基于5G的心血管区域介入云中心设计与研究＊

夏张涛，童基均，张世明

(1.浙江理工大学计算机学院，浙江 杭州 310018；2.上海诺基亚贝尔股份有限公司)

0 引言

心血管疾病被公认为是全球致死率最高的疾病之一。根据中国国家心血管病中心发布的《中国心血管健康与疾病报告2020》[1]可知，目前中国心血管疾病患者推算有3.3 亿人，患病率仍处于持续上升阶段。心血管疾病患者数量十分庞大，为了对后续的各种科研工作提供更有效的数据支持，有必要将这些临床数据进行结构化存储和调阅[2]。

近十年来，心血管介入技术发展迅速，各种新设备、新技术大量涌现，极大的丰富了介入信息，介入中心信息化、智能化建设迫在眉睫。目前心血管介入领域存在几大不足。①介入手术数据采集和管理很大程度上依赖手工，缺乏有效的临床数据采集系统，不能满足数据结构化、数据统计分析和研究、图文报告生成等临床需求。②介入领域的手术信息缺乏统一的管理平台，患者的就诊数据没有得到有效的整理，不利于后续查看与研究。此外，数据存储往往以医院为独立单位，区域内各医院的数据没有共享。③介入领域中的临床实践在“院后随访”部分有所欠缺，导致患者容易忽略院后护理和康复过程，这会导致再入院率的提高，并且容易消耗更多的医疗资源。④医学影像设备在使用中能产生大量医学影像数据，在临床诊断治疗中这些影像数据信息可以提供大量价值[3]，但他们的存储和传输却容易受到传输速率、延迟等限制。许多基层的医院为了发展购置了各种医学影像设备，但却缺乏精通设备使用的影像技术人才，患者往往选择前往上级医院进行诊疗，这不利于分级诊疗的推行[4]。

随着第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology,5G)的快速普及，其高可靠、低时延、高速率等特性在医学信息中心特别是影像中心的建设中，将显示出极大的应用优势，解决数据传输的瓶颈问题。我们采集患者的基础信息、电子病历数据和医学影像数据，建立基于5G的区域介入云中心，共享医疗卫生信息资源，实现区域内介入手术信息、介入影像数据的充分共享和高效协作，降低医疗成本，推动分级诊疗，发挥医联体作用。

1 项目技术方案

1.1 设备材料

多业务边缘计算（Multi-Access Edge Computing，MEC）硬件：使用用户端口功能（User Plane Function，UPF）的MEC 方案，同时建设移动边缘平台（MEC Platform，MEP），供第三方应用程序进行安装，直接完成区域内部的数据处理。具体需要的硬件设备如下：RH2288H V5，作为UPF 的硬件设备；RH2288H V5，作为MEP 部署的硬件设备；RH2288H V5，为第三方应用程序的部署提供硬件资源；交换机CE6865，业务架顶式交换机（Top Of Rack，TOR）；交换机CE5855，设备管理TOR。

介入云中心设备：数据采集使用医院的电脑设备(酷睿i3 处理器，4GB 内存，1GB 显存的独立显卡及以上配置)，在IE 浏览器上进行访问，并接入院内5G 网络对云端医疗影像进行查看。需要接入医疗监护仪，来获取患者的生理参数。云服务器操作系统使用Windows Server 2012 系统，配置在4 核8GB 及以上，存储空间2TB以上。

1.2 总体设计方案

基于5G的区域介入云中心，涵盖三个主体模块功能，包括结构化的介入临床数据采集系统、临床专科数据库建设、介入云随访系统。总体功能框架如图1所示。

图1 5G+区域介入云中心系统功能框架图

1.3 5G技术方案

基于5G+MEC 打造的5G 区域介入云中心虚拟专网方案，通过灵活部署形成本地专网，快速实现互联互通。

移动通信运营商为项目提供专有的5G 独立组网（Standalone，SA）虚拟专网，并通过MEC 技术应用，实现业务数据本地分流，医护终端院区外接入需求及现场人员与外界的公网通信需求。

5G 基站通过移动通信传输网连接MEC 平台，MEC 平台根据分流策略将本地业务卸载到本地健康管理平台上。

核心网MEC，用户端口功能（User Plane Function，UPF）方案由医院随业务开展，先使用共享MEC。控制面在运营商核心机房，进行用户鉴权、移动性管理等。控制面与MEC之间通过专线对接，互通多模光纤（Optical Multi-Mode，OM）网络和N4、N9网络。传输必须具备3 层转发能力，将控制信令和用户数据分流在中心机房和数据中心机房。同时由于使用MEC 解决方案，保证敏感数据不出地市，做到专网专用，保护客户隐私。

MEC 对接需求：MEC 周边需要对接的端口包括与SA2.0核心网的OM网络互通；与SA2.0中的会话管理功能（Session Managment Function，SMF）之间互通N4接口；与传输分组传送网（Packet Transport Network，PTN）之间对接N3接口；与医院防火墙进行对接，接入医院内部网络。

目前各个逻辑接口都是使用的二个10 万兆以太网（10 Gigabit Ethernet，GE）的物理端口，在进行业务隔离的同时，确保主设备有保护。

1.4 系统技术架构

B/S 架构(Browser/Server)是一种伴随着Web 技术发展所兴起的一种网络结构模式，它可以看作是对传统客户端/服务器(Client/Server,C/S)架构的一种改造。在B/S 架构下Web 浏览器是客户端的主要应用软件，通过与服务器主机的连接，在服务器上实现系统的核心部分，从而简化了客户端的操作难度。相比于传统的C/S架构，B/S架构具有轻量化、多并发、强运营等优势。

系统基于B/S 架构开发，采用三层架构，即表现层、业务逻辑层、数据访问层。表现层就是展现给用户的界面、业务逻辑层是针对具体问题的操作、数据访问层进行数据库的直接操作[5]。各层之间的数据通过对象模型的实体类传递，并使用接口相互访问。

系统前端采用了Vue.js 框架。Vue.js 是用于构建前端用户页面的渐进式框架。其核心库只关注视图层，在易于上手的同时还便于与现有项目整合。此外它还可以方便的与现代化工具链以及各种支持类库结合使用，具有组件化、虚拟DOM、指令系统等特性，是一个灵活高效稳定的前端开发框架。

系统后端采用了SSM 框架。SSM 框架是Spring MVC、Spring 和Mybatis 框架的整合，是标准的MVC模式。其中Spring 实现业务对象管理，Spring MVC负责请求的转发和视图管理，Mybatis作为数据对象的持久化引擎。SSM 框架具有低成本、高扩展性、高可维护性、高开发效率等优点，是目前主流使用的框架之一。

2 介入云中心功能模块设计

2.1 结构化的介入临床数据采集系统

结构化的介入数据采集系统对介入术前、术中、术后的所有数据和影像进行科学地、规范地全程化管理，降低数据的重复录入率，提高医护人员工作效率，保证数据的高精确性，并最终推动所有数据上云。其主要功能包含介入手术登记和排台、护理数据采集、手术的术种数据采集、介入手术报告自动生成、后台数据维护。其中系统架构如图2所示。

图2 结构化的介入数据采集系统结构图

⑴手术术前登记模块：手术术前登记模块中患者信息获取方式分为手工登记和医院信息系统（Hospital Information System，HIS）读取，登记和读取的信息主要有患者基本信息、手术排班信息和手术状态信息，还包括患者本次手术的总体耗材记录。

⑵手术术中管理模块：手术术中管理模块根据参与角色主要分为护士和医生。护士主要使用护理模块和用药记录模块，用于记录护士术中、术中、术后对病人所做的检查和治疗操作。医生则使用冠状动脉造影记录等多个术种模块和影像操作模块[6]。最后根据录入的结构化数据和模板，自动生成手术经过、手术结果、术后医嘱内容，医生可在此基础上做修改。所有模块的数据都通过结构化的形式存储到数据库中，方便手术信息的二次利用。

⑶手术术后管理模块：手术术后管理模块支持通过报告模板与已经录入的结构化数据自动化生成报告，不再需要医生手动总结，并且报告的模板支持个性化定制。图3为某一冠脉造影手术记录单。患者相关的报告也会保存在系统数据库中，方便医生对患者历史检查报告进行查阅，进而了解患者既往情况，对治疗手术方案的评估和确定提供辅助诊断。

图3 冠脉造影报告模板

2.2 临床专科数据库建设

通过介入临床数据采集系统采集结构化数据，对患者的术前、术中、术后数据进行全生命周期的存储与管理，建立一个以患者为中心的心血管领域的临床专科数据库[7]。临床研究的基础是详细的临床资料，数据库的建立不仅可以满足大型临床研究对临床病例数据收集的需求，也可以为未来多因素复杂疾病和临床科研信息管理系统提供专项的信息数据平台[8]。临床专科数据库可记录数据类型如图4所示。

图4 临床专科数据库数据类型

采集的详细数据如下：

⑴患者基线信息，采集患者基线信息包括入院史、既往史、家族史、吸烟史等；

⑵介入手术信息，根据上述数据采集系统采集介入手术信息，包括冠状动脉介入、电生理、起搏器、瓣膜介入等；

⑶患者住院信息，采集患者住院信息包括检查信息、护理信息、不良事件记录、处理记录、用药记录等；

⑷术后随访信息，采集术后随访信息包括基础信息、症状描述、用药状况等。

患者及其家属可以在个人计算机、手机、平板端访问介入云中心内患者的手术信息，并依靠5G网络实时查看影像记录。此外，区域内的分院、合作医院、社区与乡镇卫生院也可通过区域介入云中心实现介入影像共享，与区域内的各医院进行更好的协作，利用互联网手段，加强患者术后管理，实现更加紧密的“医疗联合体”。

在数据安全上，从数据可用性、数据完整性、数据隐私性三个维度进行了考虑。在可用性上，为了应对突发状况，对数据进行冗余备份，以此来提高系统的可靠性；在完整性上，采用数字签名的方法，保证数据在发送过程中未作任何修改或变动，此外，医护管理人员对数据修改后，系统会有修改人员信息记录，可追溯；在隐私性上，采用严格的身份管理机制，确保只有授权的人员和共享的人员能够访问，对不同类别的用户赋予不同的权限，第三方无关人员无权进入。

2.3 介入云随访系统

该系统将实现基于区域的介入云随访系统，系统架构如图5所示，分六大模块。

图5 介入云随访系统架构图

⑴患者管理：介入科室医生从HIS 系统获取或手工登记患者信息，获取患者信息后，可对患者定制随访任务。

⑵云随访任务：医生从医院HIS获取将要进行随访的患者，根据手术及其他信息，为患者定制随访周期，之后系统将依据患者手术及出院时间给出随访任务单。医生依据随访任务，定期的在系统中给出随访问卷，供患者填写。

⑶数据云连接：根据系统生成的数据，通过服务器在云内连接，实现上下级医院和家属之间的相互连接，这样患者可以根据自身具体情况选择不同级别的医院，可以促进医疗资源更合理、更有效率的发挥作用[9]。

⑷进度管理：对患者的随访是一个长期的过程，一般持续二年及以上，因此需要对长达二年的随访周期进行管理，将其划分为比较小的时间段，分别进行管理。

⑸关怀管理：医生可以通过系统与出院患者及其家庭进行相互联系，回答患者的相关问题，对患者进行健康关怀。能有效的节约医疗资源，并降低患者的再入院率。

⑹医患交互：系统提供了医患交互功能，通过医患之间的即时通信，时刻关注患者的健康状况，并监控患者的心电数据，帮助医生把控患者的病情状况，方便对其治疗方式、药物处方等进行调整。

3 结束语

本文在建设智慧医疗的大背景下，针对心血管介入科室定制了介入云中心系统，根据临床需求完整实现了从患者登记到出院前的全流程数据管理，目前该系统已在浙江省内多家医院的心血管介入科室上线应用。对于医生和护士，该系统能够满足临床的基本工作需求，能够很好的节省数据录入和报告制作的时间，为医护人员提供便利。对于科研人员，结构化的数据管理对科研工作人员提供了极大的帮助，省去了以往对文本数据进行处理的繁琐步骤，对后续的一系列调查研究有着积极意义。对于患者和家属，能在系统上更方便的配合医生完成随访，降低再入院率，同时可随时在自己的设备上访问云中心内的手术信息，查看影像记录，做好自身的健康管理和监督。

信息化是医院发展的大势所趋，其中建设专科数据库更是有着重要意义。数据库中收集的数据经过信息系统初步处理，可将临床与科研紧密结合[10]。此外，医院的介入科室每天会产生大量的复杂数据，如果仅仅使用医院本地的服务器来管理数据会对其产生过大的压力。随着云计算技术的成熟、安全性能的提高，遵循信息化的可持续性和可扩展性原则，在介入中心信息管理上应用云服务能够解决这个问题，并且不需要对服务器进行大规模的升级和转换，能有效减少介入中心信息化建设的开支，值得各家医院推广。