基于5G 云网安融合技术的远程治疗研究及应用＊

［李建林 麦磊鑫 李云飞 黄显强 陈汉彬 李睿］

1 引言

远程治疗对图像传输有着特殊的要求，过低的视频质量及图片质量可能导致医生难以辨清病情，这些问题的关键在于4G 时代互联网不能满足远程医疗的数据传输要求。5G 技术高速率低时延的特点，可以突破4G 网络难以开展高精度远程操控的障碍，为远程治疗的应用奠定技术基础。除了服务于基层医疗机构，为“看病难”等社会问题提供更加智能的解决方案，5G 远程治疗还可以在急救和救灾等特殊场景下发挥重要作用。在不同医疗场景中能够把握更多的“生命时间”。作为新一代信息通信技术，5G 技术推动着医疗健康迎来新技术时代，这也是本文研究的主要目的。

2 远程治疗的需求现状

2.1 背景概述

当下，我国优质医疗资源集中在大城市、大医院，而基层医院资源短缺，医疗技术不够规范和完善，诊断治疗水平有待提高，优质医疗资源总量不足、结构不合理、分布不均衡，人民群众对基层医院的信赖度和正确就医观念有待提升，亟需通过有效措施进一步改变医疗资源配置失衡的现状。为使人民群众获得更高效的医疗服务，需利用信息化手段构建统一远程医疗服务体系，针对不同层级医疗服务机构的诊疗特点，通过统筹区域医疗资源共享和信息整合平台建设，构建统一远程医疗服务体系，打破长期以来单一医疗组织客观存在的信息孤岛现象，打破信息壁垒，建设高效的互联互通的信息系统平台，更有利于为人民群众尤其是基层群众提供全方位全周期的高效医疗服务。[1]

2.2 医疗领域5G 技术应用场景

5G 技术在医疗领域的应用场景主要有三类：

（1）基于医疗设备数据无限采集的医疗监测与护理类应用，如无限监护、无线输液、移动护理和患者实时位置采集与监测、远程无线设备监测与维护等。

（2）基于视频与图像交互的医疗诊断与指导类应用，如实时调阅患者影像诊断信息的移动查房、采用医疗服务机器人的远程查房、远程实时会议、应急救援指导、无线手术示教、无线专科诊断等。远程术中指导最迫切的需求就是信号实时的互联互通，延迟就可能会给予错误的指导而给患者带来不可逆转的伤害。同时需要传输三维重建的影像数据以辅助术中指导。信号视频和影像时延需至少低于100 ms，目前4G 网络的时延、带宽是无法满足的。5G网络下的时延可达20 ms，在远程术中指导等场景下将充分发挥优势，有效提高远程会诊的效率。[2]

（3）基于图像、视频与力反馈的远程监控类应用，如远程超声检查、远程放疗、远程机器人手术、远程康复治疗等。

3 5G 云网安融合远程治疗应用研究

3.1 远程治疗发展现状

影响远程治疗特别是其操控效果的重要因素之一是数据传输的效果，包括质量和时延两方面，因此远程治疗对传输技术的要求非常之高。(1）超低延迟，因为远端要求力反馈及视频信息等“实时”传输到医生端，以保证整个手术操作的安全；(2）超高速率，因为治疗过程需要传输现场超高清视频和VR 触觉感应信息，数据量极大。

当前，我国 5G 医疗健康的发展尚处于起步阶段，在顶层架构、系统设计和落地模式上还需要不断完善，但是 5G 医疗健康前期探索已取得良好的应用示范作用，实现了 5G 在医疗健康领域包括远程会诊、远程超声、应急救援、远程示教、远程监护等众多场景的广泛应用。5G+远程治疗属于远程操控类应用，结合视频流、人工智能、VR、触觉反馈等技术，传输医疗影像、音视频、力反馈等信息，实现远程检查、远程治疗、远程手术等应用，使得远在天边的“白衣天使”可以突破空间距离检视治疗“近在咫尺”的患者。随着5G、VR 和先进医疗技术的发展，通过远程治疗，医生可以“指挥”远程机器人进行一些手术操作，相关应用包含远程示教、指导、操控等。[3]

3.2 5G 云网安融合总体功能架构

如图1为总体功能架构，主要包含6个层次，即网络层、云资源层、平台功能层、核心能力层、应用场景层和服务层。

图1 5G 云网安融合平台总体架构

平台总体架构以分层架构为主。服务用户主要涵盖各市卫健委、医联体、三级医院、二级医院和基层医疗机构。应用场景主要包括在5G+远程手术治疗、5G+远程紧急治疗、5G+远程放射治疗和5G+远程康复治疗。核心能力主要体现在智能机器人、DICOM 影像、电子病历、4K 视频/音频、医疗AI 算法等。平台功能层主要体现在公共能力跟微服务两个方面：公共能力体现在采集网关、数据交换、认证鉴权、影像浏览器、短信网关、电子签名等；微服务主要体现在服务注册中心、服务网关、负载均衡、配置中心、安全管理、容器管理等。云资源主要包括MEC 边缘计算、对象存储、安全服务、云主机和前置机。涉及的网络主要有5G、物联网、卫生专网、4G/WIFI、互联网、SSL-VPN、MPLS-VPN 等。

3.3 技术方案部署与应用研究

3.3.1 面向远程治疗的5G 云网安融合技术方案

基于5G 云网安融合技术，通过UPF 和MEC 的边缘化部署，提供高可靠、低时延网络服务，实现不同医疗单位间的医疗信息、医疗资源互通，数据安全共享，满足远程治疗需求，缩短治疗流程，提高救治效率。网络架构如图2 所示。

图2 面向远程治疗的5G 云网安融合网络架构

（1）云解决方案

基于天翼云，构建远程治疗云平台。基于天翼云先进技术，充分利用弹性云主机、云存储网关、对象存储、关系数据库、服务器安全卫士、云备份等天翼云子产品，构建安全、高效、实用的5G 云网安融合远程治疗平台。该平台不仅可以收集和存储大量医疗数据，而且能够极大提升信息整合能力。通过底层信息技术的整合，能够实现医疗大健康信息、资源、数据的互联互通；通过提供服务，可以为医院降本增效，同时实现更加精准化的治疗。

同时部署地市级MEC，将时延敏感、安全敏感的业务及数据进行本地化处理，通过5G 实现MEC 与中心云的协同配合，满足远程治疗不同业务要求。

（2）网解决方案

采用超级上行技术提高5G 网络上行容量，缓解远程治疗超高清视频及MR 影像上行传输瓶颈问题；提供城市区域深度覆盖服务，解决远程康复治疗网络接入问题。[4]

5G 网络实行控制面、转发面分离，满足远程控制治疗的低时延、高可靠需求。如图3 所示，将用户面UPF下沉到地市，及时转发治疗数据，可有效减少手术机器人获取控制数据时延，实现高精度远程操控类业务，为远程手术操控业务的开展提供支撑。

图3 UPF 部署位置对传输时延的影响

面向时延敏感的远程手术治疗、远程放射治疗、远程紧急治疗等场景，采用中国电信比邻模式定制网服务[5]：

低时延：通过用户面医疗专用UPF 本市部署，减少端到端时延。

超高带宽：结合超级上行，载波聚合等无线技术，大幅提高网络带宽。

业务隔离：在同一切片内，通过定制 DNN 来区分数据网络和路由隔离，通过定制QoS 提供差异化的SLA，保障不同业务安全。而对于多个切片，通过切片标识来区分数据网络和路由隔离，根据不同医疗业务的隔离级别需求提供差异化的隔离方式，如资源隔离或资源预留，保障医疗业务安全。

业务加速：根据医疗业务流特征，灵活签约QoS。

优良覆盖：为上下级医院提供精准勘察服务,按需优化院内空口资源，提供优质无线网络覆盖。

算力下沉：通过边缘MEC 下沉算力，大带宽消耗、时延敏感的计算工作在边缘完成，提升效率。

面向广域优先的远程康复治疗场景，采用中国电信致远模式定制网服务[6]:

广域覆盖：基于中国电信公网提供打底覆盖，局部提供增强覆盖，支持 4G 和 5G 互操作。

公专协同：不仅可以接入 5G 公众网络，同时也可以利用 VPDN 等技术远程接入企业内网。

业务加速：通过QoS 规则定制提供优先调度、通过GBR 参数定制提供保证比特速率的带宽保障。

业务隔离：通过切片、DNN 定制来区分数据网络和路由隔离，通过高质量的专线隔离保障用户业务体验

（3）安全解决方案

基于接入-网络-核心-应用的5G 网络端到端安全架构以及全网协同的安全防护服务，为远程治疗提供安全可靠的5G 网络及云服务：

网络接入安全：认证、空口安全保障；

网络域安全：网络节点之间安全交互；

用户域安全：用户安全接入移动设备；

应用域安全：终端、应用之间安全交互；

服务域安全：核心网网络功能的注册、发现和授权的安全，服务化接口的安全；

业务安全：根据不同医疗业务的隔离级别需求提供差异化的5G 切片服务，实现业务隔离定制化，保障医疗业务安全。

数据架构安全：从分层、纵深防御思想出发，面向物理、主机/虚拟化、网络、业务和数据、管理维护等几个不同网络层次架构，从整体上满足安全合规性，指导数据中心安全解决方案的部署。[7]

云安全：基于中国电信“云堤”技术，采用DDoS 安全防护和天翼安全大脑等方案，实现云边端安全协同及边界防护。

3.3.2 面向远程治疗不同业务需求的网络切片方案

5G 使能垂直行业，需要面对各种各样的网络SLA 需求（如带宽、时延&安全等），无法用一张网络高效经济地满足全部需求；网络切片使得运营商能够在一个物理网络之上构建多个端到端、虚拟的、隔离的、按需定制的专用逻辑网络，实现一网多用。[8]

面向不同远程治疗应用场景需求，选择不同的端到端网络切片技术，实现不同用户类型、不同业务类型的隔离，提供差异化的定制高质量按需服务的网络切片技术支持。如无线网的5QI/GBR、RB 资源/频谱预留、独立基站，承载网的独立VPN、独立FlexE、确定性小切片，核心网的独立边缘UPF、独立N3 口（切片映射）、独立N6 口或独立隧道（DNN 映射）等切片技术。[9]

切片方案如表1 及图4 所示。

表1 远程治疗业务的网络SLA 需求及切片方案

图4 面向远程治疗的网络切片方案

3.3.3 面向远程治疗5G 网络接入技术方案

面向远程治疗的多场景业务需求，提供院内外大带宽、广覆盖、高可靠接入服务。整体方案实现医疗业务数据与个人业务数据分离，保证医疗业务数据在5G 云网安融合远程治疗平台内流转，提供高可靠、低时延网络服务。如图5 所示。

图5 面向远程治疗的5G 网络方案

无线侧通过对中心医院及基层医院进行5G 室分系统覆盖，满足院内进行的远程手术治疗、远程放射治疗、远程康复治疗入网需求；室外部署的众多5G 宏站满足患者居家康复设备入网需求。

承载侧通过承载网STN 与公网5GC 相连，地市远程治疗UPF 上联STN-A 设备，个人业务及医疗业务通过切片标识ID 进行数据分流，地市UPF 将时延敏感治疗业务转发至边缘MEC，进行实时的数据处理、视频渲染等操作，确保中心医院和基层医院的业务实时交互。

核心侧共用公网5GC控制面网元，供医疗子切片使用，对医疗业务进行会话管理；试点转发面独享，分地市部署医疗专用UPF+MEC，时延敏感治疗业务由本地UPF 转发至对端UPF，非时延敏感治疗业务由大网UPF 转发至5G云网安融合远程治疗平台，个人业务由大网UPF 转发至Internet。

3.3.4 基于应用的实践总结

对于时延敏感的业务数据如远程手术、远程放疗、远程紧急治疗、MR 辅助治疗等，经室分系统或5G 宏站接入5G 网络，由本地远程治疗UPF 进行数据转发，边缘MEC 进行数据处理，实现两点业务数据实时交互和快速处理，满足低延时、大带宽、高可靠业务需求。5G 与边缘计算、中心云协同配合，满足远程治疗不同业务要求。[10]

（1）远程手术治疗：中心医院专家依靠低时延、高可靠5G 网络通过手术机器人对基础医院患者实施远程手术治疗。医疗设备经5G 室分入网，由最近的市级远程治疗UPF 做数据转发，确保互操过程实时可靠。

（2）远程放射治疗：中心医院专家依靠低时延、高可靠5G 网络通过放疗同质化协同平台对基础医院患者实施个性化精准远程放射治疗。医疗设备经5G 室分入网，由最近的市级远程治疗UPF 做数据转发，确保互操过程实时可靠。

（3）远程紧急治疗：当基层医院遭遇患者病情突然恶化或突遇急症等情况，基层医生无法处理，而患者病情来不及转院治疗时，基层医院能通过5G 云网安融合远程治疗平台寻找专家咨询指导，中心医院专家依靠低时延、高可靠5G 网络通过治疗机器人对基础医院患者实施远程紧急治疗。

（4）远程康复治疗：当患者术后愈合良好，符合出院康复治疗条件时，可携带远程康复设备，设备经5G 宏基站、物联网、宽带等接入5G 云网安融合远程治疗平台，平台跟踪分析患者康复状况，给出康复治疗建议并具备提前预警功能，方便专家指导或实施远程康复治疗。

5G 智慧医疗在用户层包括现有系统采集数据以及接入卫健委或医疗机构统一采集系统，同时按需对接不同的终端设备，在平台功能层进行患者主索引的存取服务、影像浏览器、电子签名、短信网关的存取服务，在云资源主要进行基础服务能力的提供以及监控，运营分析以及数据统计服务。

4 结束语

随着5G 技术的发展，医疗与5G 技术的融合也变得越来越重要，5G 将会让医疗更加高效化、精细化和自主化。基于5G 云网安融合技术的远程治疗平台建设，有助于给患者提供术前、术中、术后全方位全周期健康服务；有助于医院实现精细化的管理，深化医药卫生体制改革；有助于加强基层医疗卫生服务体系，改善目前国内偏远落后地区的医疗水平，逐步实现优质医疗资源有序下沉及更公平、合理分布，实现医疗资源公平性。