基于5G移动通信技术在医疗设备管理中的研究

吴风浪

西安交通大学医学院第一附属医院 网络信息部，陕西 西安 710061

引言

随着我国经济社会的不断发展，一些医疗设备管理问题浮出水面，其中以医疗数据繁杂、医疗机构之间的数据通信较落后、医疗资源分配不均等问题最具代表性。近年来，我国5G 通信技术越来越成熟，“5G+医疗”成为改革的重点工程[1]，因而研究出一个适合我国的医疗设备管理系统迫在眉睫。

目前，国内许多学者和医疗机构展开了深入的研究，也提出了很多新颖的想法和方案以应对当前问题。其中，黄心旋等[2]提出使用分解存储、服务式重构、数据交互等技术，从信息参数的存储和信息的交互技术方面进行创新，该方案虽然在很大程度上缩短了数据的回写和抽取时间，但是由于压力全部集中在计算上，会让主机计算量过大，不利于提高系统的运行效率。刘双喜等[3]提出了通过改进医疗设备相关数据的计算系统装置，实现远程医疗应用，该方案虽然能明显改进业务服务体系，但由于旧的技术架构弊端依然存在，所面临的问题也依然存在，且与时代的发展方向有偏差，通信效率滞后，因此会对医疗管理系统产生不利影响。

针对上述问题，本研究提出了利用5G 移动通信技术低时延、高可靠性的特点增强各医疗机构之间的专业互助及知识互通，实现高效处理数据和远程医疗的目的；进一步融入离群检测算法对数据参数进行高精度的计算和筛选，有效降低数据处理的计算代价和繁琐过程[4]；采用安全传输层协议（Transport Layer Security，TLS）对传输数据进行加密，提高数据传输的安全性，提高系统的处理分析能力和工作效率。

1 总体方案设计

本研究设计了一个基于5G 移动通信的医疗设备管理系统（图1），在系统内加入5G 通信技术，利用其低时延、高可靠性的特点对医疗设备相关数据的传输进行加速和处理，TLS 协议对传输数据进行加密，采用离群检测算法达到处理与整合系统数据的目的。数据的快速响应可以提高医疗效率[5]，避免给医疗设备的应用造成严重损坏，最终呈现一个具有远程医疗模块、远程问诊模块、远程会晤交流模块等简洁高效功能模块的系统。本方案旨在根据5G 通信技术快速传输的特点，实现各个地区之间的无障碍通信和远程医疗功能。

图1 医疗设备管理系统结构图

系统分为终端服务层、数据传输层、系统管理层3部分。在5G 移动通信技术全覆盖的各医疗机构之间，系统可将各个机构相互连接，并按照各机构之间不同的域名识别各个机构，使各个机构之间利用5G 高速率的数据传输能力进行远程交流并提供远程医疗帮助。系统的底层可加入多种通信方式，实现对各机构之间的多方通信支持。数据传输层的主要功能是处理和传输数据。经过离群检测算法处理之后，去除参数的非离群数据和保障数据都是离群数据[6]。现场数据和运行数据参数在传输过程中受TLS 协议保护，使患者也可进入本系统以达到远程问诊、远程急救等目的。本系统的创新点在于加入了5G 通信模块，在5G 的加持下，数据处理和反馈效率大大提高，有效缓解了由于数据繁多导致的医疗设备及数据更新压力。远程医疗功能可根据各个机构之间的实时网络状态远程传递医学知识，交流解决医学问题。数据管理器主要以保护数据档案为目的[7]，同时具有查询、修改、记录等操作功能。数据管理器对机构的档案管理主要体现在对相关数据的查询、更新等操作，也包含一些操作指令的响应。网络波动检测则是在系统运行过程中进行的，可实时检测系统传输速率，如果传输速率不能支持系统运行，则系统自动启动网络加速模块，直到网速恢复到可供系统运转为止[8]。远程视频所使用的WebRTC 技术框架如图2 所示。

图2 WebRTC技术框架功能示意图

WebRTC 技术的音频提供了比较完善的功能方案，其中不仅有相对稳定的编码解码功能和音频处理功能，还融入了混音模块和采样频率设置模块等，构成了音频处理系统。音频处理系统的主要功能是对采集到的语音数据进行处理，达到降噪、降回声、降杂声等效果，以解决远程交流过程中声音不清晰、不理想等问题[9]。

1.1 基于离群检测算法的数据处理系统

医院的数据库有着大量繁杂的数据，所以数据处理及时性问题亟待解决[10]。本系统选择使用离群检测算法实现对数据的处理，即采用动态网格划分对数据进行过滤，构建其离群数据范围以锁定检测范围，避免浪费计算时间，提高计算效率。

本研究依据所有数据的数据源密度特点对其进行网格划分和合并选择，并按照分散范围分类，再在最多的数据中进行分析，保存大概率成为离群点的数据，构建候选离群点集合。本研究将略小的权重给予过往数据，降低过往数据对算法的影响，最新的数据设为计算对象。

以Cell(C,S1,S2,nc,Oc,tla)表示划分的网格，其中C为n维数据空间的四维方体；nc为落在四维方体中的数据点的和；Oc为候选离群点的组；tla为计量单位。网格统计信息S1=[S11, …,S1n]，其中元素S1n的计算方式如公式（1）所示。

式中，ri为数据点。计算后可得到S1组的数据划分规则，进而划分出一个可靠的离群组，同时也可看出S1组的数据分布情况。S1t的计算方式如公式（2）所示。

式中，tc为当前时间St1的S1在t时刻的值。公式（ 2）表示此离群组随着时间的变化，组内离群值密度的变化情况。如果变化情况符合离群要求，则保留，若不符合，则将其划分出去，再对下一组进行筛选。更新数据在网格C的对应信息的计算方式如公式（3）所示。

nc依据数据的稠密值划分相关的数据，如果在处理医疗数据时，符合此组的要求就可以被该组接收处理并保存。数据信息的平均值和标准差的计算方式如公式（4）～（5）所示。

式中，μi为计算数据的平均值，σi为数据组的标准差。依据μi可推算出医疗数据的稳定程度和基本概况，过大表示密度值大的数据较多，过小则表示数据计算量较小。σi为用来衡量算法适用程度的值，依据σi的变化可推算管理系统与算法的融合度。

当划分的组的密度达到既定范围后，保存每个维度上的组所对应的方差和均值，进而筛选方差最大时所对应的维度，在平均值处作划分处理，再在两个新的组内分入数据[11]。

通过对所分类数据的处理整合，确保选出的数据属于离群数据，从而达到数据滤化的效果，实现降低算法的繁杂程度、节约时间、提高数据离群效率的目的。本算法模型包含统计、偏差、距离、密度等筛选和功能模块，可将本研究中医疗数据信息更准确地呈现到管理系统中，减小误差，提高效率，节约时间。

如果受网络波动影响，系统会自动启动加速器，本研究采用的DCNN 加速器是一种混合多行数据流策略的加速装置，加速模型如图3 所示。在网络受到波动影响后，DCNN 加速器可将有限的网络资源集中在重要的运行模块中，保证系统受影响较小，提高系统运行的稳定性和平衡性。

1.2 基于5G通信技术的医疗设备管理方案设计

本研究基于5G 通信技术，利用其低时延、高可靠性的特点，对与医疗设备相关数据的传输进行加速和处理，并采用TLS 协议对传输数据进行加密，将离群检测算法运用到本系统的数据处理中[12]。本系统同时加入网络波动检测模块，降低在远程访问中网络波动带来的影响，使会话保持在稳定的状态，使系统达到远程医用和远程急救的要求。系统逻辑功能如图4 所示。

图4 系统逻辑功能图

5G 网络模块可快速处理冗杂的数据信息，特别是对数据边缘的处理，需要快速响应系统信息，达成数据利用共识，提高数据处理能力，缓解系统主机压力。加入网络波动检测模块是为了确保系统能在平稳的网络环境中运行，减小网络原因对系统正常工作所产生的影响[13]。

在该系统的设计中，从各医疗机构数据的智能处理到边缘计算，离群检测算法可以将系统内数据进行分类和筛选，对原始数据的特征集合进行扫描并得到多个子区间，使新的数据构成新的集合[14]，提升检测算法的稳定性和可靠性。

2 测试结果

本试验通信网络传输速度为70 M/s。现场试验环境情况如下：半双工总线采用RS485 型；试验系统选择Windows10 专业版；CPU 采用Intel i7 9600KF；微机配置为64 G+256 G 内存；MSP430 芯片仿真使用Proteus 8.6；误差仿真采用MATLAB 2019 版本；SPECTRE软件采用INSPECTRE V1.1；VERILOG-XL 软件采用VERILOG-XL-21i。

本试验内容是记录某医疗机构某年1—10 月的远程视频次数及网络波动次数和触发网络加速模块的次数（表1），以达到完善系统不足、整理和分析冗杂数据、解决延迟问题的目的[15]。在试验中，网络检测和加速模块在网速低于50 M/s 时即可触发网络加速功能，保证系统平稳运行，期间网络波动及加速次数情况如表2 所示。

表1 远程视频次数及网络波动次数和触发网络加速模块的次数表（次）

表2 网络波动及加速次数表（次）

本系统的5G 模块为主要技术模块，在系统中起到统筹全局的效果。研究将每个模块的传输与计算情况完整记录，以验证系统的精确性，测试网络误差波动如图5 所示。本系统可同时记录多个类型的参数[16]，体现其较高的工作效率及较低的误差率和波动率。本研究采用平均异常分数衡量样本数据偏离平均值的程度，采用方差衡量数据离散程度，使用极差衡量数据的最大值和最小值差异。样本数据如表3 所示。

表3 样本数据表

图5 网络测试误差波动示意图

系统的好坏在于其是否足够稳定。正常样本的平均异常分数越大，代表系统对异常数据的区分能力越强[17]，因此应让正常样本异常分数的方差和极差变得更小，系统实验对比图如图6 所示。黄心旋等[2]研究系统中的目标特征误差主要集中在1%～5%，其中4%以上的误差较少，实验时间在5～10 h 出现4%以下的目标特征误差较多。刘双喜等[3]研究系统在实验前10 h 目标检测的特征误差在4%以下，在15 h 后的特征误差最大达到4.8%。而本系统将目标特征误差保持在2%以下，在系统运行过程中较为稳定。

图6 系统试验对比图

对误差数据信息进行计算与对比，黄心旋等[2]研究的系统误差较大；刘双喜等[3]研究的系统误差与运行时间成正比，不符合允许的范围；本文研究系统有较大的优越性，见表4。

表4 误差率测试对比表

3 讨论与结论

本文基于5G 移动通信技术设计了一个医疗设备管理系统，融合了TLS 加密协议[18]，采用了WebRTC 技术以保持视频的清晰度和远程急救的效率，并利用5G移动通信技术低时延、高可靠性的特点对医疗设备相关数据的传输进行加速和处理，达到远程医疗应用与交流的目的。以往研究均是采用信息参数存储和信息交互技术，或使用电信和信息技术服务，允许用户之间进行通信和传输医疗图像及健康信息数据，但由于许多图像处理应用程序（如卫星成像、医学成像和视频）的图像尺寸太大，无法采用医学图像/数据压缩的形式，致使通信能力滞后[19-20]。本系统加入了网络波动检测装置，在网速小于50 M/s 时自动启动DCNN 网络加速器以维持系统的高速运转，并利用离群检测算法实现对各机构产生的繁杂数据进行整合与处理，大大减轻了系统主机的压力，具有较高的工作效率及较低的误差率和波动率，但本研究系统存在相关环节功能不稳定、需要人工监控的弊端，这也是后续需要加强和改进的方向。

目前使用5G 网络的移动医疗监护系统，在当前国内公共卫生应急保障能力不充足、老龄化问题严重、医疗资源紧张和慢性病群体不断增加的形势下，能帮助居民建立个人健康档案，培养社会大众治未病、防大病的意识，方便医生根据患者的长期生理参数信息作出更加科学准确的诊断，并提供更加个性化的医疗服务。5G网络为移动医疗监护系统及其所依附的移动医疗体系提供了巨大的发展空间，未来需要依靠医工结合产生的合力以及全体医护人员的努力，为国内构建更加有效、迅速、安全的公共卫生防疫系统提供经验。