5G 移動醫療監護系統的設計*

薛俊偉，劉雨濛

（1.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.暨南大學，廣東 廣州 510632）

0 引言

醫工結合是醫療發展趨勢。面對新發突發傳染病疫情、老齡化人群卒中病情、中高密度人群公共健康監測等重大衛生事件時，依靠科技手段提高相關部門的反應速度，可以將損失降到最低。特別是在當前新型冠狀病毒感染的肺炎疫情防控形勢下，傳感器技術、通信技術和大數據處理助推遠程會診，實行醫患之間無接觸診療服務，讓診療更加安全、高效和便捷。此外，人口老齡化已成為經濟社會生活中必須關注的問題。我國近幾年在逐步調整因人口年齡結構帶來的影響，預計未來30 年內國內的老齡化形勢將達到峰值并逐漸回歸到一個合理區間。老齡化所帶來的一系列弊端中，對人們影響最直接的是健康問題。根據世界衛生組織的統計，非傳染性慢性疾病如高血壓、高血糖以及由此引發心血管疾病等是在老年群體中致死率最高的病種。人口老齡化和慢性疾病的蔓延，促使人們更加關注疾病的提前預防。

科技的發展給移動醫療技術的普及提供了支撐。隨著經濟水平的進步和人們生活水平的提高，越來越多的人開始關注自己的健康管理，通過更加積極的預防措施將疾病的發展限制在初期。同時，由于當前生活節奏的加快，智能設備和移動網絡下的健康監控具有實時性、保密性和便捷性，有利于緩解我國醫療衛生資源的不平衡狀態，更符合社會的需求?；诖耍苿俞t療監護系統及其所依附的移動醫療體系具有很大的發展空間。

第五代移動通信新空口技術（5G New Radio，5G NR）針對更加廣泛的通信場景和廣域互聯的通信需求，設計實現了超多設備、超高密度、極低時延、極大速率和更廣范圍的蜂窩網絡覆蓋能力。通信性能的發展，為越來越多的應用場景提供了更好的支撐。5G NR 在醫療健康領域的應用前景更加明確，其高帶寬和低時延的性能特別適合遠程實時監測類醫療產品的實現。一方面，諸如影像診斷結果、實時會診視頻等可以充分利用5G 的高帶寬實現高清影像的在線傳輸，為優質醫療資源的共享提供可能；另一方面，生命體征數據、遠程手術指導、生化分析結果、電子病歷等資料，能夠借助5G 網絡的低時延特性實現傳送，以保證醫生對前端情況的實時動態掌控，為急救醫生或前端機器人提供準確指導和操控[1]?；?G 網絡的移動醫療監護系統可以緩解醫療資源緊張的壓力，符合智能醫療領域的發展趨勢。

1 系統設計

1.1 系統框架設計

基于5G NR 網絡的移動醫療監護系統，包含有生理參數監護儀、醫療救護工具、數據傳輸模塊和醫療中心服務器等主要構件。系統設計用于監測用戶的血氧飽和度、血壓、血糖、心率和體溫等各項生理參數，并有醫療急救求助功能。監測數據通過5G蜂窩網關模塊或無線局域網模塊傳輸到互聯網，經過清洗后的數據傳送給醫生、遠程專家等用作病癥的判斷，最終將監測數據和診療信息全部存儲到中心服務器。醫生可以隨時跟蹤管理患者的生理參數信息。經過授權的用戶可通過智能終端查看相關的生理參數信息，隨時了解自身健康的變化情況。如果系統監測到生理參數異常超過了閾值，或者用戶在緊急狀態下激活了救助程序，則能迅速響應。同時，系統后臺會通過發送短信、微信等方式通知醫生及其監護人[2-3]?；?G NR 網絡的移動醫療監護系統整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統整體框架

1.2 多參數監護儀

現階段，聯網生理參數監護儀在緊急救護、家庭使用、基層防疫、智慧養老、企業健康管理等場景都有廣泛應用。設備可提供實時、快捷、低成本的基礎健康數據檢測收集，幫助用戶建立個人健康管理檔案，并利用長期監護數據生成健康報告。一般地，移動醫療監護系統中使用的生理參數監護儀至少應可準確測量血氧飽和度、心電、體溫、血糖、脈率和血壓等參數，提供標準的醫療數據格式輸出，并且具備可擴展蜂窩/無線通信模塊的接口。本系統設計需要滿足在室內和移動狀態下的生命體征數據采集，宜采用包括通用多參數監護儀或具備低功耗特性的無線可穿戴式監護儀等[3]。

生理參數監護儀通過外部接口與RG500Q 5G模塊、BC28 窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）模塊和ESP8266-12F 無線局域網（Wireless-Fidelity，Wi-Fi）模塊連接，傳輸控制命令和生理參數數據，實現對各參數的監控和預警。

設計使用的多生理參數監護儀，產品形態和技術規格滿足醫療使用即可，通過數據接口實現參數讀取和遠程上報，具體地可與醫療機器人、智能檢測閘機、無人醫療檢測艙等配合安裝，組成智能監護系統。例如，在本次新冠病毒肺炎疫情爆發后，多地使用5G 紅外測溫機器人實現一次性多人體溫快篩和上報，使用醫護助理機器人實現消毒、送藥、生理參數檢查等工作，使用圖像識別監控進入公共場所人員戴口罩情況，使用無人機高空監測和播報提醒等，充分利用信息技術手段實現不接觸排查防控，減少人員交叉感染，提升病區隔離管控水平。

1.3 數據通信模塊

相較于第四代長期演進網絡（Long Term Evolution，LTE）模組，5G NR 模組在性能、頻譜效率和通信時延上都有很大改進。使用高通X55 5G 調制解調器的RG500Q 模組為柵格陣列封裝，支持5G NR sub-6GHz 頻段，LTE Cat.12 及更高等級的LTE 網絡連接[4]，能夠支持5G NR 獨立和非獨立組網兩種運行模式，并內置全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位功能和嵌入式SIM 卡（Embedded-SIM，eSIM），適用區域和范圍都極廣。

BC28 NB-IoT 無線通信模塊是一款通過運營商入庫認證的封裝尺寸小、通信性能高、運行功耗低的物聯網模組，在頻段上可以支持B1/B3/B8/B5/B20/B28，且內嵌網絡服務協議棧，方便普通設備快速、靈活地升級物聯網功能。在無人抄表、智慧醫療、共享單車、無線城市、環境監測等領域已經有廣泛應用，可以方便地提供大范圍、多設備、低時延的連接和數據傳輸服務。

ESP8266-12F Wi-Fi 模塊是一款成熟的低成本、低功耗、高穩定性嵌入式串口轉無線網模塊，內置傳輸控制協議/網際協議，可以方便地實現設備的物聯網改造。模塊支持802.11 b/g/n/ac 協議，可以通過代碼設置為Station 工作模式、Access Point 接入點模式或者混合模式。

通過改造的生理參數監護儀可以將數據以特定的格式借助蜂窩或者無線局域網的通道傳送至醫療中心的服務器，形成的檢測結果可實時分發給醫生、病人以及家屬。5G 網絡的高速率、低延遲和大連接特點，能滿足監護系統中生理參數的即時通信，并且在快速移動的場景下也能提供穩健的數據連接。

圖2 數據通信模塊工作模式

1.4 監護平臺部署

監護平臺是整個移動醫療監護系統的神經中樞，負責從海量監護儀器毛細網絡中采集到大數據，統一分析管理、執行算法、實時監管和并發處理。智能物聯網改造后的多生理參數監護儀等設備內嵌了包含5G NR、NB-IoT 和Wi-Fi 等多個通信模組，可以滿足不同場景下的穩定使用，監測到的數據實時上傳到醫療中心服務平臺[5]。監測數據和控制信息借助運營商網絡進行傳輸，其中分組傳送網（Packet Transport Network，PTN）經路由接入虛擬核心網數據中心（Internet Data Center，IDC）機房[6]。監護儀器、醫療中心和其他聯網設備分布于遠程醫療應用目標區域，醫療中心服務平臺的蜂窩網絡拓撲如圖3 所示。

圖3 醫療中心服務平臺網絡拓撲

移動醫療監護系統對時延和網絡的穩健性有很強的要求，通過對當前系統應用區域的分析，在阿里云華南1 區創建了兩個云服務器（Elastic Compute Service，ECS）實例，并配置同一區域分布式數據庫（Distributed Relational Database Service，DRDS）。通過百度地圖應用編程接口（Application Programming Interface，API），為接入平臺內的監護儀和醫院提供位置服務。在此次新冠病毒肺炎疫情中，可拓展功能的移動方艙醫療車內部即部署了各類醫療設施，其中的移動醫療監護系統能夠配合醫護人員機動化展開診療活動。方艙內的監護數據通過運營商5G 網絡及時傳到監控平臺服務器，為早期和疑似病例的發現節約時間[7]。同時，監控平臺通過地圖API 調取周邊關聯小區病例進行大數據研判，為區域疫情分析診斷提供信息保障。

圖4 監護系統服務器通信框

2 結果分析

本方案心電、血氧和脈率的測試使用生理參數模擬儀，對移動醫療監護系統采集數據的準確性進行分析。實驗同時選擇多組位于不同5G 信號覆蓋區域的測試源，對數據傳輸的實時性和穩定性進行驗證，發現運行狀況符合預期。具體地，主要使用美國FLUKE 公司的血氧模擬儀NDEX2XLF 和心電模擬儀MPS450 對設備監測血氧飽和度和心電的精度進行測試。對照組選用校準后的醫療儀器。多次實驗后，去除臟數據后的統計結果如表1 所示。

表1 心電檢測模塊數據回傳測試

實驗結果表明，系統得到的回傳心電數據平均誤差率為3.17%，精度符合醫療設備要求。50 Hz時由于工頻干擾，誤差稍大，但是在正常范圍內。

如表2 所示，實驗結果表明，系統得到的回傳血氧飽和度和脈率數據精度高達99.2%，受到的網絡波動影響小，符合預期。

表2 血氧飽和度和脈率數據回傳測試

此外，對監護系統中集成的紅外額溫檢測單元進行測試，將6 名體溫未知的測試者分為H 組，增加使用MS400 多參模擬儀預設4 組不同溫度作為P組參與測試，如表3 所示。其中，H1～H3、P1、P2 位于蜂窩網絡A 小區，H4～H36、P3、P4 位于蜂窩網絡B 小區。在室溫為24.2～26.4 ℃的實驗環境下，測試對象分別每隔半小時連續3 次測量額溫，求取均值。對照組選用德國Braun BNT400 型紅外額溫計。

表3 體溫檢測數據回傳測試

實驗測試結果表明，在人體額溫測試中，通過5G 網絡回傳的測試結果與市售額溫計測量結果平均差值為0.03 ℃，模擬測試組能100%表達多參模擬儀預設的不同溫度。一般地，額頭溫度的測量因為非接觸、速度快而適合部署在有快檢需求的場景下，但是醫學上普遍認為額溫不能真實反映人體是否處于發熱狀態，因此系統預設37.3 ℃作為觸發重新檢測體溫的閾值[8]。實驗測試了系統的異常報警功能，在監測額溫數據異常時均能及時激活重測提示，并即時上報數據到系統后臺。重測仍然不通過后，將聯系醫院并發送信息給指定的監護人員。對于無人值守的全自動檢測情景，異常報警功能涉及到緊急救助模型，機器學習算法依賴于數據量和訓練時間，會隨著數據的增加而更加準確。

3 結語

5G 網絡的建設和電子技術的發展，使遠程醫療的應用更加具有可操作性。移動醫療監護系統在個人健康管理、基層醫療防疫、應對抗震救災等公共衛生應急保障中作用巨大，功能包括生理參數監護數據的電子存儲、生命體征異常及時報警、在線醫療診斷和遠程專家指導平臺等，方便醫生追蹤患者的長期健康數據，全方位了解患者的身體狀態。云端監護平臺以PaaS/SaaS 方式向用戶和單位提供服務，實現遠程診療和數據互聯共享，平衡和緩解了優質醫療資源的合理調配使用。通過接入蜂窩網絡，經過授權后的手持智能終端能在應用軟件上綁定個人信息，接入系統查看相關報告等數據，節省時間。

使用5G NR 網絡的移動醫療監護系統，在當前國內公共衛生應急保障能力不充足、老齡化問題嚴重、醫療資源緊張和慢性病群體不斷增加的形勢下，能幫助居民建立個人健康檔案，培養社會大眾治未病、防大病的意識，減少傳染病疫情防控中醫患之間的接觸和交叉感染風險，方便醫生根據患者的長期生理參數信息作出更加科學準確的診斷，提供更加個性化的醫療服務。5G 網絡的特性，為移動醫療監護系統及其所依附的移動醫療體系提供了巨大的發展空間，依靠醫工結合產生的合力以及全體醫護人員的努力，新冠肺炎疫情將很快過去，并為國內構建更加有效、迅速、安全的公共衛生防疫系統提供經驗。