基于5G移動通信技術在醫療設備管理中的研究

吳風浪

西安交通大學醫學院第一附屬醫院 網絡信息部，陜西 西安 710061

引言

隨著我國經濟社會的不斷發展，一些醫療設備管理問題浮出水面，其中以醫療數據繁雜、醫療機構之間的數據通信較落后、醫療資源分配不均等問題最具代表性。近年來，我國5G 通信技術越來越成熟，“5G+醫療”成為改革的重點工程[1]，因而研究出一個適合我國的醫療設備管理系統迫在眉睫。

目前，國內許多學者和醫療機構展開了深入的研究，也提出了很多新穎的想法和方案以應對當前問題。其中，黃心旋等[2]提出使用分解存儲、服務式重構、數據交互等技術，從信息參數的存儲和信息的交互技術方面進行創新，該方案雖然在很大程度上縮短了數據的回寫和抽取時間，但是由于壓力全部集中在計算上，會讓主機計算量過大，不利于提高系統的運行效率。劉雙喜等[3]提出了通過改進醫療設備相關數據的計算系統裝置，實現遠程醫療應用，該方案雖然能明顯改進業務服務體系，但由于舊的技術架構弊端依然存在，所面臨的問題也依然存在，且與時代的發展方向有偏差，通信效率滯后，因此會對醫療管理系統產生不利影響。

針對上述問題，本研究提出了利用5G 移動通信技術低時延、高可靠性的特點增強各醫療機構之間的專業互助及知識互通，實現高效處理數據和遠程醫療的目的；進一步融入離群檢測算法對數據參數進行高精度的計算和篩選，有效降低數據處理的計算代價和繁瑣過程[4]；采用安全傳輸層協議（Transport Layer Security，TLS）對傳輸數據進行加密，提高數據傳輸的安全性，提高系統的處理分析能力和工作效率。

1 總體方案設計

本研究設計了一個基于5G 移動通信的醫療設備管理系統（圖1），在系統內加入5G 通信技術，利用其低時延、高可靠性的特點對醫療設備相關數據的傳輸進行加速和處理，TLS 協議對傳輸數據進行加密，采用離群檢測算法達到處理與整合系統數據的目的。數據的快速響應可以提高醫療效率[5]，避免給醫療設備的應用造成嚴重損壞，最終呈現一個具有遠程醫療模塊、遠程問診模塊、遠程會晤交流模塊等簡潔高效功能模塊的系統。本方案旨在根據5G 通信技術快速傳輸的特點，實現各個地區之間的無障礙通信和遠程醫療功能。

圖1 醫療設備管理系統結構圖

系統分為終端服務層、數據傳輸層、系統管理層3部分。在5G 移動通信技術全覆蓋的各醫療機構之間，系統可將各個機構相互連接，并按照各機構之間不同的域名識別各個機構，使各個機構之間利用5G 高速率的數據傳輸能力進行遠程交流并提供遠程醫療幫助。系統的底層可加入多種通信方式，實現對各機構之間的多方通信支持。數據傳輸層的主要功能是處理和傳輸數據。經過離群檢測算法處理之后，去除參數的非離群數據和保障數據都是離群數據[6]?，F場數據和運行數據參數在傳輸過程中受TLS 協議保護，使患者也可進入本系統以達到遠程問診、遠程急救等目的。本系統的創新點在于加入了5G 通信模塊，在5G 的加持下，數據處理和反饋效率大大提高，有效緩解了由于數據繁多導致的醫療設備及數據更新壓力。遠程醫療功能可根據各個機構之間的實時網絡狀態遠程傳遞醫學知識，交流解決醫學問題。數據管理器主要以保護數據檔案為目的[7]，同時具有查詢、修改、記錄等操作功能。數據管理器對機構的檔案管理主要體現在對相關數據的查詢、更新等操作，也包含一些操作指令的響應。網絡波動檢測則是在系統運行過程中進行的，可實時檢測系統傳輸速率，如果傳輸速率不能支持系統運行，則系統自動啟動網絡加速模塊，直到網速恢復到可供系統運轉為止[8]。遠程視頻所使用的WebRTC 技術框架如圖2 所示。

圖2 WebRTC技術框架功能示意圖

WebRTC 技術的音頻提供了比較完善的功能方案，其中不僅有相對穩定的編碼解碼功能和音頻處理功能，還融入了混音模塊和采樣頻率設置模塊等，構成了音頻處理系統。音頻處理系統的主要功能是對采集到的語音數據進行處理，達到降噪、降回聲、降雜聲等效果，以解決遠程交流過程中聲音不清晰、不理想等問題[9]。

1.1 基于離群檢測算法的數據處理系統

醫院的數據庫有著大量繁雜的數據，所以數據處理及時性問題亟待解決[10]。本系統選擇使用離群檢測算法實現對數據的處理，即采用動態網格劃分對數據進行過濾，構建其離群數據范圍以鎖定檢測范圍，避免浪費計算時間，提高計算效率。

本研究依據所有數據的數據源密度特點對其進行網格劃分和合并選擇，并按照分散范圍分類，再在最多的數據中進行分析，保存大概率成為離群點的數據，構建候選離群點集合。本研究將略小的權重給予過往數據，降低過往數據對算法的影響，最新的數據設為計算對象。

以Cell(C,S1,S2,nc,Oc,tla)表示劃分的網格，其中C為n維數據空間的四維方體；nc為落在四維方體中的數據點的和；Oc為候選離群點的組；tla為計量單位。網格統計信息S1=[S11, …,S1n]，其中元素S1n的計算方式如公式（1）所示。

式中，ri為數據點。計算后可得到S1組的數據劃分規則，進而劃分出一個可靠的離群組，同時也可看出S1組的數據分布情況。S1t的計算方式如公式（2）所示。

式中，tc為當前時間St1的S1在t時刻的值。公式（ 2）表示此離群組隨著時間的變化，組內離群值密度的變化情況。如果變化情況符合離群要求，則保留，若不符合，則將其劃分出去，再對下一組進行篩選。更新數據在網格C的對應信息的計算方式如公式（3）所示。

nc依據數據的稠密值劃分相關的數據，如果在處理醫療數據時，符合此組的要求就可以被該組接收處理并保存。數據信息的平均值和標準差的計算方式如公式（4）～（5）所示。

式中，μi為計算數據的平均值，σi為數據組的標準差。依據μi可推算出醫療數據的穩定程度和基本概況，過大表示密度值大的數據較多，過小則表示數據計算量較小。σi為用來衡量算法適用程度的值，依據σi的變化可推算管理系統與算法的融合度。

當劃分的組的密度達到既定范圍后，保存每個維度上的組所對應的方差和均值，進而篩選方差最大時所對應的維度，在平均值處作劃分處理，再在兩個新的組內分入數據[11]。

通過對所分類數據的處理整合，確保選出的數據屬于離群數據，從而達到數據濾化的效果，實現降低算法的繁雜程度、節約時間、提高數據離群效率的目的。本算法模型包含統計、偏差、距離、密度等篩選和功能模塊，可將本研究中醫療數據信息更準確地呈現到管理系統中，減小誤差，提高效率，節約時間。

如果受網絡波動影響，系統會自動啟動加速器，本研究采用的DCNN 加速器是一種混合多行數據流策略的加速裝置，加速模型如圖3 所示。在網絡受到波動影響后，DCNN 加速器可將有限的網絡資源集中在重要的運行模塊中，保證系統受影響較小，提高系統運行的穩定性和平衡性。

1.2 基于5G通信技術的醫療設備管理方案設計

本研究基于5G 通信技術，利用其低時延、高可靠性的特點，對與醫療設備相關數據的傳輸進行加速和處理，并采用TLS 協議對傳輸數據進行加密，將離群檢測算法運用到本系統的數據處理中[12]。本系統同時加入網絡波動檢測模塊，降低在遠程訪問中網絡波動帶來的影響，使會話保持在穩定的狀態，使系統達到遠程醫用和遠程急救的要求。系統邏輯功能如圖4 所示。

圖4 系統邏輯功能圖

5G 網絡模塊可快速處理冗雜的數據信息，特別是對數據邊緣的處理，需要快速響應系統信息，達成數據利用共識，提高數據處理能力，緩解系統主機壓力。加入網絡波動檢測模塊是為了確保系統能在平穩的網絡環境中運行，減小網絡原因對系統正常工作所產生的影響[13]。

在該系統的設計中，從各醫療機構數據的智能處理到邊緣計算，離群檢測算法可以將系統內數據進行分類和篩選，對原始數據的特征集合進行掃描并得到多個子區間，使新的數據構成新的集合[14]，提升檢測算法的穩定性和可靠性。

2 測試結果

本試驗通信網絡傳輸速度為70 M/s?，F場試驗環境情況如下：半雙工總線采用RS485 型；試驗系統選擇Windows10 專業版；CPU 采用Intel i7 9600KF；微機配置為64 G+256 G 內存；MSP430 芯片仿真使用Proteus 8.6；誤差仿真采用MATLAB 2019 版本；SPECTRE軟件采用INSPECTRE V1.1；VERILOG-XL 軟件采用VERILOG-XL-21i。

本試驗內容是記錄某醫療機構某年1—10 月的遠程視頻次數及網絡波動次數和觸發網絡加速模塊的次數（表1），以達到完善系統不足、整理和分析冗雜數據、解決延遲問題的目的[15]。在試驗中，網絡檢測和加速模塊在網速低于50 M/s 時即可觸發網絡加速功能，保證系統平穩運行，期間網絡波動及加速次數情況如表2 所示。

表1 遠程視頻次數及網絡波動次數和觸發網絡加速模塊的次數表（次）

表2 網絡波動及加速次數表（次）

本系統的5G 模塊為主要技術模塊，在系統中起到統籌全局的效果。研究將每個模塊的傳輸與計算情況完整記錄，以驗證系統的精確性，測試網絡誤差波動如圖5 所示。本系統可同時記錄多個類型的參數[16]，體現其較高的工作效率及較低的誤差率和波動率。本研究采用平均異常分數衡量樣本數據偏離平均值的程度，采用方差衡量數據離散程度，使用極差衡量數據的最大值和最小值差異。樣本數據如表3 所示。

表3 樣本數據表

圖5 網絡測試誤差波動示意圖

系統的好壞在于其是否足夠穩定。正常樣本的平均異常分數越大，代表系統對異常數據的區分能力越強[17]，因此應讓正常樣本異常分數的方差和極差變得更小，系統實驗對比圖如圖6 所示。黃心旋等[2]研究系統中的目標特征誤差主要集中在1%～5%，其中4%以上的誤差較少，實驗時間在5～10 h 出現4%以下的目標特征誤差較多。劉雙喜等[3]研究系統在實驗前10 h 目標檢測的特征誤差在4%以下，在15 h 后的特征誤差最大達到4.8%。而本系統將目標特征誤差保持在2%以下，在系統運行過程中較為穩定。

圖6 系統試驗對比圖

對誤差數據信息進行計算與對比，黃心旋等[2]研究的系統誤差較大；劉雙喜等[3]研究的系統誤差與運行時間成正比，不符合允許的范圍；本文研究系統有較大的優越性，見表4。

表4 誤差率測試對比表

3 討論與結論

本文基于5G 移動通信技術設計了一個醫療設備管理系統，融合了TLS 加密協議[18]，采用了WebRTC 技術以保持視頻的清晰度和遠程急救的效率，并利用5G移動通信技術低時延、高可靠性的特點對醫療設備相關數據的傳輸進行加速和處理，達到遠程醫療應用與交流的目的。以往研究均是采用信息參數存儲和信息交互技術，或使用電信和信息技術服務，允許用戶之間進行通信和傳輸醫療圖像及健康信息數據，但由于許多圖像處理應用程序（如衛星成像、醫學成像和視頻）的圖像尺寸太大，無法采用醫學圖像/數據壓縮的形式，致使通信能力滯后[19-20]。本系統加入了網絡波動檢測裝置，在網速小于50 M/s 時自動啟動DCNN 網絡加速器以維持系統的高速運轉，并利用離群檢測算法實現對各機構產生的繁雜數據進行整合與處理，大大減輕了系統主機的壓力，具有較高的工作效率及較低的誤差率和波動率，但本研究系統存在相關環節功能不穩定、需要人工監控的弊端，這也是后續需要加強和改進的方向。

目前使用5G 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，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，并提供更加個性化的醫療服務。5G網絡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，未來需要依靠醫工結合產生的合力以及全體醫護人員的努力，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。