基于5G+云計算的遠程智慧醫療研究

張小葉

摘要：本研究運用5G+云計算等技術，實現三級醫院優質醫療資源向縣級醫院及鄉鎮衛生院等基層醫療機構下沉?；?G網絡和云資源架構，構建遠程會診、實時手術指導、遠程急救、遠程指導等一體化的智慧醫療應用。研究實際應用后，旨在解決遠程醫療數據傳輸瓶頸，加速信息互聯互通，以技術進步帶動醫聯體間互助發展，提高遠程診療的安全性和診治效能，為我國分級診療、醫聯體建設提供新方案，對我國建設5G智慧醫療提供參考意義。

關鍵詞：智慧醫療；5G；邊緣計算；云資源

中圖分類號：R197.1；R-05? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.3969/j.issn.1006-1959.2024.04.012

文章編號：1006-1959（2024）04-0069-04

Research on Remote Intelligent Healthcare Based on 5G+Cloud Computing

ZHANG Xiao-ye

（Information Center，Shanxi Bethune Hospital/Shanxi Academy of Medical Sciences/Tongji Shanxi Hospital/

Third Hospital of Shanxi Medical University，Taiyuan 030032，Shanxi，China）

Abstract：This study uses 5G + cloud computing and other technologies to realize the sinking of high-quality medical resources from tertiary hospitals to primary medical institutions such as county-level hospitals and township hospitals. Based on 5G network and cloud resource architecture， an integrated intelligent medical application of remote consultation， real-time surgical guidance， remote first aid and remote guidance is constructed. After the practical application of the research， it aims to solve the bottleneck of telemedicine data transmission， accelerate information interconnection， promote the development of mutual assistance between medical associations with technological progress， improve the safety and diagnosis and treatment efficiency of telemedicine， and provide a new scheme for the construction of hierarchical diagnosis and treatment and medical associations in China， and provide reference for the construction of 5G smart medical care in China.

Key words：Intelligent medical;5G;Edge computing;Cloud resources

當前，以數字化、網絡化、智能化為核心特征的新一輪科技與產業革命正蓬勃興起，5G、AI（人工智能）、云計算、邊緣計算、大數據、物聯網、AR/VR等新一代信息技術推動新模式、新平臺、新業態持續涌現。作為城市的重要單元和功能載體，智慧醫療的信息基礎設施、運營管理范式、產品應用場景等正面臨全時空、全方位、全要素的數字化重塑，有望成為未來構筑數字孿生城市的重要落腳點[1]。5G商用宣布了面向未來的泛在傳感連接網絡走入現實，5G可實現人和人、人和物、物和物之間的泛在連接。在5G時代，醫療行業將融入更多人工智能、傳感技術等高科技，使醫療服務走向真正意義上的智能化，推動醫療事業繁榮發展。智慧醫療結合物聯網、云計算、大數據等新一代信息技術對醫院進行全面升級，整合醫療資源信息，建立自主創新服務體系的新型醫療，實現可持續發展的產業價值鏈提升目標。隨著云計算產業的不斷成熟，業務需求和技術創新并行驅動加速網絡架構發生深刻變革，云和網高度協同，不再各自獨立，云計算業務的開展需要強大的網絡能力支撐，網絡資源的優化同樣要借鑒云計算的理念，云網融合成為時代發展的必然趨勢[2]。本研究集成融合5G+云計算的各自優勢，通過構建遠程會診、實時手術指導、遠程急救、遠程指導等一體化的智慧醫療應用，旨在為解決遠程醫療數據傳輸瓶頸，加速信息互聯互通，提高遠程診療的安全性和診治效能提供參考。

1總體架構

為滿足5G+智慧醫療[3]場景應用，在遠程會診、遠程手術、遠程急救、遠程指導、醫療機器人等智慧醫療業務領域[4]，通過5G定制網支撐醫療業務的專網接入及差異化保障?；?G技術的遠程醫療等重點應用場景，對于端到端高可靠性和超低時延都有極高要求，這就需要將業務下沉至網絡邊緣，以減少網絡傳輸和多級業務轉發帶來的時延。于是，面向5G的醫療邊緣云需求應運而生，通過在更靠近客戶的移動網絡邊緣為邊緣應用提供云計算能力和IT服務環境，一方面更進一步降低時延，另一方面MEC將內容與計算能力下沉，本地業務分流，可大幅減少對骨干傳輸網及上層核心網的資源占用，極大地提升網絡傳輸效率。針對遠程智慧醫療場景的改造主要集中在云和網絡兩大部分，云側主要采用集中+邊緣的兩級云架構的部署方式，將醫院現有平臺的云化部署，形成醫院的云邊服務新模式；網絡側主要利用醫院現有的基礎網絡資源（PON、STN等），在醫院新增部署5G專網（專用UPF）以實現不同終端的快速靈活接入。

2業務應用架構

遠程智慧醫療應用平臺主要包括4個層級，分別為展現層、應用層、能力層和網絡層。展現層為醫院提供各類可視媒介與終端，如醫院側及相關部門PC端及用戶手持終端等；應用層主要包括遠程操控、診斷指導、醫院管理、采集監測等系列應用；能力層體現為主要的后臺服務能力，如低時延高品質連接能力、MEC邊緣[5]計算能力、智能網絡切片能力、高清視頻交互能力、人工智能分析能力等；網絡層為院區各類終端提供多樣化接入手段，如5G、物聯網、專網、IDC等網絡云資源。以下主要從遠程會診[6]、遠程手術、遠程急救、遠程指導、醫療機器人等醫療業務領域分別進行說明。

2.1遠程會診? 基層醫療機構通過5G網絡，可以隨時隨地將影像、心電、病理等病例數據上傳至遠程醫療云平臺，并提交閱片申請，再通過遠程醫療云平臺向對端二三級醫院發起遠程會診申請，基于5G高速率特性，實現4K甚至8K的超高清視頻會診，進行病例及高清晰影像瀏覽。專業的大型醫療機構或專家，通過平臺可以及時處理基層醫療機構的閱片請求，幫助基層醫療機構提高醫療服務水平和診斷能力。相關病例資料，可利用邊緣云進行沉淀數據，后續可開展?？?、多學科的專家會診，提升醫學研究水平。

2.2遠程手術? 以360°無死角全景、多角度全程實時記錄的手術現場示教影像，通過手術示教、指導直播云平臺實現4K以上的高清直播、點播，可為醫護人員提供遠程AR、MR手術教學、VR沉浸示教觀摩等交互式醫療培訓服務。4K直播遠程會診、指導、教學，主會場可以通過手術室現場的多機位4K視頻，進行患者問診、手術指導及遠程醫生手術教學。利用5G、AI進行遠程手術規劃，通過5G網絡將透視和三維影像實時傳送到主會場桌面，利用AI手術規劃軟件進行手術規劃。還可以實時遠程操控骨科手術機器人，手術中，遠程交替操控兩臺異地機器人進行手術三維定位、操控機器人精確運動至規劃位置；在手術或臨床診斷現場的術野畫面、音頻及其他信息通過云端平臺到專家醫院側，專家側可通過VR眼鏡、高清顯示屏等設備，得到多維度、多層次的遠端現場信息，來更好的進行遠程手術指導。此外，正在進行手術或診療的醫生，可通過VR眼鏡獲得指導，專家在醫生視野內圈定標注便于溝通。

2.3遠程急救? 基于5G的超高帶寬，可為救護車帶來4K清晰度以上的實時視頻交互能力，更方便的與救治醫院進行車上視頻診療指導。急救車上的體征監護數據、電子病歷數據可以高速上傳，實現急救車輛、救治醫院和急救指揮調度中心間的高效協同，三方信息實時同步，為患者提供更好的救治質量管理，進一步提升急救工作效率。

2.4遠程指導? 應用5G網絡，醫院專家通過AI視覺輔助和觸覺反饋功能，遠程操作千里之外的機械臂，控制機械臂上探頭的移動和旋轉，為基層患者進行檢查和診療，高清超聲影像和觸感反饋[3]、現場高清視頻也可實時進行回傳。

2.5醫療機器人? 在5G網絡的支持下，醫院各類醫療機器人的應用將更加廣泛。5G下行速率可達千兆級，醫療移動機器人接受信息、任務指令更加高效快捷，醫學服務機器人能更好的通過5G通道實現與病人的視頻交互?；?G的MEC邊緣計算云，依托高效能網絡轉移運算需求到云端，減輕依托于機器人本體的離線分析和運算壓力，使機器人的體積、重量、功耗、成本及價格降低。利用5G高帶寬低時延的特性，醫院物資配送及消毒機器人可承擔繁瑣又重復的物資配送與耗材管理工作，以及醫院病房、手術室的消毒工作，既減輕了醫務工作者的工作量，又降低了二次感染、交叉感染的風險。醫院智慧引導機器人可通過5G高速網絡實現與患者的4K高清視頻互動、卡片/人臉識別、語音自動掛號、高精度定位和引導等功能。核醫學服務機器人可為放化療患者提供生命體征采集、藥品配送、遠程視頻溝通服務。院感控制及遠程消毒機器人實現遠程控制室內消毒。訪客引導機器人對醫院大樓、病區、科研樓訪客進行引導。

3網絡架構

5G網絡架構主要滿足以下醫療需求：院區部署5G SA基站[7]，滿足VR頭顯、醫療機器人、醫療APP等終端的專網接入；房間內部署5G有源室分基站，從而滿足遠程手術及指導等需要利用5G大帶寬、低時延等特性實現遠距離實時同步業務；STN[8]網絡根據專網接入需求實施新建或擴容；新建2B共享UPF，在院區提供專網流量的本地分流；經ASBR打通至云端的入云專線，實現網絡到業務的互通；經ASBR打通至院區醫院系統專線，滿足醫院現有醫療應用的5G改造需求。

3.1本地網絡? 與醫院互通，通過N6接口連接醫院網絡，可采用STN專線或者OTN等方式。根據醫院對可靠性的要求，配置單鏈路或者雙鏈路。在UPF所在B設備實現二層轉三層。

3.2接入網絡? 針對智慧醫療場所進行5G無線網絡覆蓋，包括5G室外宏基站和5G室內分布系統，提供5G定制網無線接入服務。各2B業務通過5G終端或模組，與5G基站建立5G空口連接，5G基站通過承載網把智慧醫療場所業務數據回傳到專用的邊緣UPF[9]，由邊緣UPF進行轉發，指向醫院服務器和云服務端。

3.3無線網? 采用5G室外宏基站和5G室內分布系統等覆蓋方式，從容量和覆蓋兩方面滿足覆蓋需求。根據業務特點，針對收費處、視頻會議室、急診室、手術室、B超室、示教室等智慧醫療應用集中位置實行重點覆蓋。

3.4傳輸網

3.4.1承載技術概述? STN是一種結合IPRAN及PTN技術的增強型分組組網技術，引入了SRv6/EVPN/FlexE等多種新技術，提升了網絡智能化能力，可實現對2B業務場景的智能分組化傳送[10]。SRv6技術可使網絡具備可編程能力，使建設的網絡具備5G的SDN特性。EVPN能夠實現控制平面和轉發平面分離，具備負載分擔能力，使網絡變得更加智能、可靠、穩定[11]。SRv6+EVPN技術可保障5G2B業務的差異化、高質量SLA的服務承載[12]，以實現分鐘級開通，一跳上云，助力云網業務快速發展，端到端路徑保障，實現時延可承諾網絡[13]。FlexE技術能夠將一個或多個捆綁后的物理端口劃分為多個邏輯端口，可實現帶寬的靈活調整及邏輯端口之間的隔離，從而實現低成本、高可用性的動態帶寬配置[14]。

3.4.2切片類型及實現方式? 5G切片專線端到端組網通過切片映射VLAN的方式實現，無線基站所有2B業務S-NSSAI映射到承載網2B通道的同一VLAN。承載網融合網關到5G核心網UPFN6口之間規劃VLANID范圍，按用戶來分配使用，不同VLAN的子接口在承載網綁定不同的軟/硬通道，與S-NSSAI對應。STN可實現硬管道的業務隔離，通過不同硬切片分配獨享的接口資源。還可采用PQ隊列調度或WFQ隊列調度，通過不同QoS的軟切片為不同等級的業務提供差異化保障。遵循“業務價值與保障標準相適應”的原則，選用基于硬切片和基于軟切片2種實現方式。

硬切片適用于帶寬、時延、可靠性要求高，無線資源消耗大，QoS保障要求嚴格，網絡連接和切片價值高的場景，如遠程手術。硬切片基于FlexE實現，在B及B以上設備部署。所有硬切片共享STN設備的控制面和管理面，每個硬切片獨占STN設備一定的轉發面資源。在2B硬切片中疊加RANVPN、低時延2B專線和2B云專線等承載通道，對接5GC的2B切片，承載2B流量。軟切片適用于帶寬、時延可靠性要求不高無線資源消耗不大，QoS保障要求不高，終端移動性較弱，網絡連接和切片價值一般的場景，如遠程會診、遠程超聲、遠程生命體征信息采集等場景。2B業務流量的錨點，按需部署在省核心DC、地市DC或者邊緣DC的2BUPF切片。其中省核心DC通過新建5GCCE接入省級ER，地市核心DC通過新建5GCCE接入城域ER，邊緣DC直接采用STN-B設備兼作DC網關[15]。

3.4.3業務承載方案? 根據醫院現有條件及業務需求，部署獨享式UPF?；谑〖?GC進行信令承載，基于院級UPF進行私網數據承載。下沉部署院級邊緣UPF，實現本地數據在院內分流卸載，滿足業務更低時延，以及數據管控需求。

3.5核心網? 核心網采用2B共享UPF，提供專網流量的本地分流。分流方式采用DNN分流方案，采用無線網、承載網、核心網端到端啟用2B切片方式。2B共享UPF已對接5GCCE；5GC控制面板及該UPF新增本項目專網DNN配置，UPF N3口不做調整，N6口需要根據新增DNN數據網絡啟用新的VLAN經CE透傳至ASBR[16]。SMF根據用戶簽約DNN選擇2B共享UPF實現業務分流[17]。

4云資源架構

4.1中心云? 對中心云的需求為部署智慧醫療管理平臺[18]，平臺包含統一能力管理服務、能力組件服務、IVS、端到端服務。平臺集中部署于云上，資源由云資源公司統一分配。

4.2邊緣MEC? MEC系統按照三級架構部署：集團級MEC業務管理平臺、省級匯聚層、邊緣MEP。在省節點部署MEC省級匯聚層；在邊緣部署MEP平臺。邊緣MEC建設采用ECX進行部署，即：IaaS層、PaaS層均由云資源公司提供[19]。根據下沉邊緣位置、承載容量規模綜合考慮，方案采用小型MEC節點進行建設，即云GW、Spine、leaf合設在一起。

邊緣部署的MEP平臺實現MEC應用發現、發布和使用的內部或外部服務的環境，提供能力統一接入、安全防護、統一開放等能力開放功能，具體包含訪問鑒權、路由轉發、負載均衡、限流流控、能力封裝等功能。MEP平臺的開放能力集可包括網絡能力和業務能力。邊緣分布式部署的MEP平臺接收來自MEC業務管理平臺的管理調度，執行和實現相應能力調用和能力管理策略。

5終端

智慧醫療各項應用涉及到的終端設備有：顯示終端、手機和PAD、VR頭顯、全景攝像機、機器人、可視媒介PC端、放射自助打印終端、醫療自助繳費終端、移動影像、智能云影像集成服務、移動醫療APP、視頻會議終端、遠程操控終端、急救車輛等。各個終端設備均通過5G CPE接入5G基站及定制專網來實現功能。

6總結

醫療資源豐富的三級甲等綜合醫院可以借助5G+云計算等技術，滿足低時延、高QoS、多連接、高安全的專網需求，實現醫院管理網絡化、醫療服務智能化、患者信息采集實時化，充分發揮三級醫院在醫聯體中的核心作用，通過遠程智慧醫療為基層醫療機構提供更多幫助，真正做到優質的醫生醫療資源為患者服務，提高患者就醫滿意度。

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收稿日期：2023-08-02；修回日期：2023-09-10

編輯/肖婷婷