基于5G技术的远程医疗影像系统电磁兼容环境下测试分析与图像评估*

陈婉如 吴佳欢 赵娜 / .上海市计量测试技术研究院；.上海海关机电中心

0 引言

随着5G技术高速发展与逐渐普及，其低时延高可靠通信的技术特性，被广泛应用于智慧医疗领域，为远程医疗、远程诊断、远程手术提供高速、实时、可靠的通信支撑。2019年3月，中国人民解放军总医院完成全国首例基于5G网络的远程“帕金森病脑起搏器”植入手术，医生在海南为北京的患者实施手术。2019年4月，国际首家5G远程超声门诊在解放军总医院海南医院正式成立并开诊，海南的医生为330千米外的西沙岛礁驻岛战士进行远程体检。

5G通信是在4G通信基础上发展起来的，通信速度快，但由于引进了新的频谱，使得电磁稳态降低，场景应用更为复杂，设备间电磁干扰更频繁，易产生互相影响，造成系统性能下降，无法达到预期[1]。一旦设备因为电磁兼容问题导致互相影响，造成远程手术时影像延迟、中断、抖动、不清晰等现象，将直接影响医生的下一步操作，甚至造成严重的医疗事故，危害患者的生命安全。

因此，评估远程医疗影像系统在电磁干扰环境下的传输性能尤为重要，并且应模拟实际工作场景，结合5G远程医疗影像系统在电磁兼容环境中的辐射值、抗干扰能力综合分析，以降低电磁兼容问题所造成的5G远程医疗影像系统传输性能下降或功能丧失的风险。

1 5G远程医疗影像系统性能评估方法发展现状

1.1 医疗系统电磁兼容检测标准

国家食品药品监督管理局2005年批准发布的YY 0505-2005《医用电气设备第1-2部分：安全通用要求并列标准电磁兼容要求和试验》由IEC 60601-1-2：2001翻译而来。GB/T 18268.1-2010《测量、控制和实验室用的电设备电磁兼容性要求》也是作为医疗器械相关的电磁兼容通用技术要求。

因为国内的标准大多引用国际标准，而国家标准的制定又要经历从立项到发布，长达1～2 a的周期，因此，标准往往滞后，且无法及时满足现实中产品性能评估的要求，其中包括近期得到快速发展的5G远程医疗影像系统。

1.2 检测标准的不足

高可靠性和低延时性是5G通信的主要特性，也是其应用于远程医疗的重要原因，因此，5G远程医疗影像系统中的设备电磁兼容抗干扰能力需更加强大。检测实验室更需在测试阶段检查出该系统的电磁兼容问题，以保障其工作时的安全性。

由于实时影像传输对远程医疗尤为重要，因此，在为5G远程医疗影像系统做电磁兼容测试时，应该结合影像传输指标，综合评判效果。现有检测标准中，电磁兼容环境下5G远程医疗影像系统的传输性能指标，尤其是影像质量方面的指标缺少对应的评估标准。

通常标准中的性能判据只简单定义了设备遭受电磁兼容干扰后是否可以自行恢复，却没有定义性能判据的依据。电磁兼容工程师主要完成电磁兼容检测方法、电磁兼容环境的搭建，但是如何准确地评估影像质量，并没有专门的评定工具。为了保障电磁兼容测试准确性，应与实测场景相结合，且定义影像指标以及评估方法。

1.3 电磁兼容费效比关系

医疗器械研发成本较一般产品高，并且从研发到上市周期较长。为了降低开发成本，应该在产品设计阶段就考虑电磁兼容问题。图1展示了电磁兼容费效比关系，由此可见，在产品开发初期未重视电磁兼容设计，而后期为了符合电磁兼容标准要求所设计的解决方案非但在技术实现上难度较大，而且耗费大量的时间和金钱。尤其搭建大型的医疗系统，花费的研发成本和时间更多。

图1 电磁兼容费效比关系

2 试验平台的建立

2.1 5G远程医疗影像系统试验平台搭建

为了模拟远程手术，本文以内窥镜为受控设备，如图2所示搭建5G远程医疗影像系统，并对该系统进行电磁兼容测试。

图2 电磁兼容暗室中基于5G的远程医疗影像系统

图2中，远程医疗影像系统采用一款高清口腔内窥镜采集临床的视频数据；基于模拟5G基站进行数据传输；另外，该系统中采用局域网私有云服务器进行医疗影像传输，其目的为排除公有云网络连接不稳定导致的结果偏差，私有云服务器通过Ubuntu虚拟机架设在局域网台式机上。

基于5G的远程医疗影像系统中，远程用户通过客户端播放流媒体，从而实现了医疗影像的远程访问。

2.2 传输性能评估软件设计及选取

设计了一款智能远程影像质量评估软件，自动采集远程医疗影像系统发出和接收的影像，通过均方误差（E）、峰值信噪比（P）、结构相似性（S）指标评估分析发出和接收影像的差异率，最终对如何合理规范地评估5G远程医疗影像系统进行研究、分析和探讨。

E（Mean Square Error）是用于描述原图和处理后图片的对应像素点的方差均值，是图像/视频处理领域目前应用最广泛的性能量化指标，简单易用，运算速度快，具体计算公式为

式中：m——视频帧的长；

n——视频帧的宽；

ti,j——原始图像在像素（i，j）处的像素值；

ri,j——重建图像在图像（i，j）处的像素值E的值越小，视频图像的质量越好[2]。

P（Peak Signal-to-Noise Ratio）表示峰值信噪比，即信号最大功率和影响准确度的噪声的功率比值，是图像质量最主要的客观评价方法[3]。

式中：M——图像颜色点的最大数值，在8点采样中最大值可以取255

对于彩色图片，在计算E时，对三种颜色通道的E值求平均值即可。P的值越大，视频图像的质量越好。

S（Structural Similarity Index）表示结构相似度。S认为人类视觉感知能力高度自适应提取场景中的结构信息，用于衡量根据图像像素间的相关性构造出的参考图像与待评价图像之间结构相似性的指标，S值越大，图像质量越好[4]。

式中：x——对应的参考图像；

y——待评价图像；

μ——均值；

σ——方差或协方差；

l(x,y)——亮度；

c(x,y)——对比度；

s(x,y)——结构

2.3 受控电磁兼容暗室环境设定

本试验中，受控电磁兼容暗室环境设定如下。

2.3.1 辐射发射测试

辐射发射测试是检测设备通过空间以电磁波形式向外发射电磁骚扰能量的项目，根据国家标准GB 4824-2019《工业、科学和医疗设备射频骚扰特性限值和测量方法》，辐射发射测试场地一般在半电波暗室或开阔场中进行。本试验中辐射发射测试是在10 m半电波暗室中开展的，测试频率段覆盖30 MHz～6 GHz，测试设备包括承载被测设备的转台系统、接收天线、骚扰测量仪以及控制系统。5G影像传输设备发出干扰信号后经接收天线传输至骚扰测量仪，通过控制系统控制转台角度和天线高度，从而找到干扰信号的最大值。由于测试时需要保证被测设备在5G网络下工作，鉴于场地和设备限制，本次试验中将5G综合测试仪作为辅助设备与被测设备一同置于暗室内。在正式测试前对5G综合测试仪和环境进行预扫，其水平极化和垂直极化测试结果如图3和图4所示，由此可知，5G综合测试仪对本次测试影响较小，可以置于暗室中开展试验。

图3 5G综合测试仪与环境水平极化测试结果

图4 5G综合测试仪与环境垂直极化测试结果

将5G手机接入5G综合测试仪系统中，开启视频传输模式，进行测试，其测试结果如图5和图6所示，由此可知，5G影像传输系统在30 MHz～1 GHz频段范围内主要干扰信号的频率点在55 MHz左右，并且为宽频骚扰信号，其干扰信号幅度在标准规定的限值范围内，可以认为该系统的低频辐射发射电磁兼容性能较好，对周围环境的影响在理想范围之内。具体测试时的照片如图7、图8所示。

图5 5G影像传输系统水平极化测试结果

图6 5G影像传输系统垂直极化测试结果

图7 5G影像传输系统辐射发射测试照片（正面）

图8 5G影像传输系统辐射发射测试照片（背面）

2.3.2 辐射抗扰度测试

辐射抗扰度（Radiate Susceptibility）又称辐射敏感度，是最基本的电磁兼容测试项目之一，指各种装置、设备或系统，在存在辐射的情况下，抵抗辐射的一种能力[5]。敏感度越高，抗干扰的能力越低。辐射抗扰度测试系统由信号发生器、功率放大器和发射天线组成。

根据YY 0505-2005的要求，本试验中辐射抗扰度测试在3 m全电波暗室内进行，测试频段为80 MHz～2.5 GHz。通过光纤摄像头观察画面是否变化，以及通过自制的远程影像质量评估软件对暗室内外的图像传输指标进行判定，判断图像质量在辐射干扰下是否下降。并使用第三方测试软件Pinginfoview考察视频在电磁兼容干扰下的抖动、丢包率等指标，进一步判断电磁辐射是否对5G影像传输造成干扰。

为了保证5G综合测试仪不受辐射的影响，将其置于暗室外部进行测试，系统搭建如图9、图10所示。

图9 5G影像传输系统辐射抗扰度测试照片

图10 5G影像传输系统辐射抗扰度测试照片

延迟、抖动和丢包则是为了避免网络抖动而产生的视频播放效果的恶化。网络节点和视频解码器往往需要对视频流进行延迟和缓冲，而恒定的延迟表现为视频观看时间的推迟；视频编码器/服务器性能变化、网络拥挤、网络设备性能变化都可能导致视频流的抖动变化，观测视频流的抖动变化可以帮助用户提前发现视频传输质量恶化的趋势；在没有适当的视频解码补偿或者丢包重传机制下，丢包对视频播放质量有直接的影响，使播放质量出现不同程度的下降[6]。通过测试时打开Pinginfoview软件（图11），判断图像有无丢包和抖动情况。

图11 Pinginfoview软件记录界面

3 试验结果与分析

3.1 电磁兼容试验结果分析

2020年9月，IEC发布了医疗设备电磁骚扰要求和测试标准，即IEC 60601-1-2：2014的第一份修订IEC 60601-1-2：2014/A1：2020，新标准中首次提到基本性能风险管理需要考虑5G移动电话所产生的电磁骚扰[7]。由此可见，国际标准中已经对设备抗扰度提出了要求，因目前植入5G通信功能的医疗设备尚未全面开发、建设，标准中并未限定设备本身的辐射发射值。

通过辐射骚扰和辐射抗扰度测试，足以看出远程医疗影像系统在植入5G功能后，辐射值依然在限值以下，满足发射的要求，该系统在辐射抗扰度的测试场景下，依旧运行正常，并未受到影响。在当前测试标准下，植入5G后的测试系统符合要求，可以应用于5G远程医疗场景中。

3.2 电磁兼容辐射、抗扰度测试环境下影像质量评估分析

本文为了更准确地获取5G医疗影像传输系统抗干扰能力，结合医疗影像质量指标进行综合判断，并研制一款自动比对影像软件进行图像采集、分析、判定。

运行远程影像质量评估软件，自动评估5G影像传输系统的影像质量评估结果见表1。

表1 电磁兼容环境下影像质量评估

结构相似性是一种全参考的图像质量评价指标，它分别从亮度、对比度、结构三个方面度量图像相似性。取值范围[0，1]，值越大，表示图像失真越小[8]。

由表1可见，搭建的远程医疗影像系统在没有干扰的情况下图像未失真，在施加辐射骚扰时，峰值信噪比为38.87，符合图像质量评估指标要求，但是确实与没有干扰的环境下的指标存在微小的差异。

本文在评估图像质量的基础上，通过Pinginfoview考察视频在电磁兼容干扰下的抖动、丢包率等指标，最终对模拟的远程医疗影像系统进行了全面的分析。

4 结语

就医学图像而言，特定的诊断任务会依赖于图像质量的评价，质量好的图像能提高诊断决策正确性，保证手术过程中的安全性。本文通过搭建一套基于5G技术的远程医疗影像系统，在电磁兼容环境下对远程会诊和远程手术所产生的高清视频流的最终显示效果进行分析，并充分结合医疗影像特性，研究在不同电磁兼容环境下，用计算机自动进行定量评价的方法，使图像质量评价过程智能化。

通过试验，发现对该5G远程医疗影像系统抗干扰能力的评价尤为重要。基于人身安全与设备可靠性、稳定性的角度出发，制定符合5G通信下智慧医疗电磁兼容评估标准，通过提高图像质量、系统稳定性，更好地服务于更多的医用场景。