基于5G/AIoT的新型遠(yuǎn)程多學(xué)科會診平臺架構(gòu)及應(yīng)用

王旭東，曾安宇，張凱，徐野

(西門子數(shù)字醫(yī)療科技(上海)有限公司，上海市 200126)

1 引言

我國地域廣闊，人口眾多，城鄉(xiāng)和區(qū)域發(fā)展不均衡，醫(yī)療資源呈現(xiàn)總體不足和局部資源配置不合理問題。絕大多數(shù)的衛(wèi)生資源集中在大城市的大醫(yī)院里，而在欠發(fā)達(dá)地區(qū)，醫(yī)療資源相對緊缺，基層醫(yī)生對疑難雜癥患者的處理能力有限。時間及空間距離的原因，讓醫(yī)院間、醫(yī)院與醫(yī)學(xué)院校間臨床教學(xué)和研討開展困難，基層醫(yī)療人才的水平提升受到限制，導(dǎo)致基層醫(yī)療人才斷層。大醫(yī)院掛專家號難、就診排長隊、繳費(fèi)排長隊、看病時間短；大醫(yī)院距離遠(yuǎn)、城市消費(fèi)高，老百姓需承擔(dān)額外的交通費(fèi)、住宿費(fèi)等，看一次病時間長、花費(fèi)大[1]。信息孤島及數(shù)據(jù)不同步，讓跨科室跨機(jī)構(gòu)協(xié)同業(yè)務(wù)難以開展，醫(yī)院之間的學(xué)術(shù)研討、醫(yī)療專科交流困難，不利于整體醫(yī)療水平的提升。因此，遠(yuǎn)程醫(yī)療[2]是醫(yī)院信息化建設(shè)的重要組成本部分,同時已經(jīng)成為更好發(fā)揮醫(yī)院和專家的服務(wù)水平、提高診療能力、改變診斷能力分布不均的現(xiàn)狀的重要手段之一，充分有效地協(xié)調(diào)各個醫(yī)院的資源，提供綜合的、統(tǒng)一的管理調(diào)度溝通，是醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展趨勢和迫切需求。遠(yuǎn)程會診系統(tǒng)可使在地理上分散的分支機(jī)構(gòu)組織用戶共聚一處，通過圖像、聲音等多種方式交流信息，支持人們遠(yuǎn)距離進(jìn)行實(shí)時信息交流與共享、開展協(xié)同學(xué)習(xí)與工作，極大地方便了面對對象、協(xié)作成員之間真實(shí)、直觀的交流[3]。但是，目前國內(nèi)外的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)和云遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)普遍是將視頻會議改型而已，其存在以下幾個問題：網(wǎng)絡(luò)延遲相對較高；視頻及音頻的壓縮比較高；缺少患者多維度醫(yī)療信息的展現(xiàn)；通過網(wǎng)絡(luò)連接與院內(nèi)各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，而會診中心平臺多是構(gòu)建于公網(wǎng)服務(wù)器，無法保證院內(nèi)各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全及其隱私保護(hù)；遠(yuǎn)程專家只能片面地通過視頻及音頻被動接收從而進(jìn)行遠(yuǎn)程會診指導(dǎo)。因此，目前的系統(tǒng)大多不符合遠(yuǎn)程臨床醫(yī)療的要求。

5G網(wǎng)絡(luò)以大規(guī)模天線陣、超密集組網(wǎng)、新型多址、網(wǎng)絡(luò)切片、云化網(wǎng)絡(luò)等多種關(guān)鍵性技術(shù)做支撐，保證其高速率、低延時、廣覆蓋、大連接、高安全及靈活部署等能力，以及萬物數(shù)據(jù)化、萬物智聯(lián)化的人工智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的落地及推廣[4-6]。使其能夠支持遠(yuǎn)程高清會診和醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)的高速傳輸與共享，并讓專家能夠隨時隨地開展遠(yuǎn)程會診，提升診斷準(zhǔn)確率和指導(dǎo)效率，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源下沉[7]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊

本系統(tǒng)平臺的總體目標(biāo)：將醫(yī)院內(nèi)部的不允許聯(lián)接公網(wǎng)的醫(yī)療檢查設(shè)備、醫(yī)學(xué)影像存檔與通訊系統(tǒng)(PACS)、醫(yī)院信息系統(tǒng)(HIS)、臨床信息系統(tǒng)(CIS)等醫(yī)療信息系統(tǒng)，釆用人工智能物聯(lián)網(wǎng)[8]及邊緣計算等技術(shù)，進(jìn)行視頻編碼成HTTP通用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議視頻流，并同時將設(shè)備的全景視音頻經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸管理，在專家端進(jìn)行實(shí)時播放。所有對接設(shè)備及信息系統(tǒng)，從物理上與外網(wǎng)斷開，確保院內(nèi)的醫(yī)療信息絕對安全。同時專家端能夠通過設(shè)備端的USB端口對相應(yīng)的對接系統(tǒng)進(jìn)行反向控制，能夠滿足遠(yuǎn)程會診的醫(yī)療需求。其邏輯架構(gòu)如圖1所示。

針對上述目標(biāo)需求，平臺主要包括基層設(shè)備端、遠(yuǎn)程專家端、手機(jī)應(yīng)用端及云平臺管理端四大部分，主要由以下幾個模塊組成：

2.1 高清視頻語音通信系統(tǒng)

可以實(shí)現(xiàn)視頻語音通信，讓遠(yuǎn)程專家實(shí)時動態(tài)觀察患者的體征和動作，與客戶端技師進(jìn)行視頻通信了解患者病史、指導(dǎo)正確擺位，在得到患者基本信息的同時避免由于擺位不規(guī)范而造成的重復(fù)掃描，更大程度地減少人為誤差、節(jié)省時間。

2.2 先進(jìn)的控制和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

借助5G無線網(wǎng)絡(luò)高速率、低時延的技術(shù)[6]，開發(fā)了先進(jìn)的設(shè)備端控制器，讓遠(yuǎn)程專家或App在掃描前就可以根據(jù)視頻通信獲取到的患者信息正確地設(shè)置掃描參數(shù)，并可以在掃描過程中實(shí)時觀測掃描進(jìn)程，而在掃描結(jié)束后，不僅可以無縫閱片，還能操作客戶端工作站進(jìn)行圖像后處理，以獲取更詳細(xì)的病灶情況。針對遠(yuǎn)程會診時，兩位遠(yuǎn)程專家可以同時遠(yuǎn)程控制同一套遠(yuǎn)端系統(tǒng)，界面上同時顯示兩位專家的鼠標(biāo)控制位置而且兩位專家能夠分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入操作，便于進(jìn)行協(xié)同共享及案例討論。

2.3 便捷的操作模式與數(shù)據(jù)安全

已集成進(jìn)微信小程序，由客戶端向?qū)＜叶税l(fā)起會診邀請自動登陸，無論專家身在何處，只要有高速網(wǎng)絡(luò)和電腦，專家就可以即刻連接到設(shè)備進(jìn)行指導(dǎo)，使用便捷、信息安全，不需要雙方醫(yī)院信息科維護(hù)系統(tǒng)，真正意義上實(shí)現(xiàn)零維護(hù)。客戶端可同時向四方專家發(fā)起會診邀請共同診斷，專家端可同時接受三方客戶端邀請?zhí)峁┘夹g(shù)指導(dǎo)。而在數(shù)據(jù)安全方面，該系統(tǒng)所在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與影像設(shè)備及醫(yī)院信息系統(tǒng)物理隔離，無數(shù)據(jù)及系統(tǒng)安全隱患。所有的云數(shù)據(jù)由第三方傳輸，服務(wù)器部署在中國境內(nèi)，符合中國網(wǎng)絡(luò)信息安全法，數(shù)據(jù)通信使用TLS標(biāo)準(zhǔn)加密。

該系統(tǒng)平臺業(yè)內(nèi)流行的采用圖2所示的分層云平臺架構(gòu)模式進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計及編碼實(shí)現(xiàn)。通過5G網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的低時延特點(diǎn)和切片技術(shù)，特別適合這種遠(yuǎn)程精準(zhǔn)操作的應(yīng)用，可以滿足控制的精確度要求和實(shí)時性要求。同時切片技術(shù)可以保證網(wǎng)絡(luò)傳輸更加安全，在傳輸中將這類重要的信息與普通數(shù)據(jù)隔離開并優(yōu)先傳輸，保證了控制操作的安全性和穩(wěn)定性。能夠?qū)⒒鶎拥膾呙柙O(shè)備的屏幕視頻流和病人畫面實(shí)時傳送到部署在云端上的遠(yuǎn)程影像檢查系統(tǒng)上，遠(yuǎn)程的專家通過電腦既能同屏看到所有影像和數(shù)據(jù)資料，還能實(shí)時遠(yuǎn)程操控位于基層醫(yī)院的影像設(shè)備，可從影像數(shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭保證了數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)，具有一鍵接入、檢查上云、掃描質(zhì)控、高效互動等功能。

圖1 系統(tǒng)邏輯圖

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 實(shí)現(xiàn)

目前，整個系統(tǒng)平臺已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活、穩(wěn)定、可擴(kuò)展、安全、低延時，通過高可用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平臺上音視頻數(shù)據(jù)及控制數(shù)據(jù)的交換和傳輸?shù)臒o差錯、無丟失，降低其日常的維護(hù)成本，從而支撐平臺的日常臨床業(yè)務(wù)開展，實(shí)現(xiàn)平臺創(chuàng)建的初衷。其中核心的系統(tǒng)模塊描述如下：

(1)通過一個及多個智能視頻編碼器，對院內(nèi)各種醫(yī)療檢查設(shè)備(CT、MRI、PET/CT、US、DR)的控制系統(tǒng)及醫(yī)療信息系統(tǒng)(PACS、電子病歷、心電圖系統(tǒng))的原始顯示視頻，進(jìn)行邊緣的實(shí)時采集并高速編碼，從而在各個醫(yī)療系統(tǒng)不接外網(wǎng)的前提下，實(shí)時將其通過5G條件下滿足高速度、低延遲和高清的實(shí)時傳輸。(2)通過智能視頻編碼器上USB遠(yuǎn)程控制接口，能夠連接院內(nèi)各種醫(yī)療檢查設(shè)備的控制系統(tǒng)及醫(yī)療信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)接口從物理上與外網(wǎng)斷開，從而無需連接數(shù)據(jù)接口的前提下，進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制其各個醫(yī)療系統(tǒng)，滿足遠(yuǎn)程專家會診中所需的各種相關(guān)操作。(3)在以上院內(nèi)各個醫(yī)療系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過對講攝像機(jī)、術(shù)野攝像機(jī)及場景攝像機(jī)等的接入支持，實(shí)現(xiàn)了病人信息多維度的會診需求，能夠制定更優(yōu)的治療方案。(4)通過對各種醫(yī)療檢查設(shè)備的支持，可以實(shí)現(xiàn)病人在檢查時，就能對其進(jìn)行遠(yuǎn)程會診。即節(jié)省醫(yī)生、病人時間，又能時快速做出診斷計劃。(5)通過對不同類型的音視頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)一編碼及傳輸，降低了專家端對計算機(jī)資源的需求，使其在平板電腦、筆記本電腦和迷你電腦上進(jìn)行遠(yuǎn)程接入，無需專用的解碼終端，滿足其隨時、隨地進(jìn)行會診的需求。(6)同時在其上構(gòu)建的會診平臺系統(tǒng)，可以便捷的發(fā)起、分享、控制及中止遠(yuǎn)程會診，同時能夠進(jìn)行離線消息提醒，能夠滿足各種醫(yī)療會診臨床路徑的需求。

該平臺正式上線后，通過多次網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及系統(tǒng)調(diào)優(yōu)，實(shí)現(xiàn)以下主要技術(shù)指標(biāo)，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)：(1)超低延時，實(shí)現(xiàn)低于200ms的延時。(2)實(shí)現(xiàn)高保真、高實(shí)時的醫(yī)療影像采集與傳輸。(3)醫(yī)療系統(tǒng)的界面與現(xiàn)場音視頻的畫面、語音的嚴(yán)格同步顯示。(4)同時兼容各種分辨率的系統(tǒng)的接入，高效的邊緣計算實(shí)現(xiàn)視音頻的編碼處理。

圖3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 結(jié)論

通過5G、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等新技術(shù)的應(yīng)用，使本系統(tǒng)能夠達(dá)到超低延時，從而滿足醫(yī)療業(yè)務(wù)需求；采用專業(yè)的智能視頻編解碼器，實(shí)現(xiàn)了多維度的音視頻的高保真、高實(shí)時的采集與傳輸；多路音視頻的同步采集與全新編碼方式，實(shí)現(xiàn)同步傳輸，從而在專家端能夠同步顯示；通過專用的視頻編碼芯片實(shí)現(xiàn)對不同分辨率系統(tǒng)的采集及編碼，從而多醫(yī)療設(shè)備的支持；USB控制接口的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)物理隔離，從而滿足高安全性的要求。

因此，該平臺能夠讓目標(biāo)客戶從患者擺位、設(shè)置掃描參數(shù)、實(shí)時掃描、圖像后處理等各方面都能得到遠(yuǎn)程專家的指導(dǎo)服務(wù)，而不是僅僅局限于標(biāo)記和閱片，可以讓醫(yī)務(wù)人員更好地了解病患，給病人及時提供其所需服務(wù)，讓更多患者在家門口就能享受到高水平的、貼切的醫(yī)療服務(wù)，并且讓醫(yī)務(wù)人員之間也可以預(yù)留時間來檢查和審視治療效果、討論診治內(nèi)容，提高醫(yī)療效率[9-10]。除全國專家的遠(yuǎn)程支持以外，區(qū)域性的當(dāng)?shù)貙＜乙部梢酝ㄟ^此系統(tǒng)搭建互聯(lián)互通遠(yuǎn)程醫(yī)療云平臺，由于當(dāng)?shù)貙＜腋芰私猱?dāng)?shù)匦l(wèi)生習(xí)慣，遠(yuǎn)程會診中的當(dāng)?shù)貙＜抑С直夭豢缮佟^(qū)域內(nèi)醫(yī)聯(lián)體之間的醫(yī)院可以通過此系統(tǒng)搭建新一代的會診云平臺，各個醫(yī)院通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，其具有高通量、低延時、使用便捷、永不離線的特點(diǎn)，可以緊密的把區(qū)域內(nèi)醫(yī)院連接起來，更好地展開業(yè)務(wù)協(xié)作，有利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療、轉(zhuǎn)診會診、培訓(xùn)教育等服務(wù)常態(tài)化、規(guī)模化，拓展為民服務(wù)渠道，提高醫(yī)院知名度，擴(kuò)大醫(yī)院影響力，提升醫(yī)聯(lián)體內(nèi)各醫(yī)院的服務(wù)保障能力[11]。通過該平臺能夠面向區(qū)域內(nèi)醫(yī)院提供的遠(yuǎn)程會診、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、遠(yuǎn)程繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育、疑難病例討論等服務(wù)，可以提高區(qū)域內(nèi)醫(yī)院整體醫(yī)療服務(wù)水平及管理水平。