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摘要：醫療服務關乎國際民生，世界矚目。但是目前仍面臨著醫療資源 不均，健康、養老資源不足的問題。基于MEC、物聯網等基礎技術實現 醫療信息化，可以大幅度提高醫療效率。本文首先對面向5G的智慧醫療行業進行介紹和需求分析，之后結合MEC，介紹了MEC的特性、部署方案及面向智慧醫療的平臺架構和關鍵技術；最后詳細介紹了三個典型的基于MEC的智慧醫療解決方案，分別為遠程會診、移動查房和在線監控、可穿戴設備健康管理解決方案。

關鍵詞：5G；MEC；智慧醫療；遠程會診

Abstract: Medical services concern the international people's livelihood,attracting worldwide attention. However, it still faces the problems of uneven medical resources, insufficient health and pension resources. Medical informatization based on MEC, IoT and other basic technologies can greatly improve medical efficiency. This paper first introduces and analyzes the requirements of 5g-oriented smart medical industry, and then introduces the characteristics, deployment plan, platform architecture and key technologies of MEC. Finally, three typical intelligent medical solutions based on MEC are introduced in detail, including remote consultation, mobile room rounds and online monitoring, and wearable device health management solutions.

Key words: 5G; MEC; Intelligent medical; Remote consultation

1 引言

我國正處于工業化、城鎮化、人口老齡化快速發展階段，生態環境和生活方式不斷變化，目前仍面臨著醫療資源不均，健康、養老資源不足的問題，難以滿足人民群眾對健康、養老日益增長的需求[1]。同時，傳統的醫療設備、醫療方式等在新時期已經落伍，信息技術應用水平較低，智慧醫療成為人們關注的核心領域。2016年10月25日，國務院印發《“健康中國2030”規劃綱要》提出了2030年實現人民健康目標，隨著智慧醫療行業的日益發展，將不再局限機構信息化或區域信息化，最終發展成面向家庭或面向個體的智能化醫療體系^[1]。智慧醫療利用物聯網、云計算、大數據、智能硬件等新一代信息技術產品，能夠實現醫院、個人、家庭、社區、機構與健康資源的有效對接和優化配置，推動醫療服務智慧化升級，提升醫療服務質量效率水平^[2]。

本文首先對面向5G的智慧醫療行業進行介紹和需求分析，之后結合MEC，介紹了MEC的特性、部署方案及面向智慧醫療的平臺架構和關鍵技術；最后詳細介紹了三個典型的基于MEC的智慧醫療解決方案，分別為遠程會診、移動查房和在線監控、可穿戴設備健康管理解決方案，以期借助高速發展的無線通信技術以及MEC強大平臺能力，為醫療健康產業的發展插上騰飛的翅膀，實現優質醫療資源下沉，讓高質量的醫療服務飛入尋常百姓家。

2 智慧醫療業務分析

5G時代，傳統醫療可以依托計算機、可穿戴、物聯網、無線通信和云計算等技術，充分利用有限的醫療人力和設備資源，發揮大醫院的醫療技術優勢，在疾病診斷、監護和治療等方面提供信息化、移動化和遠程化的智慧醫療服務。目前產業界紛紛開展了智慧醫療的應用場景分析、解決方案和產業化推廣等課題研究。結合醫療業務特征，可以將智慧醫療應用場景總結為3大類：

第一類：基于醫療設備數據無線采集的醫療監測與護理類應用，如無線監護、無線輸液、移動護理和患者實時位置采集與監測等。

第二類：基于視頻與圖像交互的醫療診斷與指導類應用，如實時調閱患者影像診斷信息的移動查房、采用醫療服務機器人的遠程查房、遠程實時會診、應急救援指導、無線手術示教和無線專科診斷等。

第三類：基于視頻的遠程操控類應用，如遠程機器人超聲檢查、遠程機器人內窺鏡檢查和遠程機器人手術。

這三類無線應用場景對網絡的帶寬和時延要求各有不同，具體要求如表1所示。

2.1 醫療檢測與護理類應用

（1）患者定位管理

為避免患者走失，對患者進行定位管理是很重要的醫療應用。日常工作中，醫護人員需要定期巡視病房查看患者住院情況，當發現患者未經批準離開病區時，應啟動應急程序，立即聯系家屬，查看監控，請求安保人員在全院區范圍搜尋，必要時還會采取報警，請求警方幫助。因為患者走失是重大醫療事件，一方面患者離開病區造成治療延誤致使病情加重，還可能造成傳播疾病，甚至遇到意外危險危及生命；另一方面醫院需花費大量的時間和人力搜尋患者，增加額外的工作量，甚至承擔賠償責任。隨著無線定位技術在醫療中的應用，可以通過對患者佩戴可穿戴設備，實現醫護人員遠程查看患者的實時位置，節省定期巡視的工作量。

患者位置定位信息數據量很小，傳輸數據為坐標信息（十幾個字節大小），每1~2秒傳輸一次，并由接收端在電子地圖上實時標注患者位置。

對于意識不清、精神病和傳染病患者等，醫院需要重點監控患者活動范圍。當檢測到患者活動超出預設活動區域時（比如在病區出口外5~10米設置界線），觸發報警，啟動應急程序。當出現患者離開醫院住院樓，甚至到達院外的情況時，醫院也需要能定位到患者位置，方便搜尋。

（2）患者監護

患者監護是指通過一些可穿戴設備對患者生命體征進行實時、連續和持續的無活動束縛的監測，并將獲取的生命體征數據和危急報警信息及時傳送給醫護人員，可以使醫護人員實時獲悉患者當前狀態，做出及時的病情判斷和處理。通常會對兩類患者進行監護：一是術后患者：術后病情變化風險大，醫護人員需要持續對患者的生命體征進行監護；二是突發性疾病患者：如心臟病患者，日常生活中也需要生命體征監護。

穿戴式健康服務設備的優勢十分明顯，比如體積小、價格低、攜帶方便等，穿戴式移動用戶健康信息感知系統也會成為社會醫療系統的重要組成部分^[4]。通過一些聯網的可穿戴監護設備可以持續進行患者位置上報和生命體征信息的采集、處理和計算，并傳輸到遠端監控中心。例如心跳、血壓、呼吸以及患者位置等信息^[5]。患者位置信息為十幾個字節大小的坐標信息，每1~2秒傳輸一次。生命體征信息由心電、呼吸和血氧等生理信號采樣波形、參數值和報警信息組成，以心電為例需傳輸采樣波形、心率參數值和心律失常報警信息，通信速率約為200Kbps^[3]。

2.2 醫療診斷與指導類應用

（1）遠程實時會診

遠程實時會診通常發生在醫療聯合體的醫院之間，或者醫院總院和分院之間，可以有效解決醫療資源分配不均的問題。遠端醫療專家可以通過視頻實時指導基層醫生對患者開展檢查和診斷，不僅需要傳輸靜態的醫學圖像、診斷單、化驗單、檢測報告，還需要多路高清視頻傳輸，以遠程實時超聲會診為例，醫生不僅要看到超聲圖像，還需要知道對應的超聲探頭在人體的位置和方向，因此遠端專家將同時看到雙路高清視頻，超聲影像視頻和探頭操作視頻，掃查病灶并進行疾病診斷。遠程實時會診包括視頻交流和檢查信息共享，視頻交流一般在醫患兩側配置1080P高清視頻，通信速率為5Mbps，需要網絡提供大帶寬和低時延的通信保障^[3]。

（2）AR/VR示教

AR/VR示教可以構建完整的虛擬現實手術場景，全方位展示患者情況、手術創口、手術臺畫面和手術過程內容。AR/VR示教可以幫助提升偏遠區域醫院的醫療技術水平，教學醫生可以通過視訊設備和遠端醫務人員 或者學員進行視頻實時交流，遠端醫務人員或學員可以通過佩戴AR/VR同步看到真實的手術環境和患者實時的醫療信息。

AR/VR還可以進行在線實時采編錄像和無線直播，實現手術音像資料存檔、遠程觀摩教學和專家指導。無線手術示教需要傳輸多種視頻和圖像信息，以內窺鏡手術為例，手術環境、監護儀畫面和內窺鏡影像三類視頻都需要傳輸。這三類視頻的主流分辨率為1080P，共需要15Mbps的通信速率^[3]。

2.3 遠程操控類醫療應用

（1）遠程機器人手術

機器人手術時一種可控交互式遠程醫療服務，突破地域限制，醫生和專家可以遠離手術臺，坐在操作控制臺中，根據高清視頻回傳的手術創口、手術臺畫面和患者情況，并且通過操作手柄來遠程控制患者體內的機械臂、手術器械進行手術。遠程機器人手術不僅需要大的帶寬、低時延，對定位的精度要求也特別高，尤其是在一些微創手術中，切口可能只有5~8mm, 差之毫厘，謬以千里。

（2）遠程機器人內窺鏡

遠程機器人內窺鏡是基于通信、傳感器和機器人技術，由醫療專家根據患者端的視頻和力反饋信息，遠程操控機器人開展的內窺鏡檢查醫療服務。其中，視頻交流通過醫生端和患者端的攝像頭完成，力反饋信息通過患者端機器人機械手傳感器的采集和反饋來完成，遠程操控通過操作搖桿完成。

機器人內窺鏡有兩路視頻信號、一路操作搖桿控制信號和一路力反饋觸覺信號。兩路視頻信號分別為患者端攝像頭視頻（1080P）和超聲影像視頻，每路信號通信速率各約5Mbps。操作搖桿控制信號和力反饋觸覺信號數據量都很小，經實測兩路信號的傳輸速率都在K比特級。

3 面向智慧醫療領域的MEC

3.1 智慧醫療對網絡的需求

智慧醫療融合了多種通信技術，包括4G、物聯網和移動邊緣計算（Mobile Edge Computing, MEC）等技術，并具備向5G平滑演進的能力，以嶄新的網絡架構為醫院構建基于蜂窩通信的醫療虛擬專網，不僅能滿足大帶寬、低時延、大連接的網絡通信要求，還降低了整體投資和運維成本。

此外，安全是醫療領域對網絡的特殊要求。醫療信息關乎人身生命安全，且具有隱私性要求，網絡需要具備較高的安全性和可靠性，如采用安全隧道協議IP Sec，在網絡邊緣節點部署電信級防火墻來確保其安全性，采用無線網絡協議中的握手信息以及定時器輪詢等方式確保協議的可靠性，并在核心節點通過冗余備份甚至異地容災方案確保系統的可靠性。

3.2 面向智慧醫療的MEC關鍵技術

MEC是ICT融合的產物，支持LTE、NR、Wi-Fi、有線，以及ZigBee、LoRa、NB-IoT、工業以太總線等多種接入技術，可以支持智慧醫療中多種多樣的醫療設備和可穿戴設備接入，此外MEC還具備低時延、大帶寬、本地化的特點^[6]，可以有效滿足未來高清視頻、VR/AR、遠程控制等業務需求，基于MEC實現醫療信息化、智能化，可以進一步提高醫療效率。

圖1 MEC的部署位置

傳統4G傳輸路徑如圖1中紅線所示。智慧醫療中的高清視頻、實時監控等大視頻大帶寬業務，對實驗要求

較高還需要占用大量的回傳帶寬。通過在基站與核心網之間更加靠近用戶終端的位置部署MEC服務器，用戶 可以直接通過MEC服務器訪問本地網絡，MEC服務器可以解析S1消息實現業務的分流，而不用經過接入、匯 聚、核心等多個傳輸環到達核心網，如圖1中藍色線所示，可以實現流量卸載，從而減輕骨干網的壓力，大大縮短了傳輸路徑，顯著降低傳輸時延^[7]。此外，MEC平臺上可以還搭載一些視頻預處理、實施編解碼、視頻分析功能以及高效的AI算法，滿足智慧醫療中高清視頻等低時延業務的需求。

MEC還可以保障網絡的隱私性和安全性，因為MEC的位置可以足夠低，可以靈活部署在一個本地區域范圍。例如將MEC部署于某所醫院，為接入用戶選擇性的提供帶有本地服務內容，流量并不經過公網，可以將敏感信息或隱私數據控制在區域內部，更加隱私安全，實現了業務隔離。

3.3 面向智慧醫療的MEC架構

面向智慧醫療的MEC架構從邏輯上可以分為：無線終端層、基礎網絡層、虛擬化層、平臺能力層和應用使能層，如圖2、圖3所示。

圖2 MEC架構

圖3 面向智慧醫療的MEC架構

無線終端層主要包括普通手機或者無線醫療設備，比如移動護理終端機、移動查房終端機、醫療服務機器人、監護儀和超聲等。MEC支持LTE、NR、WiFi、有線、以及ZigBee、LoRa、NB-IoT等多種接入制式，對于一些已經集成有無線通信模組的移動護理終端 （如PDA、PAD）和醫療服務機器人，可直接接入到MEC網絡。其它多數醫療設備如果沒有直接集成無線通信模組，初期階段可采用外掛通信模組的形式接入MEC。

基礎網絡層。由于絕大多數的醫療業務發生在醫院，院內無線網絡是最關鍵部分。本地部署MEC作為基礎性網絡，實現室內和室外廣域連續性傳輸和7×24小時實時在線。硬件方面包括計算、存儲、網絡以及加速器資源，可以采用通用的x86服務器架構實現軟硬件解耦，不被硬件設備商捆綁，同時硬件形態設計上會考慮邊緣節點和邊緣機房特有的限制，例如位置、空間、供電以及特定的業務場景需求等。虛擬化層（Cloud OS）對各類硬件資源進行虛擬化并高效地管理虛擬資源。可以使用OpenStack或者基于開源OpenStack的增強VIM，將來還將支持容器管理的Kubernetes技術，為了滿足醫療業務數據傳輸的安全性，可以采用智能路由、聯接管理、能力開放和網絡QoS保障等技術，構建一張醫療業務本地化的虛擬專網。

平臺能力層。基于邊緣云的MEC提供平臺開放能力，服務平臺上集成第三方應用或者在MEC上部署第三方應用，如針對患者提供娛樂資源（比如視頻和游戲等），增添了患者的醫院生活豐富性。能力開放是通過公開API接口的方式為運行在MEC上第三方應用提供無線網絡信息和位置信息等多種服務。綜合考慮第三方應用在系統架構及業務邏輯方面的差異，實現網絡能力簡單友好開放，同時隨著網絡功能進一步豐富，可向第三方應用實現持續開放，而不必對網絡進行復雜改動。例如位置能力開放。無線醫療虛擬專網基于4G室內小站，提供5~10米精度的定位能力，并且能夠定位到病房。4G蜂窩定位技術可以實現特殊患者的位置管理、醫院人流統計和熱力圖分布。5G毫米波頻段的室內小站可以獲得亞米級的定位精度，可以被用于護理終端、貴重藥品和醫療機器人的定位。

應用平臺可以對各類醫療業務的應用系統連接打通，如院內的EMR/HIS/PACS系統、遠程醫療平臺和應急救援平臺等。

4 面向智慧醫療的MEC的典型應用

MEC通過將應用層云平臺下沉到網絡邊緣，可以為移動終端提供本地大帶寬和低時延業務^[8]，接下來介紹3種典型業務解決方案。

4.1 移動查房和在線遠程監控查房

移動查房和在線遠程監控查房以無線網絡為依托，將醫生和護士工作站的業務功能通過手持終端延伸至患者的床邊，醫生在查房時手持手機、IPAD接入醫院信息管理系統，可快速查詢病人病歷、醫囑、檢驗單、檢查報告、體溫單、特別護理單等診療數據，還可以拍攝病人臨床的圖像，在與病人談話時可以錄音等，為制定完善的診療方案提供基礎，大大降低了醫療成本，簡化了醫療工作流程，提高了工作效率，讓醫生更好地為患者服務，護士通過移動查房實時查詢病人的處方信息，用藥記錄，體溫、血壓，歷史檢測數據，新入病人通知，實時錄入病人用藥記錄，每天例行檢察情況，及突發狀況，提高護理質量和效率。

該場景如圖4所示，在病房內及院內安裝攝像頭時時監控，視頻信息通過公共LTE基站視頻流本地旁路，醫生用手持終端通過無線網絡進行查房，查看、輸入及修改醫囑，并可用手持終端隨時查詢病房情況，或將病房內最新視頻情況推送給醫生。

圖4 移動查房和在線遠程監控查房+MEC網絡拓撲

該應用方案通過邊緣云，可以實現本地多流視頻推送、本地畫質管理等功能；通過MEC實現電子病歷移動化，醫護人員可以隨時隨地查看患者的電子病歷，及時記錄患者的治療信息，保證診療信息的完整，并且給以用戶全新的高清、低時延體驗；支持影像顯示的自動播放、測量、反色、放大縮小等功能，支持離線查看影像資料，并可以與RIS系統高度集成，方便對照查看。網頁版PACS支持瀏覽器直接訪問，無需裝插件，隨時調取病人影像及病歷資料，提升工作效率；邊緣云的安全性設計分別從物理網絡層面、通訊數據層面、信息保存于院外傳輸和安全證書這幾個方面考慮，保證醫院運營信息、患者基本信息、病情信息等多項極度敏感、隱私數據的安全。

4.2 可穿戴設備健康管理

隨著數字時代的興起，醫療行業正在發生變化。許多可穿戴設備能追蹤全天活動、鍛煉、睡眠和體重，各種telehealth工具（teleheath，遠程醫療是指通過電信基礎設施傳遞與醫療相關的服務或信息）和葡萄糖監測儀等設備正在重塑醫療保健領域。這些設備上存儲的數據可用于更新患者的數字醫療記錄；然而，現有的云基礎架構無法管理他們所生產的數據量。邊緣計算（Edge Computing）將連接起來這些醫療設備，在緊急情況下為醫院和醫生提供可靠和最新的患者信息^[6]。

如圖5所示，邊緣計算能夠實現患者生命危及時的實時響應。可穿戴健康管理設備一般采用基站-傳輸設備-核心網-上云這條數據傳輸鏈路，而邊緣計算具有可以在本地獨立計算的功能，優化數據鏈路傳輸，經過基站-傳輸設備-MEC-終端這條鏈路，無需經過核心網，在本地就可以及時響應，對患者生命健康實現告警處理，能夠第一時間及時響應；邊緣計算能夠確保實時數據本地存活。各個設備聯網管理上云很重要，但與云的鏈路一旦中斷，就需要邊緣網關能夠具備處理本地事務的機制，將數據實時存在網關上，待網絡恢復后上傳；邊緣計算能夠實現數據聚合。可穿戴健康管理設備每天采集的信息量非常龐大，邊緣計算能夠確保部分數據及時聚合處理，無需與云建立連接，上傳云端；邊緣計算能夠更好地實現業務監測和攻擊防范。能夠更好地對本地和云端進行監測和防護，并對數據進行加密。

圖5 可穿戴設備健康管理+MEC網絡拓撲

4.3 遠程會診

隨著疾病醫治程度的日益復雜，遠程醫療技術的不斷完善發展，建立完善的遠程醫療機制，對于目前國家大 力推進的分級診療普及、醫療資源的互聯共享、偏遠地區的醫療水平提升，具有重要的意義。實現醫療公平與醫療體系數字化已經成為從政府到醫療單位整個社會發展的大勢所趨，遠程醫療已經成為實現分級診療的必備。通過MEC遠程智慧視頻通訊系統的搭建，為醫療體系搭建遠程醫療信息化平臺，實現未來醫療縱深扁平化^[7]。

圖6 遠程會診+MEC網絡拓撲

如圖6所示，以往的遠程會診，醫生必須在會診室通過有線網絡對分院疑難病患進行會診，搭建MEC的遠程醫療視訊系統將各級醫療單位實現互聯，對于醫療單位，遠程醫療解決方案實現高水平醫護資源對接，專家醫生只需通過遠程醫療視訊系統，即可實現遠程高清互動會診，遠程病患資料調用等多功能，也可以使用移動終端通過MEC在任何地方參與會診，降低成本，提升醫護水平，同時，MEC也可以保證病人醫療圖像數據本端輕松切換，高效解決患者病痛，自由連接院內外專家，無損呈現醫學影像，實現“面對面”臨場高效診治等功能。

5 總結

無線通信技術無疑是智慧醫療不可或缺的連接基礎，伴隨5G網絡建設，MEC的部署，以及核心網向SDN/NFV方向演進，網絡不僅僅只是作為流量管道，還可以用關鍵技術為智慧醫療賦能，更深度介入到智慧醫療的關鍵業務流程中，提升工作效率，下沉醫療資源。

目前，我國正處于信息產業、醫療產業融合發展的時機，智慧醫療和無線技術融合趨勢也日漸顯現，從面向5G的智慧醫療行業進行介紹和需求分析、醫療終端通信能力、MEC關鍵技術能力等方面看，無線通信技術、MEC與智慧醫療產業市場的融合也比較成熟，可以分階段實現智慧醫療無線化、遠程化、智能化，最終跨越醫療資源不均衡的鴻溝。

作者簡介：

延凱悅，工程師，碩士畢業于北京交通大學，現任職于中國聯合網絡通信有限公司網絡技術研究院無線技術研究部，主要研究方向為MEC、5G通信等。

王玉婷，工程師，碩士畢業于北京郵電大學，現任職于中國聯通網絡技術研究院5G創新中心，目前主要從事5G通信技術在智慧醫療、智慧養老等行業應用研究工作。

馮 毅，教授級高級工程師，長期從事移動通信網絡規劃、研發、設計等工作，現任中國聯通5G創新中心主任，目前主要負責中國聯通的無線網絡、5G業務應用、發展戰略方面等研究工作，項目成果獲得國家級獎項11個、省部級獎項37個。

張忠皓，工學博士，現任中國聯通網絡技術研究院無線技術研究部室主任，教授級高級工程師，北京郵電大學兼職教授。主要從事移動網無線新技術相關課題研究、標準制定、設備驗證、網絡部署等工作。

盛 煜，高級工程師，畢業于北京郵電大學，現任中國聯通網絡技術研究院5G創新中心智慧醫療中心總監。長期從事移動通信網絡無線新技術及組網解決方案研究，同時聚焦5G智能制造、5G醫聯網、泛低空通信、5G智慧校園等方向研究。

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摘自《自動化博覽》2020年8月刊