多接入邊緣計算在醫(yī)療行業(yè)中的應用

隨著5G商用時代的全面推進，邊緣計算成為助力創(chuàng)新應用服務的強力助推技術，是各互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)、設備廠商、垂直行業(yè)和運營商等競相搶占的具有新機遇和挑戰(zhàn)的領域。2018 年 4 月,《關于促進“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療健康”發(fā)展的意見》提出了促進互聯(lián)網(wǎng)與醫(yī)療健康深度融合發(fā)展的一系列政策措施，明確要求提升醫(yī)療機構基礎設施保障能力，重點支持高速寬帶網(wǎng)絡普遍覆蓋城鄉(xiāng)各級醫(yī)療機構。面向遠程醫(yī)療、醫(yī)療信息共享等需求，鼓勵電信企業(yè)向醫(yī)療機構提供優(yōu)質互聯(lián)網(wǎng)專線、虛擬專用網(wǎng)等網(wǎng)絡接入服務，推進遠程醫(yī)療專網(wǎng)建設，保障醫(yī)療相關數(shù)據(jù)傳輸服務質量，支持各醫(yī)療機構選擇使用高速率高可靠的網(wǎng)絡接入服務。

多接入邊緣計算(Multi-access Edge Computing，MEC)以網(wǎng)絡聯(lián)接能力和IT計算能力為切入點，提供豐富、低時延的邊緣應用，構建“云網(wǎng)邊端業(yè)”一體化服務能力，賦能醫(yī)療行業(yè)，有效降低傳輸時延、提升計算效率。本文針對醫(yī)療院內、院外和院間多種場景做了深入分析，為新一代智慧醫(yī)院建設提出了切合不同場景的邊緣計算解決方案。

1 需求分析

針對醫(yī)療行業(yè)在院內、院間及院外不同的5G應用場景的特點，對5G網(wǎng)絡資源需求側重點略有不同。

(1)院內數(shù)據(jù)采集監(jiān)測分析

遠程監(jiān)測類應用對通信帶寬要求不高，涉及血壓、血糖、心率和血氧飽和度等生命體征數(shù)據(jù)的傳輸，影像/檢驗設備互聯(lián)，帶寬基本上在 3 Mbps 就能滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅?秒內可下載一張CT或核磁圖片(800MB)。同時類此場景對時延要求也較低，100ms 左右的延時不會對相關治療造成影響。

(2)院外遠程操控類

遠程機器人超聲和遠程手術需要較高清畫面，需要承載為移動救護提供臨時性專用管道，保障SLA(Service Level Agreement 服務等級協(xié)議)，帶寬在 15 Mbps 甚至要達到1 Gbps 才能滿足相關的操作要求。在整個操作過程中需要實時同步才能確保操作的安全性，因此對時延要求通常在 5 ms 以內。在遠程手術過程中，需要同時連接生命監(jiān)測儀、心電圖機、除顫監(jiān)護儀、高清視頻設備等，連接主體數(shù)量較多。

此外，醫(yī)療數(shù)據(jù)安全關系患者隱私、技術研發(fā)等重要、敏感領域，一旦發(fā)生數(shù)據(jù)泄露將對患者群體、社會穩(wěn)定乃至國家安全造成嚴重影響，因此需要醫(yī)療業(yè)務與公眾上網(wǎng)業(yè)務隔離，醫(yī)療數(shù)據(jù)不出醫(yī)院。對于物聯(lián)網(wǎng)終端設備的接入，需出具接入認證方案以避免外界設備的入侵。醫(yī)院業(yè)務系統(tǒng)通過 5G 網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡交互時，端到端數(shù)據(jù)流需要進行靜態(tài)或者動態(tài)加密，并且具備防 DDoS 攻擊等安全防護措施。

(3)院間遠程會診和指導類

遠程醫(yī)學示教平臺和 5G 遠程音視頻云會診平臺解決方案等涉及到生化分析結果、影像檢查結果和電子病歷等大量資料的傳輸，對網(wǎng)絡帶寬要求通常在 3-15 Mbps 之間。在遠程會診和 VR/AR 等虛擬示教培訓場景，需要較低時延才能提高會診效率和培訓效果，其延時需要在20-100 ms。因涉及到檢查檢驗資料、影像科等部門，同時還要連接患者、護士、基層醫(yī)生和專家等群體，連接數(shù)據(jù)相對較多。

2 醫(yī)療行業(yè)MEC方案設計

針對上述需求，多接入邊緣計算技術為醫(yī)院院內、院間、院外提供定制化、差異化、高性能的無線通信服務，主要有兩種下沉方式：

第一種是針對單院區(qū)或小型醫(yī)院，下沉到醫(yī)院本地機房，適用于流量本地卸載，不出院區(qū)需求;

第二種是為跨院區(qū)建設專屬MEC方案，為各分院的醫(yī)療業(yè)務提供用戶面接入服務，達到醫(yī)院業(yè)務數(shù)據(jù)不上運營商公網(wǎng)效果，可以部署在總院中心機房或者運營商核心機房。

2.1 中小型醫(yī)院

對于單院區(qū)或中小型醫(yī)院，考慮到業(yè)務量有限，可把醫(yī)院的基站匯聚至一套MEC設備(UPF網(wǎng)元下沉的硬件設備+MEC平臺部署服務器)，對醫(yī)療業(yè)務進行本地分流，組網(wǎng)方案如圖1所示。

醫(yī)院傳感器、采集設備、攝像頭采集傳輸：通過5G基站覆蓋醫(yī)院，通過數(shù)據(jù)終端將醫(yī)院傳感器、數(shù)據(jù)采集設備、監(jiān)控設備等生成設備的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?G基站，再通過下沉部署在院區(qū)的UPF(User Port Function，5G核心網(wǎng)網(wǎng)元之一，下沉UPF是MEC的一種實現(xiàn)方式)傳輸?shù)街锌厥遥瓿稍O備數(shù)據(jù)監(jiān)控、分析和存儲等。

高危等環(huán)境惡劣區(qū)域高清視頻監(jiān)控：通過高清攝像頭實時記錄醫(yī)院等區(qū)域情況，再通過CPE(Customer Premise Equipment，接收移動信號并以無線Wi-Fi信號轉發(fā)出來的移動信號接入設備)到 5G基站，經(jīng)由MEC設備到中控室的高清顯示屏，完成實時高清監(jiān)控，配合基于AI的視頻分析技術，識別危險事件，第一時間告警。

數(shù)據(jù)經(jīng)由部署在院區(qū)的MEC設備進行交換，不出園區(qū)，保障數(shù)據(jù)安全。組網(wǎng)上，在5G通用的應用方案上根據(jù)醫(yī)療設備通信的特性，增加L2TP(Layer Two Tunneling Protocol，一種工業(yè)標準的Internet隧道協(xié)議)隧道3GPP R16應用后，通過5G LAN(Local Area Network)特性完成二層交互。將MEC設備設置在醫(yī)療機構的邊緣機房中，統(tǒng)一接入運營商的5GCSA(Standalone，獨立組網(wǎng))網(wǎng)絡中進行管理和信令接續(xù)。

公網(wǎng)用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)時，經(jīng)5GC識別后，由公網(wǎng)UPF直接送至互聯(lián)網(wǎng)，不經(jīng)過醫(yī)療機構的MEC(UPF)(如圖2線路①所示)。醫(yī)療機構的終端PLC(Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器)及其現(xiàn)有連接的OPC(OLE for Process Control)服務器，由CPE進行到5G NR(5G New Radio)基站的無線連接。

醫(yī)療機構場景的業(yè)務數(shù)據(jù)流經(jīng)本地UPF設備分流后，需要MEC平臺處理的業(yè)務數(shù)據(jù)在邊緣云平臺進行近端實時處理，與監(jiān)控/數(shù)據(jù)中心相關的業(yè)務數(shù)據(jù)送至醫(yī)院企業(yè)內網(wǎng)(如圖2線路③所示)，保證醫(yī)院信息不主動出園區(qū)。不排除終端需訪問互聯(lián)網(wǎng)需求時，數(shù)據(jù)由MEC平臺UPF設備轉發(fā)到運營商主錨點UPF，通過主錨點UPF傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)(如圖2線路②所示)。

2.2 大型醫(yī)院

針對具有多院區(qū)且院區(qū)分散、物理距離較遠的大型醫(yī)院，可分別在不同位置的院區(qū)機房建設專享的MEC資源池，并構建統(tǒng)一的運營平臺，對多個地域分布的MEC進行整體調度和統(tǒng)一管理，在業(yè)務層面實現(xiàn)“一點開通，全院復制”，設計方案如圖3所示。

圖 3 大型醫(yī)院 MEC 方案

根據(jù)ETSI相關標準，一般情況下MEC整體架構為全網(wǎng)中心節(jié)點、區(qū)域中心、邊緣節(jié)點三大層級。全網(wǎng)中心節(jié)點部署集約化的邊緣業(yè)務運營平臺，對外提供開放接口供開發(fā)者及客戶上傳業(yè)務能力和應用，實現(xiàn)全網(wǎng)邊緣業(yè)務應用的編排和管理。區(qū)域節(jié)點將部署MEPM(Computing Platform Manager，多接入邊緣平臺管理器)、MEP(Multi-Access Edge Computing Platform，多接入邊緣節(jié)點協(xié)同平臺)等系統(tǒng)及網(wǎng)元，負責該節(jié)點區(qū)域/省內所有邊緣節(jié)點的IaaS虛擬化資源管理、MEP接入?yún)f(xié)同平臺、節(jié)點業(yè)務管理等功能。邊緣節(jié)點承載具體業(yè)務應用。正是這樣的架構實現(xiàn)全網(wǎng)統(tǒng)一管控、統(tǒng)一運維，輔助跨域多院區(qū)醫(yī)院網(wǎng)絡互聯(lián)和業(yè)務協(xié)同。

一方面，可通過集約化的運營平臺統(tǒng)一下發(fā)應用，實現(xiàn)業(yè)務在邊緣側上快速部署，多省多局址MEC業(yè)務同步交付上線;另一方面，為醫(yī)院構建了高速率、低時延、大帶寬的5G MEC網(wǎng)絡，可幫助醫(yī)院實現(xiàn)各院區(qū)網(wǎng)絡部署一體化、醫(yī)療設備數(shù)字化、操作標準化和智能化的數(shù)字化轉型目標。

3 醫(yī)療行業(yè)MEC能力及優(yōu)勢

3.1 邊緣計算能力

5G邊緣計算方案落地后，依賴其IT能力、自服務能力等可以為醫(yī)療行業(yè)客戶提供優(yōu)質的數(shù)據(jù)連接服務，同時基于MEC為客戶提供一個底層應用平 臺，支撐醫(yī)院各種業(yè)務，助力醫(yī)院實現(xiàn)智能化、信息化。

(1)邊緣基礎能力

邊緣基礎能力是“5G邊緣入口”的核心能力，提供CT核心邊緣能力、IT基礎資源能力和云邊協(xié)同能力。通過UPF下沉至運營商邊緣機房或用戶側機房，實現(xiàn)分組路由、轉發(fā)、包檢測、策略執(zhí)行、流量統(tǒng)計及計費報告生成等功能;通過UPF與 MEP之間的網(wǎng)業(yè)協(xié)同接口MP2，提供邊緣分流配置、RNIS、帶寬管理、黑白名單配置等個性化CT-VAS服務;通過算力部署到靠近客戶的網(wǎng)絡環(huán)境，實現(xiàn)更低延時、更大帶寬的邊緣算力、增值能力和行業(yè)應用，賦能不同行業(yè)。

分流功能：平臺支持將特定業(yè)務流路由至某個邊緣計算應用或者邊緣服務，支持與核心網(wǎng)控制面交互，在邊緣應用正常運行后設置分流規(guī)則，在邊緣應用終結后刪除分流規(guī)則，可隨時調整分流規(guī)則。平臺提供DNS本地重定向和局部DNS域名解析服務能力，支持對集成到邊緣計算平臺的應用域名的添加、刪除、查詢等操作。提供添加/刪除應用域名的API接口，供邊緣計算平臺實例化/創(chuàng)建應用和終結應用時調用。

接口功能：邊緣計算平臺嚴格遵照ETSI的標準規(guī)范進行架構設計、技術開發(fā)、代碼實現(xiàn)，符合ETSI MEC的API接口規(guī)范，按照ETSI官方規(guī)范標準暴露接口。

服務分發(fā)：兼容宏服務和微服務的API網(wǎng)關，支持將某個應用實例的API向外暴露、封裝成CT增值服務或者IT增值服務，供其他應用訂閱。

鑒權計量：鑒權;面對UE(本地DN外部)和 APP(本地DN內部)的兩種訪問場景，對于APP類型的訪問，API網(wǎng)關的鑒權策略，可以通過為APP增加一個訪問令牌(User Access Token)的方式進行鑒權，需要根據(jù)UE的ID實現(xiàn)共同鑒權。邊緣場景除了一般服務訪問的統(tǒng)計之外，邊緣API網(wǎng)關和BSS的用戶計費策略結合，實現(xiàn)訪問次數(shù)的限制，同時增強了在發(fā)生API DDoS攻擊時啟用熔斷策略的能力。

終端管理：提供邊緣設備終端管理能力，支持終端設備錄入、檢索和刪除的功能，通過IMSI/MSISDN/SUPI/GPSI標識，實現(xiàn)終端鑒權和黑白名單策略管理，支持根據(jù)IP標識，實現(xiàn)ACL網(wǎng)絡訪問控制策略管理。

云邊協(xié)同：支持和企業(yè)私有云、行業(yè)產業(yè)云、互聯(lián)網(wǎng)公有云協(xié)同接口，配合集成服務，實現(xiàn)計算、網(wǎng)絡、存儲、平臺能力和生態(tài)應用的整合。

(2)邊緣平臺能力

除基礎分流能力外，邊緣計算為醫(yī)療行業(yè)提供增值能力、應用能力及客戶自服務能力。邊緣增值能力圍繞基礎能力，是構建“云、管、邊、端、業(yè)”體系的重要組成部分，提供CT(Communication Technology，通信技術)側和IT側的增值能力。CT側增值能力包括基于5G網(wǎng)絡的無線帶寬管理、流量深度解析、UE標識等基礎能力之上的延伸能力，IT側增值能力包括AI、視頻編解碼、IoTPaaS等通用IT平臺能力。并可根據(jù)不同醫(yī)療場景的需求，提供特色的應用能力。客戶自助服務能力包括自助分流管理、網(wǎng)絡狀態(tài)自監(jiān)控、應用自部署/自維護和多院區(qū)協(xié)同管理等能力，可有效提升客戶體驗、提升差異化服務能力、提升行業(yè)融合能力。

(1)構建醫(yī)療專網(wǎng)：5G MEC標準版/極簡版是構建5G獨立專網(wǎng)和混合專網(wǎng)的必選產品，可與SMF/AMF 核心網(wǎng)網(wǎng)元共平臺部署，實現(xiàn)插電即用，為醫(yī)療行業(yè)提供定制化網(wǎng)絡配置。

(2)支持云邊協(xié)同：5G MEC具備原生云網(wǎng)能力， 支持與企業(yè)私有云、行業(yè)產業(yè)云、互聯(lián)網(wǎng)公有云的云間協(xié)同，整合計算、網(wǎng)絡、存儲、平臺和應用，賦能垂直行業(yè)，實現(xiàn)高效無極化邊業(yè)協(xié)同。

(3)支持多院區(qū)互聯(lián)：5G MEC產品可與云聯(lián)網(wǎng)、云專線、SD-WAN等產品組合，實現(xiàn)大型醫(yī)院跨域多院區(qū)網(wǎng)絡互聯(lián)和業(yè)務協(xié)同，提供云網(wǎng)融合一體化綜合解決方案。

(4)支持客戶自服務：私有化部署時，通過5G“MEC+專網(wǎng)”融合自服務平臺，提供自助分流管理、 網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)控、網(wǎng)絡自配置、應用自部署、自助維護及多院區(qū)協(xié)同管理等能力。

(5)提供高質量安全保障服務：提供接入層、匯 聚層、核心層分層等級安全保護，提供從應用開發(fā)、發(fā)布到上線、維護的全生命周期防護。

3.2 MEC優(yōu)勢

基于“5G+MEC”可實現(xiàn)院內、院間、院外的不同應用場景，完成醫(yī)療業(yè)務與公眾上網(wǎng)業(yè)務隔離，醫(yī)療數(shù)據(jù)不出醫(yī)院，院間醫(yī)療業(yè)務與公網(wǎng)隔離。5G的低時延、高帶寬特性結合MEC平臺的分流功能，實現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的本地分流，保障了數(shù)據(jù)的低時延和安全私密性，實現(xiàn)音視頻業(yè)務時延<50ms，遠程超聲等控制類業(yè)務時延<20ms，音視頻+移動醫(yī)療設備數(shù)據(jù)回傳時延<50ms，還可根據(jù)對不同業(yè)務流安全隔離的要求，“5G+MEC”的基礎 上結合切片技術為醫(yī)療機構構建業(yè)務粒度級別的醫(yī) 療行業(yè)專網(wǎng)。優(yōu)勢如下：

(1)高安全性：依托MEC下沉，保障醫(yī)療數(shù)據(jù)不出院區(qū)，在標準、設備、部署三個層面保障數(shù)據(jù)物理上的安全。

(2)高可靠性：擁有電信級99.99%可靠性保障。

(3)高性能：支持高達2.7G的下載速率、低至1ms的時延、100萬/平方公里的連接數(shù)，支持5G SA架構，支持后續(xù)3GPP標準協(xié)議演進。

(4)應用豐富：邊緣計算平臺提供軟硬件一體化 的產品，并提供基礎平臺和增值服務，支撐醫(yī)院自有應用和第三方應用基于5G醫(yī)療專網(wǎng)部署。

4 結語

隨著5G網(wǎng)絡的大規(guī)模商用，“5G+醫(yī)療健康”的應用試驗已經(jīng)在部分醫(yī)院開展。5G MEC可以滿足醫(yī)院不同業(yè)務場景的網(wǎng)絡需求，包括遠程診斷、遠程會診、專家遠程查房、遠程示教、智慧急救、導航定位、遠程機器人超聲、遠程機器人手術和醫(yī)療設備無線監(jiān)測等，并可以保證醫(yī)院業(yè)務獨立和隔離，提高業(yè)務實時性、可靠性和安全性，助力智慧醫(yī)療產生巨大的社會效益。

文章名稱：多接入邊緣計算在醫(yī)療行業(yè)中的應用
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