［李建林 麥磊鑫 李云飛 黃顯強 陳漢彬 李睿］

1 引言

遠程治療對圖像傳輸有著特殊的要求，過低的視頻質量及圖片質量可能導致醫(yī)生難以辨清病情，這些問題的關鍵在于4G 時代互聯(lián)網(wǎng)不能滿足遠程醫(yī)療的數(shù)據(jù)傳輸要求。5G 技術高速率低時延的特點，可以突破4G 網(wǎng)絡難以開展高精度遠程操控的障礙，為遠程治療的應用奠定技術基礎。除了服務于基層醫(yī)療機構，為“看病難”等社會問題提供更加智能的解決方案，5G 遠程治療還可以在急救和救災等特殊場景下發(fā)揮重要作用。在不同醫(yī)療場景中能夠把握更多的“生命時間”。作為新一代信息通信技術，5G 技術推動著醫(yī)療健康迎來新技術時代，這也是本文研究的主要目的。

2 遠程治療的需求現(xiàn)狀

2.1 背景概述

當下，我國優(yōu)質醫(yī)療資源集中在大城市、大醫(yī)院，而基層醫(yī)院資源短缺，醫(yī)療技術不夠規(guī)范和完善，診斷治療水平有待提高，優(yōu)質醫(yī)療資源總量不足、結構不合理、分布不均衡，人民群眾對基層醫(yī)院的信賴度和正確就醫(yī)觀念有待提升，亟需通過有效措施進一步改變醫(yī)療資源配置失衡的現(xiàn)狀。為使人民群眾獲得更高效的醫(yī)療服務，需利用信息化手段構建統(tǒng)一遠程醫(yī)療服務體系，針對不同層級醫(yī)療服務機構的診療特點，通過統(tǒng)籌區(qū)域醫(yī)療資源共享和信息整合平臺建設，構建統(tǒng)一遠程醫(yī)療服務體系，打破長期以來單一醫(yī)療組織客觀存在的信息孤島現(xiàn)象，打破信息壁壘，建設高效的互聯(lián)互通的信息系統(tǒng)平臺，更有利于為人民群眾尤其是基層群眾提供全方位全周期的高效醫(yī)療服務。[1]

2.2 醫(yī)療領域5G 技術應用場景

5G 技術在醫(yī)療領域的應用場景主要有三類：

（1）基于醫(yī)療設備數(shù)據(jù)無限采集的醫(yī)療監(jiān)測與護理類應用，如無限監(jiān)護、無線輸液、移動護理和患者實時位置采集與監(jiān)測、遠程無線設備監(jiān)測與維護等。

（2）基于視頻與圖像交互的醫(yī)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(yī)療服務機器人的遠程查房、遠程實時會議、應急救援指導、無線手術示教、無線?？圃\斷等。遠程術中指導最迫切的需求就是信號實時的互聯(lián)互通，延遲就可能會給予錯誤的指導而給患者帶來不可逆轉的傷害。同時需要傳輸三維重建的影像數(shù)據(jù)以輔助術中指導。信號視頻和影像時延需至少低于100 ms，目前4G 網(wǎng)絡的時延、帶寬是無法滿足的。5G網(wǎng)絡下的時延可達20 ms，在遠程術中指導等場景下將充分發(fā)揮優(yōu)勢，有效提高遠程會診的效率。[2]

（3）基于圖像、視頻與力反饋的遠程監(jiān)控類應用，如遠程超聲檢查、遠程放療、遠程機器人手術、遠程康復治療等。

3 5G 云網(wǎng)安融合遠程治療應用研究

3.1 遠程治療發(fā)展現(xiàn)狀

影響遠程治療特別是其操控效果的重要因素之一是數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч?，包括質量和時延兩方面，因此遠程治療對傳輸技術的要求非常之高。(1）超低延遲，因為遠端要求力反饋及視頻信息等“實時”傳輸?shù)结t(yī)生端，以保證整個手術操作的安全；(2）超高速率，因為治療過程需要傳輸現(xiàn)場超高清視頻和VR 觸覺感應信息，數(shù)據(jù)量極大。

當前，我國 5G 醫(yī)療健康的發(fā)展尚處于起步階段，在頂層架構、系統(tǒng)設計和落地模式上還需要不斷完善，但是 5G 醫(yī)療健康前期探索已取得良好的應用示范作用，實現(xiàn)了 5G 在醫(yī)療健康領域包括遠程會診、遠程超聲、應急救援、遠程示教、遠程監(jiān)護等眾多場景的廣泛應用。5G+遠程治療屬于遠程操控類應用，結合視頻流、人工智能、VR、觸覺反饋等技術，傳輸醫(yī)療影像、音視頻、力反饋等信息，實現(xiàn)遠程檢查、遠程治療、遠程手術等應用，使得遠在天邊的“白衣天使”可以突破空間距離檢視治療“近在咫尺”的患者。隨著5G、VR 和先進醫(yī)療技術的發(fā)展，通過遠程治療，醫(yī)生可以“指揮”遠程機器人進行一些手術操作，相關應用包含遠程示教、指導、操控等。[3]

3.2 5G 云網(wǎng)安融合總體功能架構

如圖1為總體功能架構，主要包含6個層次，即網(wǎng)絡層、云資源層、平臺功能層、核心能力層、應用場景層和服務層。

圖1 5G 云網(wǎng)安融合平臺總體架構

平臺總體架構以分層架構為主。服務用戶主要涵蓋各市衛(wèi)健委、醫(yī)聯(lián)體、三級醫(yī)院、二級醫(yī)院和基層醫(yī)療機構。應用場景主要包括在5G+遠程手術治療、5G+遠程緊急治療、5G+遠程放射治療和5G+遠程康復治療。核心能力主要體現(xiàn)在智能機器人、DICOM 影像、電子病歷、4K 視頻/音頻、醫(yī)療AI 算法等。平臺功能層主要體現(xiàn)在公共能力跟微服務兩個方面：公共能力體現(xiàn)在采集網(wǎng)關、數(shù)據(jù)交換、認證鑒權、影像瀏覽器、短信網(wǎng)關、電子簽名等；微服務主要體現(xiàn)在服務注冊中心、服務網(wǎng)關、負載均衡、配置中心、安全管理、容器管理等。云資源主要包括MEC 邊緣計算、對象存儲、安全服務、云主機和前置機。涉及的網(wǎng)絡主要有5G、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)生專網(wǎng)、4G/WIFI、互聯(lián)網(wǎng)、SSL-VPN、MPLS-VPN 等。

3.3 技術方案部署與應用研究

3.3.1 面向遠程治療的5G 云網(wǎng)安融合技術方案

基于5G 云網(wǎng)安融合技術，通過UPF 和MEC 的邊緣化部署，提供高可靠、低時延網(wǎng)絡服務，實現(xiàn)不同醫(yī)療單位間的醫(yī)療信息、醫(yī)療資源互通，數(shù)據(jù)安全共享，滿足遠程治療需求，縮短治療流程，提高救治效率。網(wǎng)絡架構如圖2 所示。

圖2 面向遠程治療的5G 云網(wǎng)安融合網(wǎng)絡架構

（1）云解決方案

基于天翼云，構建遠程治療云平臺。基于天翼云先進技術，充分利用彈性云主機、云存儲網(wǎng)關、對象存儲、關系數(shù)據(jù)庫、服務器安全衛(wèi)士、云備份等天翼云子產(chǎn)品，構建安全、高效、實用的5G 云網(wǎng)安融合遠程治療平臺。該平臺不僅可以收集和存儲大量醫(yī)療數(shù)據(jù)，而且能夠極大提升信息整合能力。通過底層信息技術的整合，能夠實現(xiàn)醫(yī)療大健康信息、資源、數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通；通過提供服務，可以為醫(yī)院降本增效，同時實現(xiàn)更加精準化的治療。

同時部署地市級MEC，將時延敏感、安全敏感的業(yè)務及數(shù)據(jù)進行本地化處理，通過5G 實現(xiàn)MEC 與中心云的協(xié)同配合，滿足遠程治療不同業(yè)務要求。

（2）網(wǎng)解決方案

采用超級上行技術提高5G 網(wǎng)絡上行容量，緩解遠程治療超高清視頻及MR 影像上行傳輸瓶頸問題；提供城市區(qū)域深度覆蓋服務，解決遠程康復治療網(wǎng)絡接入問題。[4]

5G 網(wǎng)絡實行控制面、轉發(fā)面分離，滿足遠程控制治療的低時延、高可靠需求。如圖3 所示，將用戶面UPF下沉到地市，及時轉發(fā)治療數(shù)據(jù)，可有效減少手術機器人獲取控制數(shù)據(jù)時延，實現(xiàn)高精度遠程操控類業(yè)務，為遠程手術操控業(yè)務的開展提供支撐。

圖3 UPF 部署位置對傳輸時延的影響

面向時延敏感的遠程手術治療、遠程放射治療、遠程緊急治療等場景，采用中國電信比鄰模式定制網(wǎng)服務[5]：

低時延：通過用戶面醫(yī)療專用UPF 本市部署，減少端到端時延。

超高帶寬：結合超級上行，載波聚合等無線技術，大幅提高網(wǎng)絡帶寬。

業(yè)務隔離：在同一切片內，通過定制 DNN 來區(qū)分數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和路由隔離，通過定制QoS 提供差異化的SLA，保障不同業(yè)務安全。而對于多個切片，通過切片標識來區(qū)分數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和路由隔離，根據(jù)不同醫(yī)療業(yè)務的隔離級別需求提供差異化的隔離方式，如資源隔離或資源預留，保障醫(yī)療業(yè)務安全。

業(yè)務加速：根據(jù)醫(yī)療業(yè)務流特征，靈活簽約QoS。

優(yōu)良覆蓋：為上下級醫(yī)院提供精準勘察服務,按需優(yōu)化院內空口資源，提供優(yōu)質無線網(wǎng)絡覆蓋。

算力下沉：通過邊緣MEC 下沉算力，大帶寬消耗、時延敏感的計算工作在邊緣完成，提升效率。

面向廣域優(yōu)先的遠程康復治療場景，采用中國電信致遠模式定制網(wǎng)服務[6]:

廣域覆蓋：基于中國電信公網(wǎng)提供打底覆蓋，局部提供增強覆蓋，支持 4G 和 5G 互操作。

公專協(xié)同：不僅可以接入 5G 公眾網(wǎng)絡，同時也可以利用 VPDN 等技術遠程接入企業(yè)內網(wǎng)。

業(yè)務加速：通過QoS 規(guī)則定制提供優(yōu)先調度、通過GBR 參數(shù)定制提供保證比特速率的帶寬保障。

業(yè)務隔離：通過切片、DNN 定制來區(qū)分數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和路由隔離，通過高質量的專線隔離保障用戶業(yè)務體驗

（3）安全解決方案

基于接入-網(wǎng)絡-核心-應用的5G 網(wǎng)絡端到端安全架構以及全網(wǎng)協(xié)同的安全防護服務，為遠程治療提供安全可靠的5G 網(wǎng)絡及云服務：

網(wǎng)絡接入安全：認證、空口安全保障；

網(wǎng)絡域安全：網(wǎng)絡節(jié)點之間安全交互；

用戶域安全：用戶安全接入移動設備；

應用域安全：終端、應用之間安全交互；

服務域安全：核心網(wǎng)網(wǎng)絡功能的注冊、發(fā)現(xiàn)和授權的安全，服務化接口的安全；

業(yè)務安全：根據(jù)不同醫(yī)療業(yè)務的隔離級別需求提供差異化的5G 切片服務，實現(xiàn)業(yè)務隔離定制化，保障醫(yī)療業(yè)務安全。

數(shù)據(jù)架構安全：從分層、縱深防御思想出發(fā)，面向物理、主機/虛擬化、網(wǎng)絡、業(yè)務和數(shù)據(jù)、管理維護等幾個不同網(wǎng)絡層次架構，從整體上滿足安全合規(guī)性，指導數(shù)據(jù)中心安全解決方案的部署。[7]

云安全：基于中國電信“云堤”技術，采用DDoS 安全防護和天翼安全大腦等方案，實現(xiàn)云邊端安全協(xié)同及邊界防護。

3.3.2 面向遠程治療不同業(yè)務需求的網(wǎng)絡切片方案

5G 使能垂直行業(yè)，需要面對各種各樣的網(wǎng)絡SLA 需求（如帶寬、時延&安全等），無法用一張網(wǎng)絡高效經(jīng)濟地滿足全部需求；網(wǎng)絡切片使得運營商能夠在一個物理網(wǎng)絡之上構建多個端到端、虛擬的、隔離的、按需定制的專用邏輯網(wǎng)絡，實現(xiàn)一網(wǎng)多用。[8]

面向不同遠程治療應用場景需求，選擇不同的端到端網(wǎng)絡切片技術，實現(xiàn)不同用戶類型、不同業(yè)務類型的隔離，提供差異化的定制高質量按需服務的網(wǎng)絡切片技術支持。如無線網(wǎng)的5QI/GBR、RB 資源/頻譜預留、獨立基站，承載網(wǎng)的獨立VPN、獨立FlexE、確定性小切片，核心網(wǎng)的獨立邊緣UPF、獨立N3 口（切片映射）、獨立N6 口或獨立隧道（DNN 映射）等切片技術。[9]

切片方案如表1 及圖4 所示。

表1 遠程治療業(yè)務的網(wǎng)絡SLA 需求及切片方案

圖4 面向遠程治療的網(wǎng)絡切片方案

3.3.3 面向遠程治療5G 網(wǎng)絡接入技術方案

面向遠程治療的多場景業(yè)務需求，提供院內外大帶寬、廣覆蓋、高可靠接入服務。整體方案實現(xiàn)醫(yī)療業(yè)務數(shù)據(jù)與個人業(yè)務數(shù)據(jù)分離，保證醫(yī)療業(yè)務數(shù)據(jù)在5G 云網(wǎng)安融合遠程治療平臺內流轉，提供高可靠、低時延網(wǎng)絡服務。如圖5 所示。

圖5 面向遠程治療的5G 網(wǎng)絡方案

無線側通過對中心醫(yī)院及基層醫(yī)院進行5G 室分系統(tǒng)覆蓋，滿足院內進行的遠程手術治療、遠程放射治療、遠程康復治療入網(wǎng)需求；室外部署的眾多5G 宏站滿足患者居家康復設備入網(wǎng)需求。

承載側通過承載網(wǎng)STN 與公網(wǎng)5GC 相連，地市遠程治療UPF 上聯(lián)STN-A 設備，個人業(yè)務及醫(yī)療業(yè)務通過切片標識ID 進行數(shù)據(jù)分流，地市UPF 將時延敏感治療業(yè)務轉發(fā)至邊緣MEC，進行實時的數(shù)據(jù)處理、視頻渲染等操作，確保中心醫(yī)院和基層醫(yī)院的業(yè)務實時交互。

核心側共用公網(wǎng)5GC控制面網(wǎng)元，供醫(yī)療子切片使用，對醫(yī)療業(yè)務進行會話管理；試點轉發(fā)面獨享，分地市部署醫(yī)療專用UPF+MEC，時延敏感治療業(yè)務由本地UPF 轉發(fā)至對端UPF，非時延敏感治療業(yè)務由大網(wǎng)UPF 轉發(fā)至5G云網(wǎng)安融合遠程治療平臺，個人業(yè)務由大網(wǎng)UPF 轉發(fā)至Internet。

3.3.4 基于應用的實踐總結

對于時延敏感的業(yè)務數(shù)據(jù)如遠程手術、遠程放療、遠程緊急治療、MR 輔助治療等，經(jīng)室分系統(tǒng)或5G 宏站接入5G 網(wǎng)絡，由本地遠程治療UPF 進行數(shù)據(jù)轉發(fā)，邊緣MEC 進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)兩點業(yè)務數(shù)據(jù)實時交互和快速處理，滿足低延時、大帶寬、高可靠業(yè)務需求。5G 與邊緣計算、中心云協(xié)同配合，滿足遠程治療不同業(yè)務要求。[10]

（1）遠程手術治療：中心醫(yī)院專家依靠低時延、高可靠5G 網(wǎng)絡通過手術機器人對基礎醫(yī)院患者實施遠程手術治療。醫(yī)療設備經(jīng)5G 室分入網(wǎng)，由最近的市級遠程治療UPF 做數(shù)據(jù)轉發(fā)，確保互操過程實時可靠。

（2）遠程放射治療：中心醫(yī)院專家依靠低時延、高可靠5G 網(wǎng)絡通過放療同質化協(xié)同平臺對基礎醫(yī)院患者實施個性化精準遠程放射治療。醫(yī)療設備經(jīng)5G 室分入網(wǎng)，由最近的市級遠程治療UPF 做數(shù)據(jù)轉發(fā)，確保互操過程實時可靠。

（3）遠程緊急治療：當基層醫(yī)院遭遇患者病情突然惡化或突遇急癥等情況，基層醫(yī)生無法處理，而患者病情來不及轉院治療時，基層醫(yī)院能通過5G 云網(wǎng)安融合遠程治療平臺尋找專家咨詢指導，中心醫(yī)院專家依靠低時延、高可靠5G 網(wǎng)絡通過治療機器人對基礎醫(yī)院患者實施遠程緊急治療。

（4）遠程康復治療：當患者術后愈合良好，符合出院康復治療條件時，可攜帶遠程康復設備，設備經(jīng)5G 宏基站、物聯(lián)網(wǎng)、寬帶等接入5G 云網(wǎng)安融合遠程治療平臺，平臺跟蹤分析患者康復狀況，給出康復治療建議并具備提前預警功能，方便專家指導或實施遠程康復治療。

5G 智慧醫(yī)療在用戶層包括現(xiàn)有系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)以及接入衛(wèi)健委或醫(yī)療機構統(tǒng)一采集系統(tǒng)，同時按需對接不同的終端設備，在平臺功能層進行患者主索引的存取服務、影像瀏覽器、電子簽名、短信網(wǎng)關的存取服務，在云資源主要進行基礎服務能力的提供以及監(jiān)控，運營分析以及數(shù)據(jù)統(tǒng)計服務。

4 結束語

隨著5G 技術的發(fā)展，醫(yī)療與5G 技術的融合也變得越來越重要，5G 將會讓醫(yī)療更加高效化、精細化和自主化。基于5G 云網(wǎng)安融合技術的遠程治療平臺建設，有助于給患者提供術前、術中、術后全方位全周期健康服務；有助于醫(yī)院實現(xiàn)精細化的管理，深化醫(yī)藥衛(wèi)生體制改革；有助于加強基層醫(yī)療衛(wèi)生服務體系，改善目前國內偏遠落后地區(qū)的醫(yī)療水平，逐步實現(xiàn)優(yōu)質醫(yī)療資源有序下沉及更公平、合理分布，實現(xiàn)醫(yī)療資源公平性。