多个传输环到达核心网,如图1中蓝色线所示,可以实现流量卸载,从而减轻骨干网的压力,大大缩短了传输路径,显著降低传输时延[7]。此外,MEC平台上可以还搭载着一些视频预处理、实施编解码、视频分析功能以及高效的AI算法,满足智慧医疗中高清视频等低时延业务的需求。

MEC还可以保障网络的隐私性和安全性,因为MEC的位置可以足够低,可以灵活部署在一个本地区域范围。例如将MEC部署于某所医院,为接入用户选择性的提供带有本地服务内容,流量并不经过公网,可以将敏感信息或隐私数据控制在区域内部,更加隐私安全,实现了业务隔离。

3.3 面向智慧医疗的MEC架构

面向智慧医疗的MEC架构从逻辑上可以分为:无线终端层、基础网络层、虚拟化层、平台能力层和应用使能层,如图2、图3所示。

无线终端层主要包括普通手机或者无线医疗设备,比如移动护理终端机、移动查房终端机、医疗服务机器人、监护仪和超声等。MEC支持LTE、NR、Wi-Fi、有线、以及ZigBee、LoRa、NB-IoT等多种接入制式,对于一些已经集成有无线通信模组的移动护理终端(如PDA、PAD)和医疗服务机器人,可直接接入到MEC网络。其它多数医疗设备如果没有直接集成无线通信模组,初期阶段可采用外挂通信模组的形式接入MEC。

基础网络层。由于绝大多数的医疗业务发生在医院,院内无线网络是最关键部分。本地部署MEC作为基础性网络,实现室内和室外广域连续性传输和7×24小时实时在线。硬件方面包括计算、存储、网络以及加速器资源,可以采用通用的x86服务器架构实现软硬件解耦,不被硬件设备商捆绑,同时硬件形态设计上会考虑边缘节点和边缘机房特有的限制,例如位置、空间、供电以及特定的业务场景需求等。虚拟化层(Cloud OS)对各类硬件资源进行虚拟化并高效地管理虚拟资源。可以使用OpenStack或者基于开源OpenStack的增强VIM,将来还将支持容器管理的Kubernetes技术,为了满足医疗业务数据传输的安全性,可以采用智能路由、联接管理、能力开放和网络QoS保障等技术,构建一张医疗业务本地化的虚拟专网。

平台能力层。基于边缘云的MEC提供平台开放能力,服务平台上集成第三方应用或者在MEC上部署第三方应用,如针对患者提供娱乐资源(比如视频和游戏等),增添了患者的医院生活丰富性。能力开放是通过公开API接口的方式为运行在MEC上第三方应用提供无线网络信息和位置信息等多种服务。综合考虑第三方应用在系统架构及业务逻辑方面的差异,实现网络能力简单友好开放,同时随着网络功能进一步丰富,可向第三方应用实现持续开放,而不必对网络进行复杂改动。例如位置能力开放。无线医疗虚拟专网基于4G室内小站,提供5~10米精度的定位能力,并且能够定位到病房。4G蜂窝定位技术可以实现特殊患者的位置管理、医院人流统计和热力图分布。5G毫米波频段的室内小站可以获得亚米级的定位精度,可以被用于护理终端、贵重药品和医疗机器人的定位。

应用平台可以对各类医疗业务的应用系统连接打通,如院内的EMR/HIS/PACS系统、远程医疗平台和应急救援平台等。

04 面向智慧医疗的MEC的典型应用

MEC通过将应用层云平台下沉到网络边缘,可以为移动终端提供本地大带宽和低时延业务[8],接下来介绍3种典型业务解决方案。

4.1 移动查房和在线远程监控查房

移动查房和在线远程监控查房以无线网络为依托,将医生和护士工作站的业务功能通过手持终端延伸至患者的床边,医生在查房时手持手机、IPAD接入医院信息管理系统,可快速查询病人病历、医嘱、检验单、检查报告、体温单、特别护理单等诊疗数据,还可以拍摄病人临床的图像,在与病人谈话时可以录音等,为制定完善的诊疗方案提供基础,大大降低了医疗成本,简化了医疗工作流程,提高了工作效率,让医生更好地为患者服务,护士通过移动查房实时查询病人的处方信息,用药记录,体温、血压,历史检测数据,新入病人通知,实时录入病人用药记录,每天例行检察情况,及突发状况,提高护理质量和效率。

该场景如图4所示,在病房内及院内安装摄像头时时监控,视频信息通过公共LTE基站视频流本地旁路,医生用手持终端通过无线网络进行查房,查看、输入及修改医嘱,并可用手持终端随时查询病房情况,或将病房内最新视频情况推送给医生。

该应用方案通过边缘云,可以实现本地多流视频推送、本地画质管理等功能;通过MEC实现电子病历移动化,医护人员可以随时随地查看患者的电子病历,及时记录患者的治疗信息,保证诊疗信息的完整,并且给以用户全新的高清、低时延体验;支持影像显示的自动播放、测量、反色、放大缩小等功能,支持离线查看影像资料,并可以与RIS系统高度集成,方便对照查看。网页版PACS支持浏览器直接访问,无需装插件,随时调取病人影像及病历资料,提升工作效率;边缘云的安全性设计分别从物理网络层面、通讯数据层面、信息保存于院外传输和安全证书这几个方面考虑,保证医院运营信息、患者基本信息、病情信息等多项极度敏感、隐私数据的安全。

4.2 可穿戴设备健康管理

随着数字时代的兴起,医疗行业正在发生变化。许多可穿戴设备能追踪全天活动、锻炼、睡眠和体重,各种telehealth工具[远程医疗(telehealth)是指通过电信基础设施传递与医疗相关的服务或信息]和葡萄糖监测仪等设备正在重塑医疗保健领域。这些设备上存储的数据可用于更新患者的数字医疗记录;然而,现有的云基础架构无法管理他们所生产的数据量。边缘计算(Edge Computing)将连接起来这些医疗设备,在紧急情况下为医院和医生提供可靠和最新的患者信息[6]。

如图5所示,边缘计算能够实现患者生命危及时的实时响应。可穿戴健康管理设备一般采用基站-传输设备-核心网-上云这条数据传输链路,而边缘计算具有可以在本地独立计算的功能,优化数据链路传输,经过基站-传输设备-MEC-终端这条链路,无需经过核心网,在本地就可以及时响应,对患者生命健康实现告警处理,能够第一时间及时响应;边缘计算能够确保实时数据本地存活。可穿戴设备健康管理各个设备联网管理上云很重要,但与云的链路一旦中断,就需要边缘网关能够具备处理本地事务的机制,将数据实时存在网关上,待网络恢复后上传;边缘计算能够实现数据聚合。可穿戴健康管理设备每天采集的信息量及其庞大,边缘计算能够确保部分数据及时聚合处理,无需与云建立连接,上传云端;边缘计算能够更好地实现业务监测和攻击防范。能够更好地对本地和云端进行监测和防护,并对数据进行加密。

4.3 远程会诊

随着疾病医治程度的日益复杂,远程医疗技术的不断完善发展,建立完善的远程医疗机制,对于目前国家大力推进的分级诊疗普及,医疗资源的互联共享,偏远地区的医疗水平提升,实现医疗公平与医疗体系数字化已经成为从政府到医疗单位整个社会发展的大势所趋,远程医疗已经成为实现分级诊疗的必备。通过MEC远程智慧视频通讯系统的搭建,为医疗体系搭建远程医疗信息化平台,实现未来医疗纵深扁平化[7]。

如图6所示,以往的远程会诊,医生必须在会诊室通过有线网络对分院疑难病患进行会诊,搭建MEC的远程医疗视讯系统将各级医疗单位实现互联,对于医疗单位,远程医疗解决方案实现高水平医护资源对接,专家医生只需通过远程医疗视讯系统,即可实现远程高清互动会诊,远程病患资料调用等多用途功能,也可以使用移动终端通过MEC在任何地方参与会诊,降低成本,提升医护水平,同时,MEC也可以保证病人医疗图像数据本端轻松切换,高效解决患者病痛,自由连接院内外专家,无损呈现医学影像,“面对面”临场高效诊治等功能。

05 总结

无线通信技术无疑是智慧医疗不可或缺的连接基础,伴随5G网络建设,MEC的部署,以及核心网向SDN/NFV方向演进,网络不仅仅只是作为流量管道,还可以用关键技术为智慧医疗赋能,更深度到介入智慧医疗的关键业务流程中,提升工作效率,下沉医疗资源。

目前,正处于信息产业、医疗产业融合发展的时机,智慧医疗和无线技术融合趋势也日渐显现,从面向5G的智慧医疗行业进行介绍和需求分析、医疗终端通信能力、MEC关键技术能力等方面看,无线通信技术、MEC与智慧医疗产业市场的融合也比较成熟,可以分阶段实现智慧医疗无线化、远程化、智能化,最终跨越医疗资源不均衡的鸿沟。

 

 

   
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