薛俊偉，劉雨濛

（1.中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019；2.暨南大學(xué)，廣東 廣州 510632）

0 引言

醫(yī)工結(jié)合是醫(yī)療發(fā)展趨勢(shì)。面對(duì)新發(fā)突發(fā)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(jiān)測(cè)等重大衛(wèi)生事件時(shí)，依靠科技手段提高相關(guān)部門(mén)的反應(yīng)速度，可以將損失降到最低。特別是在當(dāng)前新型冠狀病毒感染的肺炎疫情防控形勢(shì)下，傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理助推遠(yuǎn)程會(huì)診，實(shí)行醫(yī)患之間無(wú)接觸診療服務(wù)，讓診療更加安全、高效和便捷。此外，人口老齡化已成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)生活中必須關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)近幾年在逐步調(diào)整因人口年齡結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，預(yù)計(jì)未來(lái)30 年內(nèi)國(guó)內(nèi)的老齡化形勢(shì)將達(dá)到峰值并逐漸回歸到一個(gè)合理區(qū)間。老齡化所帶來(lái)的一系列弊端中，對(duì)人們影響最直接的是健康問(wèn)題。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)，非傳染性慢性疾病如高血壓、高血糖以及由此引發(fā)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(guān)注疾病的提前預(yù)防。

科技的發(fā)展給移動(dòng)醫(yī)療技術(shù)的普及提供了支撐。隨著經(jīng)濟(jì)水平的進(jìn)步和人們生活水平的提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始關(guān)注自己的健康管理，通過(guò)更加積極的預(yù)防措施將疾病的發(fā)展限制在初期。同時(shí)，由于當(dāng)前生活節(jié)奏的加快，智能設(shè)備和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)下的健康監(jiān)控具有實(shí)時(shí)性、保密性和便捷性，有利于緩解我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生資源的不平衡狀態(tài)，更符合社會(huì)的需求。基于此，移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及其所依附的移動(dòng)醫(yī)療體系具有很大的發(fā)展空間。

第五代移動(dòng)通信新空口技術(shù)（5G New Radio，5G NR）針對(duì)更加廣泛的通信場(chǎng)景和廣域互聯(lián)的通信需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了超多設(shè)備、超高密度、極低時(shí)延、極大速率和更廣范圍的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。通信性能的發(fā)展，為越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)景提供了更好的支撐。5G NR 在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用前景更加明確，其高帶寬和低時(shí)延的性能特別適合遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)類醫(yī)療產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。一方面，諸如影像診斷結(jié)果、實(shí)時(shí)會(huì)診視頻等可以充分利用5G 的高帶寬實(shí)現(xiàn)高清影像的在線傳輸，為優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的共享提供可能；另一方面，生命體征數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)、生化分析結(jié)果、電子病歷等資料，能夠借助5G 網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延特性實(shí)現(xiàn)傳送，以保證醫(yī)生對(duì)前端情況的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)掌控，為急救醫(yī)生或前端機(jī)器人提供準(zhǔn)確指導(dǎo)和操控[1]。基于5G 網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以緩解醫(yī)療資源緊張的壓力，符合智能醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于5G NR 網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，包含有生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀、醫(yī)療救護(hù)工具、數(shù)據(jù)傳輸模塊和醫(yī)療中心服務(wù)器等主要構(gòu)件。系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)用戶的血氧飽和度、血壓、血糖、心率和體溫等各項(xiàng)生理參數(shù)，并有醫(yī)療急救求助功能。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)5G蜂窩網(wǎng)關(guān)模塊或無(wú)線局域網(wǎng)模塊傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，經(jīng)過(guò)清洗后的數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)生、遠(yuǎn)程專家等用作病癥的判斷，最終將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和診療信息全部存儲(chǔ)到中心服務(wù)器。醫(yī)生可以隨時(shí)跟蹤管理患者的生理參數(shù)信息。經(jīng)過(guò)授權(quán)的用戶可通過(guò)智能終端查看相關(guān)的生理參數(shù)信息，隨時(shí)了解自身健康的變化情況。如果系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到生理參數(shù)異常超過(guò)了閾值，或者用戶在緊急狀態(tài)下激活了救助程序，則能迅速響應(yīng)。同時(shí)，系統(tǒng)后臺(tái)會(huì)通過(guò)發(fā)送短信、微信等方式通知醫(yī)生及其監(jiān)護(hù)人[2-3]?；?G NR 網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

1.2 多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀

現(xiàn)階段，聯(lián)網(wǎng)生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀在緊急救護(hù)、家庭使用、基層防疫、智慧養(yǎng)老、企業(yè)健康管理等場(chǎng)景都有廣泛應(yīng)用。設(shè)備可提供實(shí)時(shí)、快捷、低成本的基礎(chǔ)健康數(shù)據(jù)檢測(cè)收集，幫助用戶建立個(gè)人健康管理檔案，并利用長(zhǎng)期監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)生成健康報(bào)告。一般地，移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中使用的生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀至少應(yīng)可準(zhǔn)確測(cè)量血氧飽和度、心電、體溫、血糖、脈率和血壓等參數(shù)，提供標(biāo)準(zhǔn)的醫(yī)療數(shù)據(jù)格式輸出，并且具備可擴(kuò)展蜂窩/無(wú)線通信模塊的接口。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足在室內(nèi)和移動(dòng)狀態(tài)下的生命體征數(shù)據(jù)采集，宜采用包括通用多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀或具備低功耗特性的無(wú)線可穿戴式監(jiān)護(hù)儀等[3]。

生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀通過(guò)外部接口與RG500Q 5G模塊、BC28 窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）模塊和ESP8266-12F 無(wú)線局域網(wǎng)（Wireless-Fidelity，Wi-Fi）模塊連接，傳輸控制命令和生理參數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)的監(jiān)控和預(yù)警。

設(shè)計(jì)使用的多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀，產(chǎn)品形態(tài)和技術(shù)規(guī)格滿足醫(yī)療使用即可，通過(guò)數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)參數(shù)讀取和遠(yuǎn)程上報(bào)，具體地可與醫(yī)療機(jī)器人、智能檢測(cè)閘機(jī)、無(wú)人醫(yī)療檢測(cè)艙等配合安裝，組成智能監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。例如，在本次新冠病毒肺炎疫情爆發(fā)后，多地使用5G 紅外測(cè)溫機(jī)器人實(shí)現(xiàn)一次性多人體溫快篩和上報(bào)，使用醫(yī)護(hù)助理機(jī)器人實(shí)現(xiàn)消毒、送藥、生理參數(shù)檢查等工作，使用圖像識(shí)別監(jiān)控進(jìn)入公共場(chǎng)所人員戴口罩情況，使用無(wú)人機(jī)高空監(jiān)測(cè)和播報(bào)提醒等，充分利用信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)不接觸排查防控，減少人員交叉感染，提升病區(qū)隔離管控水平。

1.3 數(shù)據(jù)通信模塊

相較于第四代長(zhǎng)期演進(jìn)網(wǎng)絡(luò)（Long Term Evolution，LTE）模組，5G NR 模組在性能、頻譜效率和通信時(shí)延上都有很大改進(jìn)。使用高通X55 5G 調(diào)制解調(diào)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(jí)的LTE 網(wǎng)絡(luò)連接[4]，能夠支持5G NR 獨(dú)立和非獨(dú)立組網(wǎng)兩種運(yùn)行模式，并內(nèi)置全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）定位功能和嵌入式SIM 卡（Embedded-SIM，eSIM），適用區(qū)域和范圍都極廣。

BC28 NB-IoT 無(wú)線通信模塊是一款通過(guò)運(yùn)營(yíng)商入庫(kù)認(rèn)證的封裝尺寸小、通信性能高、運(yùn)行功耗低的物聯(lián)網(wǎng)模組，在頻段上可以支持B1/B3/B8/B5/B20/B28，且內(nèi)嵌網(wǎng)絡(luò)服務(wù)協(xié)議棧，方便普通設(shè)備快速、靈活地升級(jí)物聯(lián)網(wǎng)功能。在無(wú)人抄表、智慧醫(yī)療、共享單車、無(wú)線城市、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域已經(jīng)有廣泛應(yīng)用，可以方便地提供大范圍、多設(shè)備、低時(shí)延的連接和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

ESP8266-12F Wi-Fi 模塊是一款成熟的低成本、低功耗、高穩(wěn)定性嵌入式串口轉(zhuǎn)無(wú)線網(wǎng)模塊，內(nèi)置傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議，可以方便地實(shí)現(xiàn)設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)改造。模塊支持802.11 b/g/n/ac 協(xié)議，可以通過(guò)代碼設(shè)置為Station 工作模式、Access Point 接入點(diǎn)模式或者混合模式。

通過(guò)改造的生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀可以將數(shù)據(jù)以特定的格式借助蜂窩或者無(wú)線局域網(wǎng)的通道傳送至醫(yī)療中心的服務(wù)器，形成的檢測(cè)結(jié)果可實(shí)時(shí)分發(fā)給醫(yī)生、病人以及家屬。5G 網(wǎng)絡(luò)的高速率、低延遲和大連接特點(diǎn)，能滿足監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中生理參數(shù)的即時(shí)通信，并且在快速移動(dòng)的場(chǎng)景下也能提供穩(wěn)健的數(shù)據(jù)連接。

圖2 數(shù)據(jù)通信模塊工作模式

1.4 監(jiān)護(hù)平臺(tái)部署

監(jiān)護(hù)平臺(tái)是整個(gè)移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)從海量監(jiān)護(hù)儀器毛細(xì)網(wǎng)絡(luò)中采集到大數(shù)據(jù)，統(tǒng)一分析管理、執(zhí)行算法、實(shí)時(shí)監(jiān)管和并發(fā)處理。智能物聯(lián)網(wǎng)改造后的多生理參數(shù)監(jiān)護(hù)儀等設(shè)備內(nèi)嵌了包含5G NR、NB-IoT 和Wi-Fi 等多個(gè)通信模組，可以滿足不同場(chǎng)景下的穩(wěn)定使用，監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到醫(yī)療中心服務(wù)平臺(tái)[5]。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和控制信息借助運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，其中分組傳送網(wǎng)（Packet Transport Network，PTN）經(jīng)路由接入虛擬核心網(wǎng)數(shù)據(jù)中心（Internet Data Center，IDC）機(jī)房[6]。監(jiān)護(hù)儀器、醫(yī)療中心和其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備分布于遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用目標(biāo)區(qū)域，醫(yī)療中心服務(wù)平臺(tái)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3 所示。

圖3 醫(yī)療中心服務(wù)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)對(duì)時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性有很強(qiáng)的要求，通過(guò)對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域的分析，在阿里云華南1 區(qū)創(chuàng)建了兩個(gè)云服務(wù)器（Elastic Compute Service，ECS）實(shí)例，并配置同一區(qū)域分布式數(shù)據(jù)庫(kù)（Distributed Relational Database Service，DRDS）。通過(guò)百度地圖應(yīng)用編程接口（Application Programming Interface，API），為接入平臺(tái)內(nèi)的監(jiān)護(hù)儀和醫(yī)院提供位置服務(wù)。在此次新冠病毒肺炎疫情中，可拓展功能的移動(dòng)方艙醫(yī)療車內(nèi)部即部署了各類醫(yī)療設(shè)施，其中的移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)能夠配合醫(yī)護(hù)人員機(jī)動(dòng)化展開(kāi)診療活動(dòng)。方艙內(nèi)的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)營(yíng)商5G 網(wǎng)絡(luò)及時(shí)傳到監(jiān)控平臺(tái)服務(wù)器，為早期和疑似病例的發(fā)現(xiàn)節(jié)約時(shí)間[7]。同時(shí)，監(jiān)控平臺(tái)通過(guò)地圖API 調(diào)取周邊關(guān)聯(lián)小區(qū)病例進(jìn)行大數(shù)據(jù)研判，為區(qū)域疫情分析診斷提供信息保障。

圖4 監(jiān)護(hù)系統(tǒng)服務(wù)器通信框

2 結(jié)果分析

本方案心電、血氧和脈率的測(cè)試使用生理參數(shù)模擬儀，對(duì)移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)同時(shí)選擇多組位于不同5G 信號(hào)覆蓋區(qū)域的測(cè)試源，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行狀況符合預(yù)期。具體地，主要使用美國(guó)FLUKE 公司的血氧模擬儀NDEX2XLF 和心電模擬儀MPS450 對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)血氧飽和度和心電的精度進(jìn)行測(cè)試。對(duì)照組選用校準(zhǔn)后的醫(yī)療儀器。多次實(shí)驗(yàn)后，去除臟數(shù)據(jù)后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1 所示。

表1 心電檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)回傳測(cè)試

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)得到的回傳心電數(shù)據(jù)平均誤差率為3.17%，精度符合醫(yī)療設(shè)備要求。50 Hz時(shí)由于工頻干擾，誤差稍大，但是在正常范圍內(nèi)。

如表2 所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)得到的回傳血氧飽和度和脈率數(shù)據(jù)精度高達(dá)99.2%，受到的網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)影響小，符合預(yù)期。

表2 血氧飽和度和脈率數(shù)據(jù)回傳測(cè)試

此外，對(duì)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中集成的紅外額溫檢測(cè)單元進(jìn)行測(cè)試，將6 名體溫未知的測(cè)試者分為H 組，增加使用MS400 多參模擬儀預(yù)設(shè)4 組不同溫度作為P組參與測(cè)試，如表3 所示。其中，H1～H3、P1、P2 位于蜂窩網(wǎng)絡(luò)A 小區(qū)，H4～H36、P3、P4 位于蜂窩網(wǎng)絡(luò)B 小區(qū)。在室溫為24.2～26.4 ℃的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，測(cè)試對(duì)象分別每隔半小時(shí)連續(xù)3 次測(cè)量額溫，求取均值。對(duì)照組選用德國(guó)Braun BNT400 型紅外額溫計(jì)。

表3 體溫檢測(cè)數(shù)據(jù)回傳測(cè)試

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，在人體額溫測(cè)試中，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)回傳的測(cè)試結(jié)果與市售額溫計(jì)測(cè)量結(jié)果平均差值為0.03 ℃，模擬測(cè)試組能100%表達(dá)多參模擬儀預(yù)設(shè)的不同溫度。一般地，額頭溫度的測(cè)量因?yàn)榉墙佑|、速度快而適合部署在有快檢需求的場(chǎng)景下，但是醫(yī)學(xué)上普遍認(rèn)為額溫不能真實(shí)反映人體是否處于發(fā)熱狀態(tài)，因此系統(tǒng)預(yù)設(shè)37.3 ℃作為觸發(fā)重新檢測(cè)體溫的閾值[8]。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了系統(tǒng)的異常報(bào)警功能，在監(jiān)測(cè)額溫?cái)?shù)據(jù)異常時(shí)均能及時(shí)激活重測(cè)提示，并即時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)到系統(tǒng)后臺(tái)。重測(cè)仍然不通過(guò)后，將聯(lián)系醫(yī)院并發(fā)送信息給指定的監(jiān)護(hù)人員。對(duì)于無(wú)人值守的全自動(dòng)檢測(cè)情景，異常報(bào)警功能涉及到緊急救助模型，機(jī)器學(xué)習(xí)算法依賴于數(shù)據(jù)量和訓(xùn)練時(shí)間，會(huì)隨著數(shù)據(jù)的增加而更加準(zhǔn)確。

3 結(jié)語(yǔ)

5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和電子技術(shù)的發(fā)展，使遠(yuǎn)程醫(yī)療的應(yīng)用更加具有可操作性。移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)在個(gè)人健康管理、基層醫(yī)療防疫、應(yīng)對(duì)抗震救災(zāi)等公共衛(wèi)生應(yīng)急保障中作用巨大，功能包括生理參數(shù)監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的電子存儲(chǔ)、生命體征異常及時(shí)報(bào)警、在線醫(yī)療診斷和遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)平臺(tái)等，方便醫(yī)生追蹤患者的長(zhǎng)期健康數(shù)據(jù)，全方位了解患者的身體狀態(tài)。云端監(jiān)護(hù)平臺(tái)以PaaS/SaaS 方式向用戶和單位提供服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診療和數(shù)據(jù)互聯(lián)共享，平衡和緩解了優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的合理調(diào)配使用。通過(guò)接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過(guò)授權(quán)后的手持智能終端能在應(yīng)用軟件上綁定個(gè)人信息，接入系統(tǒng)查看相關(guān)報(bào)告等數(shù)據(jù)，節(jié)省時(shí)間。

使用5G NR 網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，在當(dāng)前國(guó)內(nèi)公共衛(wèi)生應(yīng)急保障能力不充足、老齡化問(wèn)題嚴(yán)重、醫(yī)療資源緊張和慢性病群體不斷增加的形勢(shì)下，能幫助居民建立個(gè)人健康檔案，培養(yǎng)社會(huì)大眾治未病、防大病的意識(shí)，減少傳染病疫情防控中醫(yī)患之間的接觸和交叉感染風(fēng)險(xiǎn)，方便醫(yī)生根據(jù)患者的長(zhǎng)期生理參數(shù)信息作出更加科學(xué)準(zhǔn)確的診斷，提供更加個(gè)性化的醫(yī)療服務(wù)。5G 網(wǎng)絡(luò)的特性，為移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)及其所依附的移動(dòng)醫(yī)療體系提供了巨大的發(fā)展空間，依靠醫(yī)工結(jié)合產(chǎn)生的合力以及全體醫(yī)護(hù)人員的努力，新冠肺炎疫情將很快過(guò)去，并為國(guó)內(nèi)構(gòu)建更加有效、迅速、安全的公共衛(wèi)生防疫系統(tǒng)提供經(jīng)驗(yàn)。