基于5G网络技术的智慧医疗在移动卒中急救系统领域的架构设计研究

郑波，杜潇，王建，夏兵

卒中已经成为中国居民第一位死亡原因[1]，其中急性缺血性卒中（acute ischemic stroke，AIS）约占全部卒中的70%[2]，及时开通闭塞血管是AIS救治的关键[3]。目前公认最为有效的治疗方法为超急性期静脉溶栓治疗和血管内治疗，均具有极强的时间依赖性（时间窗6 h）。AIS患者从出现症状至获得有效救治的整个过程大致分为院前急救和院内救治两个主要环节，当前传统的阶梯式逐级后送（串联式）救治模式很难使患者在有限的“时间窗”内获得有效救治[4-6]。如何在最短的时间内让卒中急救团队快速准确地获取卒中患者病史信息，以及病情评估、血液检验、医学影像等核心临床数据，是该领域当前的研究热点。

2010年，德国建立了第一辆移动卒中单元（multi-subscriber unit，MSU）[7]，除常规设备外，还配备了由蓄电池驱动的移动CT、远程医疗设备系统和即时护理系统。研究表明MSU改变了传统的“串联式”救治模式，在一定程度上缩短了患者“无效等待”时间，提高了救治成功率，而没有增加不良事件[8-10]。

第五代移动通信技术简称5G，是现有3G和4G技术的演进，同时运用了云基础架构、边缘智能服务和虚拟化网络核心等技术[11]。简单来说，5G是形成人与物和物与物之间的高速连接，实现整个网络、终端、无线和业务的进一步融合[12]。以往受网络传输速率限制，智慧医疗长期停留在概念性阶段。近年来，5G应用逐渐推广，改变了传统医疗模式，将医疗服务延伸至院外，进一步提升救治效率，有效缓解医疗资源分布不均等问题[13]。其中，针对MSU在5G网络下进一步优化结构升级改造为5G+智慧医疗结合的创新应用模式，现就雅安市人民医院、雅安市紧急救援中心与中国移动5G产业研究院（成都分院）联合研发的5G智慧移动卒中急救系统（5G smart mobile stroke emergency system，5G+SMSES）做详细介绍。

1 5G+SMSES设计理念

AIS患者早发现、早救治是改善预后的根本，而影响AIS救治的最关键因素是头颅CT检查。2017年5月，河南省人民医院引进全国首台移动CT卒中救护车应用于临床[14]。2019年5月，全国首台5G城市医疗应急救援系统在四川省人民医院正式上线，以5G急救车为基础，实现院前、院内无缝联动，快速制订抢救方案[15]。2019年5月，中国联合网络通信有限公司、首都医科大学宣武医院与河北北方学院第一附属医院联合探索基于5G技术的车载CT移动卒中单元平台的构建[13]。上述研究推动了MSU的研发，但在MSU各种设备及资源的有效整合，以及MSU、急救中心、卒中中心和医疗机构等各个模块有效串联方面仍存在瓶颈。基于此，为真正实现“上车即入院”，抢占急救的黄金时间，雅安市人民医院、雅安市紧急救援中心与中国移动5G产业研究院（成都分院）联合研发5G+SMSES。

5G+SMSES利用物联网、移动互联网、云计算、5G等新一代信息通信技术，将MSU、急救中心、卒中中心和医疗机构等各模块有效地连接起来，利用5G高速率、低时延、大连接的特性，将急救工作前移，实现“上车即入院”，抢占急救的黄金时间[8，16-17]。在AIS患者的救治过程中，5G+SMSES的院前通知可有效缩短患者从入院到获得有效救治的时间。基于5G网络高速传输的所有MSU核心医疗数据，可使院内卒中救治团队第一时间掌握患者病情，提前制订急救方案，实现院前急救与院内救治的无缝衔接。

5G+SMSES分为物理终端层、网络传输层、平台应用层、数据可视化四层（图1）。物理终端层实现关键且快速的数据采集，网络传输层实现实时且可靠的数据传输，平台应用层实现智能且全面的数据应用，并通过大屏进行数据集中化展示，由使用方实现集中化调度。

2 5G+SMSES软件设计架构

5G+SMSES秉承“底层+模块”理念进行软件架构设计（图2），综合目标的安全、性能、稳定、可拓展、兼容等属性，系统全局使用Java语言开发，开发框架为基于J2EE体系的Spring系列框架（包含Spring Boot、Spring Cloud），数据库使用关系型数据库Oracle（集群化部署），系统运行环境为Linux，采用Spring Cloud做集群化部署。

系统设计使用RSA（2048）非对称加密技术和JWT签名技术，保障数据（报文）在终端与服务器之间传输时，不被三方篡改和窃取明文。使用远程数据服务作为服务器端缓存，保障Session等关键标识数据在多台服务器的唯一性，缓存数据读取速度快。结合系统实际使用场景，使用网关策略映射结合局域网云池管理，实现外网访问内网数据，且保障内网数据及资源的安全。使用内容分发网络加速和负载均衡，保障系统访问速度，以及在高并发场景中系统所有微服务的稳定性。使用消息队列遥测传输技术消息中间件，消息生产方序列化向队列中输入数据，订阅方按需请求资源，从而提高系统响应速度、提高系统稳定性，完成业务异步化、应用解耦、消除峰值。

系统采用安全外壳协议脚本定时自动完成系统源码、数据库文件、用户输入文件、系统产出文件、其他文件等备份，备份方式为异地，确保系统在生产环境中因火灾等不可控因素导致数据不可逆恢复。采用设定Nginx规则、Web防火墙等方式，保障到达服务器的用户输入、用户请求等资源的安全性。

图2 5G+SMSES软件架构图

2.1 医护端设计方法 医护端设计使用安卓平板（9寸及以上）运行医护端应用软件（application，APP），选用APP软件形式保障使用者在使用时的便捷、稳定、安全，以及能使用近距离无线通信技术和手机摄像头等硬件设备底层原生应用程序接口。医护端APP包含主页、患者列表、统计、个人中心四个模块内容（图3），实现数据统计、数据提醒、结构化病例、报表生成、质量管控、病患管理、投诉建议管理、复盘分析等功能。医护端APP、病患端APP、病患端小程序、急救端APP、120端APP以分布式方式在本地终端内运行，大部分静态资源编译在APP本地安装包内，有效减少服务器资源请求，降低服务器I/O开销，使其更稳定及高效运行提供服务。

医护端软件在患者救治过程中的使用场景涵盖了患者救治的整个时间轴，即以医师接

诊患者开始到抢救、诊断、留院观察、康复的全过程作为一个完整的时间节点，包含患者信息、电子病历、医疗文书、电子医嘱、护理记录、执行医嘱、护理文书、医技报告等多种关键医疗数据。通过医护端软件为患者救治过程中信息流传递提供高速通道，使各科室之间的沟通更便捷高效，软件记录的患者治疗全流程关键节点信息也为医院的质控及大数据分析提供了有效保障。

2.2 病患端设计方法 病患端设计选用APP、微信公众号、微信小程序形式展现，软件包含主页、个人中心、朋友圈、商城、在线学习五大模块（图4）。软件实现在线问诊、地图导航、在线挂号缴费、查看检查报告、硬件设备绑定及数据交换、商品购买、网络论坛交流分享、在线学习音视频及图文内容、投诉建议等功能，用于高危卒中患者院前筛查及卒中患者院后康复咨询等场景。

图3 5G+SMSES医护端设计图

图4 5G+SMSES病患端设计图

2.3 急救端设计方法 急救端设计选用APP形式展现，软件包含患者、报表统计、个人中心三大模块（图5），软件实现现有病患管理及新增病患、查看单位病患详细信息、查看单位病患结构化电子病历、过往病史等，软件满足医院急诊科在接到患者后，能在救护车上开始录入患者信息，生化数据、在线挂号缴费、病患分配及与院内科室部分信息共享，便于入院后有目的地开展救治工作，缩短救治时间，以达到降低患者致死率和致残率的最终目标。

2.4 系统管理后台设计方法 Web管理段设计采用PC-Web形式呈现，管理端包含系统全部数据及模块，PC端可视化界面友好，交互操作方便，页面渲染高效。Web管理端设计采用账号密码鉴权方式登录，登录成功后可根据业务需要选择模块菜单，进入对应系统页面，按需完成操作。Web管理端设计全局采用日志记录已登录用户的每一步操作，包含操作页面、设备IP、操作原数据及新输入数据，用以保障使用者规范操作，溯源查询。Web管理端设计采用响应式技术开发HTML界面，设计了包含用户权限管理、患者档案管理、病历数据管理、文章发布管理、系统运维管理等诸多功能模块，保障系统在多种不同分辨率终端能友好运行，使用媒体查询，根据终端屏幕尺寸自适应显示页面内容。

图5 5G+SMSES急救端设计图

3 5G+SMSES功能

5G+SMSES针对卒中患者院前和院内两部分的救治全流程管理优化，主要通过与医疗诊断设备及系统，如移动CT、医院信息管理系统（hospital information system，HIS）、医学影像存档与传输系统（picture archiving communication system，PACS）等完美结合，实时传送信息数据，实现卒中救治团队与患者的空间零距离，快速诊断并实施救治。主要包含移动应急救援子系统、卒中救治质控子系统、卒中急救共享云子系统、卒中专病数据库子系统以及卒中救治指挥中心子系统五个功能区。

3.1 移动应急救援子系统 移动应急救援子系统分为两部分：一方面，借助5G配套完成救护车改造，使卒中救治团队实时掌握患者状态，同时可在医院内对急救车抢救过程进行全程监控和指导，提前做好入院准备，在患者入院后直接进入抢救性治疗状态，最大程度上提高急救车抢救质量，赢得救治“黄金时间”，提高抢救成功率，使得“上车即入院”模式成为城市急救的新模式、新标杆。另一方面，构建本地“卒中急救地图”为院前急救择院精准导航，由急救医护人员跟车预检评估在患者到达医院前，即实施现场抢救和途中监护检查，初步预评分及分诊，实时回传，并通过移动端（手机或Pad）完成移动挂号、病情评估、医嘱下发，真正实现“上车即入院”。

3.2 卒中救治质控子系统 以卒中智慧手环为介质，接诊患者时“第一时间”佩戴，实时记录患者病史采集、病情评估、体液采集、医学检验及关键救治技术实施等全流程起止时间节点，规避人为因素的干扰，与院内实验室信息管理系统（laboratory information management system，LIS）、PACS系统无缝对接，形成专有的卒中救治全流程时间轴，为实现AIS患者绿色通道救治工作的持续改进提供了准确的科学依据。同时，本系统内嵌一键报警和电子围栏功能，可为特殊病患提供一键求救、安全管控等服务。

3.3 卒中急救共享云子系统 建立专病共享云系统，与院内影像系统对接，实现医学影像的多端访问，规避原有院内系统的信息孤岛问题。

3.4 卒中专病数据库子系统 打通医院现有传统病历系统接口，为每一位卒中患者建立专有病历存于云端。做好长线追踪卒中患者病情的准备，避免每次从头开始。通过业务数据化、病历标准化、分类专病化构建卒中专病数据库，为卫生决策、临床质控、科研创新和公众服务提供大数据支持。

3.5 卒中救治指挥中心子系统 通过各项子系统的数据可视化呈现，完全展现预警-救治-管控-回溯等全流程的传输整合的闭环流程，创建关联-分析-决策的数字诊断新模式。同时，运用大数据技术为手机/Pad停止路径原因、AIS患者时间分布、护士与医师的绩效考核等提供数据依据和未来优化方向。

5G+SMSES的整体呈现，为进一步争取AIS黄金救治时间提供了解决思路，依托系统架构，逐步融入车载移动CT的影像回传诊断、初级卒中中心与高级卒中中心的转诊互通、基于5G网络的远程在线指导和示教等内容，逐步实现系统从单点到区域的影响覆盖。

4 5G+SMSES网络要求及应用场景和实例

基于5G网络的高带宽、低延迟、大容量的三大特性，针对5G网络承载的不同应用类型，各种应用对5G无线网络接入需满足的条件以及技术指标也不尽相同。

5G+SMSES的各种需求场景：①影像传输诊断类的单一设备单一场景，其网络需求为4K视频、GB级图像、上行速率＞55 Mbit/s、下行速率＞85 Mbit/s、网络延迟需要＜75 ms，这也是该场景下的典型数据；②交互视频类单一设备单一场景，其网络需求典型数据为4K视频、GB级图像、上行速率＞25 Mbit/s、下行速率＞25 Mbit/s、网络延迟需要＜80 ms；③动态监控类单一场景单一设备，其典型网络需求数据为（以心电数据为例）上行速率＞15 Mbit/s、下行速率＞15 Mbit/s、网络延迟需要＜150 ms；④信息与通信技术为重症监护类单一设备单一场景，其网络需求典型数据为4K视频、GB级图像、上行速率＞25 Mbit/s、下行速率＞10 Mbit/s、网络延迟需要＜80 ms。

目前业界普遍认知的5G技术规范的理论网络带宽达到10 Gbps，相当于1.25 GB/s的下载速度。而在实际应用中，通过5G网络下载一部50 GB的高清电影或许只需要不到2 min的时间。因此，5G MSU在满足以上网络配置指标的5G网络下可大大加快完成院前急救诊治和转运流程。而在一些网络应用中实测5G网络下载速率可达900 Mbit/s，上传速率均值60 Mbit/s，一套CT图像约512 MB在非常短的时间内即可完成交互，较4G网络快25倍左右，对抢救生命得到了极大的效率提升。而在MSU中对需要高效保质的传输等一系列交互中，5G网络可以完全保证诸如4K视频无卡顿无延时的传输、图片的交互及时传输、对生命体征等实时监控数据的高效无时延传输等。

5G+SMSES的应用主要分为三个方面：第一，独立医疗机构的院前+院内的救治流程优化，基于院前的数据、视频交互，完成病患沟通、入院、诊断等，在院前尽可能完成必要的检查，节约院内时间，同时院内依托射频识别（radio frequency identification，RFID）技术，优化病患在各科室的滞留时间。第二，医联体或合作医院转诊/互诊的救治优化，通过APP端的在线交流、影像共享、实时视频、信息推送，实现对下级/合作医院卒中患者的诊疗，可完成远程诊疗及转诊途中的实时会诊，节约患者转诊时间。第三，康复患者的长期日常体征采集，针对卒中康复的易复发性，对意愿患者进行关键体征的采集，便于异常情况的早发现、早治疗。

5G+SMSES以5G智慧移动卒中急救车为载体，车内装置有金曦移动CT、血细胞分析仪、自动出凝血仪、血糖检测仪、血气分析仪、生化分析仪、电动担架系统、除颤监护仪、呼吸机、冰箱、吸引器、输液泵及注射泵等设备；车载影像数据、检验数据及心电图与院内HIS、PACS等系统的完美结合，实时传送信息数据；车前摄像头完成车前视频信息采集和车辆定位，车顶全景摄像头，采集车内全景影像，车内旁挂视讯摄像头，实现与随车医师和护士的实时对讲，制订精准治疗方案。通过前期工作探索，5G+SMSES于2020年4月15日在雅安市实现了应用场景落地。5G智慧移动卒中急救车运行数据显示，车载头颅CT 30 s扫描完成，10 min内出示影像报告；血细胞分析仪1 min完成，血气分析仪2 min完成；自动出凝血仪10 min完成

，生化分析仪12 min完成，20 min内可出示检验报告，意味着20 min内即可给予车载静脉溶栓治疗。通过5G+SMSES打破了院前急救、院内诊治的传统“串联”模式，真正实现“上车即入院”“卒中急救无等待”的高效救治模式。

5 5G+SMSES的应用价值

2020年4月15日，5G+SMSES在我院实现了应用场景落地。本次示范应用基于5G网络及其关键特性对卒中患者进行救治的时间链优化，使卒中患者的院前和院内的两部分救治工作时长大幅缩短。经过实际使用，医疗人员实现了卒中救治的前移与转诊，这标志着全国第一个针对院前和院内双域的5G智慧卒中急救系统的正式落成。5G网络技术应用在新技术驱动下催生了众多的创新移动医疗应用，改变着传统医疗模式，更加重要的是借助移动通信技术的发展逐步实现了以远程医疗应用为代表的新型医疗模式，对构建无线化、远程化、智能化的智慧医疗进行赋能。5G网络技术快速发展带来的超大带宽、高可靠、低时延以及海量连接的强大网络能力，为MSU的快速应用和落地提供了技术支持，通过MSU与5G网络能力的深度融合构成5G+SMSES，为卒中急救的快速发展提供了更多可能性。超大带宽支持实时高清视频、海量数据高速传输，解决目前远程会诊视频分辨率低、视频卡顿的问题，为卒中急救中的远程指导提供有效支持。低时延保障急救途中患者生命体征、视频影像等信息的实时传输，使分秒必争的卒中急救更有效。海量连接支持更多车载医疗设备和媒体设备的接入；同时，5G网络技术利用边缘云将处理能力下沉，对数据进行灵活分流、缩短数据处理和分析时延。利用网络切片技术保障涉及患者隐私医疗数据的安全传输，实现医疗数据的可靠传输，为AIS患者救治模式开创了新思路。同时，本团队将进一步设计临床试验以证明其有效性和安全性。

【点睛】5G+SMSES打破了急救车和医院的信息壁垒，真正实现了“上车即入院”“卒中急救无等待”的高效卒中救治新模式。