作者簡介
第一作者：任曉強，男，碩士，1984年1月，高級工程師，主任，計算機科學，醫(yī)學發(fā)表論文9篇，山西省人民醫(yī)院。
通訊作者：方志遠，碩士，中國移動通信集團山西有限公司，醫(yī)療行業(yè)技術(shù)總監(jiān)。
1 引言
醫(yī)療系統(tǒng)網(wǎng)絡的“5G化”是提升5G+智慧醫(yī)療創(chuàng)新的關(guān)鍵，從2020年開始，隨著國家工信部、國家衛(wèi)健委先后下發(fā)了《關(guān)于推動5G加快發(fā)展的通知》、《關(guān)于下達2020年度衛(wèi)生健康標準項目計劃的通知》、《關(guān)于進一步加強遠程醫(yī)療網(wǎng)絡能力建設的通知》、《“十四五”全民健康信息化規(guī)劃》等重要政策文件，將開展5G+醫(yī)療健康應用試點，促進5G在衛(wèi)生健康行業(yè)的重點應用創(chuàng)新。智慧醫(yī)院的建設旨在利用信息技術(shù)提升醫(yī)療服務的質(zhì)量和效率，改善患者體驗。而5G專網(wǎng)作為一種創(chuàng)新的通信技術(shù)，具備高速、低延遲等優(yōu)勢，為智慧醫(yī)院的發(fā)展提供了良好的基礎。對于智慧醫(yī)院5G專網(wǎng)模型構(gòu)建及應用的研究，國內(nèi)外學者已取得了一定的成果。國內(nèi)方面，文獻中的研究聚焦于基于5G本地區(qū)域網(wǎng)絡的智慧醫(yī)院定位與導航系統(tǒng)，提出了相關(guān)的設計和實現(xiàn)方案。文獻則探討了融合邊緣計算的5G專網(wǎng)支撐下的遠程麻醉機器人系統(tǒng)，該研究關(guān)注了遠程醫(yī)療領域的創(chuàng)新應用。而文獻的研究內(nèi)容為融合5G與邊緣計算的智能醫(yī)療系統(tǒng)架構(gòu)，這一研究在智慧醫(yī)療領域探索了結(jié)合5G和邊緣計算技術(shù)的系統(tǒng)架構(gòu)。這些文獻提出了相應的系統(tǒng)設計和實現(xiàn)方案，并通過實驗室環(huán)境或局部應用場景進行了初步驗證。然而，目前國內(nèi)的研究還相對較少，尚處于探索階段。國外方面，文獻主要描述了一個基于5G的智能醫(yī)療系統(tǒng)框架，并提到了相關(guān)的驅(qū)動場景以及安全挑戰(zhàn)。文獻和分別關(guān)注了5G與軟件定義網(wǎng)絡以及物聯(lián)網(wǎng)在智慧醫(yī)療領域的應用。這兩篇文獻都提到了通過5G和相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)智能醫(yī)療系統(tǒng)的潛力，以及邊緣計算在智慧醫(yī)療中的作用。這些研究大多還處于理論探索和概念驗證的階段，需要進一步的研究和實踐來實現(xiàn)實際落地和商業(yè)化應用。目前國內(nèi)外相關(guān)醫(yī)療機構(gòu)等[11-15]，都重點圍繞5G+智慧醫(yī)療應用開展創(chuàng)新拓展，并取得一定的成績，例如：5G+遠程會診、5G+手術(shù)示教、5G+VR探視等。但所有的應用創(chuàng)新都是遠程輔助類，非核心業(yè)務的創(chuàng)新，同時，也產(chǎn)生了對于5G網(wǎng)絡的安全性、可靠性、以及接入方式的疑問，主要體現(xiàn)在：接入方式非5G（所有的5G+醫(yī)療應用主要采用的都是5G CPE（路由器）轉(zhuǎn)WIFI方式，醫(yī)療終端實際仍采用WIFI方式接入）、安全性存疑（絕大部分的5G+智慧醫(yī)療應用都在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，而不敢真正實現(xiàn)5G網(wǎng)絡與醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)的互通）、可靠性存疑（對于5G網(wǎng)絡連接的可靠性缺乏理論與實踐支持，可否保持7*24的穩(wěn)定運行）。隨著5G技術(shù)的不斷成熟，特別是網(wǎng)絡切片、SPN傳輸、邊緣計算、人工智能等應用在其他行業(yè)的廣泛應用，解決醫(yī)院終端“安全、可靠”的接入5G網(wǎng)絡，“高效、便捷”的訪問醫(yī)院核心業(yè)務，是真正實現(xiàn)5G“賦能”醫(yī)院的關(guān)鍵，對于推動全國的5G+智慧醫(yī)療創(chuàng)新有著重要的意義，且引領作用重大。解決醫(yī)療終端設備“高效、快捷”的依托5G網(wǎng)絡“安全、可靠”的接入醫(yī)院的核心業(yè)務系統(tǒng)，是5G 技術(shù)賦能智慧醫(yī)療的關(guān)鍵。實現(xiàn)智慧醫(yī)院的全面升級需要強大的網(wǎng)絡基礎設施支持。這就需要5G專網(wǎng)的構(gòu)建和應用，以滿足大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸、高清視頻傳輸、遠程診療等醫(yī)療需求。因此，本研究旨在探討智慧醫(yī)院與5G專網(wǎng)的融合應用，解決智慧醫(yī)院建設過程中面臨的關(guān)鍵問題，提高醫(yī)療服務質(zhì)量和效率。2 5G醫(yī)療專網(wǎng)架構(gòu)體系
2.1 5G專網(wǎng)技術(shù)概述
與4G項目，5G技術(shù)提供了更大的帶寬，可以支持更高速的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)更快的下載和上傳速度。5G網(wǎng)絡具有更低的傳輸延遲，通信時延可以降低到毫秒級別，這對實時應用如遠程手術(shù)、虛擬現(xiàn)實和自動駕駛等具有重要意義。5G技術(shù)能夠同時連接更多的設備，不僅涵蓋移動終端設備，還可連接物聯(lián)網(wǎng)設備和傳感器，為智能城市和物聯(lián)網(wǎng)提供了強大的支持。5G具備更好的網(wǎng)絡可靠性和穩(wěn)定性，通過使用多種技術(shù)手段來保證通信的高質(zhì)量和連續(xù)性，以滿足醫(yī)療等關(guān)鍵應用的需求。5G專網(wǎng)采用了一種靈活的網(wǎng)絡架構(gòu)，以滿足不同應用場景的需求，主要包括以下組成要素：核心網(wǎng)（Core Network）：負責處理用戶數(shù)據(jù)和控制信令，并提供服務管理功能。網(wǎng)絡切片（Network Slicing）：通過網(wǎng)絡切片技術(shù)；5G專網(wǎng)可以將網(wǎng)絡資源按需劃分為多個邏輯網(wǎng)絡；邊緣計算（Edge Computing）：將計算和存儲資源靠近終端設備，提供更低的延遲和更快的響應速度；Massive MIMO：利用Massive MIMO（大規(guī)模多輸入多輸出）技術(shù)來提供更好的信號覆蓋和更高的頻譜效率，支持大量同時連接的設備；虛擬化技術(shù)：通過網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）和軟件定義網(wǎng)絡（SDN），5G專網(wǎng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡資源的靈活分配和管理，提供更高的可擴展性和靈活性。通過5G專網(wǎng)的架構(gòu)和組成要素，智慧醫(yī)院可以實現(xiàn)更快速、可靠和安全的數(shù)據(jù)傳輸，提供遠程診療、遠程手術(shù)、醫(yī)療設備的遠程監(jiān)控等創(chuàng)新醫(yī)療服務，進一步提高醫(yī)療服務的效率和質(zhì)量。2.2 智慧醫(yī)院的5G專網(wǎng)模型構(gòu)建
2.2.1智慧醫(yī)院5G專網(wǎng)系統(tǒng)需求分析
智慧醫(yī)院對于5G專網(wǎng)的需求主要包括以下幾個方面：（1）網(wǎng)絡安全：智慧醫(yī)院需要5G專網(wǎng)具備高級網(wǎng)絡安全功能，以保護醫(yī)療數(shù)據(jù)和病人隱私的安全。這包括數(shù)據(jù)加密、身份認證、訪問控制等安全機制，防止未經(jīng)授權(quán)的訪問和數(shù)據(jù)泄露。（2）數(shù)據(jù)傳輸速率：智慧醫(yī)院的醫(yī)療應用需要高速的數(shù)據(jù)傳輸能力，以支持實時的醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸和處理。5G專網(wǎng)應提供低延遲和高帶寬的網(wǎng)絡連接，確保醫(yī)療數(shù)據(jù)的即時性和準確性。（3）設備連接密度：智慧醫(yī)院內(nèi)部有大量醫(yī)療設備和傳感器需要連接到5G專網(wǎng)進行數(shù)據(jù)采集和交互。因此，5G專網(wǎng)需要具備高設備連接密度的能力，以支持同時連接大量設備，滿足醫(yī)療設備的正常運行和數(shù)據(jù)采集的需求。（4）應用場景需求：智慧醫(yī)院涵蓋多種應用場景，如遠程手術(shù)、醫(yī)療設備的遠程監(jiān)控、醫(yī)療圖像的傳輸?shù)?。對于不同的應用場景?G專網(wǎng)需要滿足不同的服務質(zhì)量需求，提供低延遲、高可靠性和大帶寬等特性，以支持實時數(shù)據(jù)傳輸和處理。綜上所述，智慧醫(yī)院對于5G專網(wǎng)的需求包括網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)傳輸速率、設備連接密度等方面的要求。為了滿足這些需求，5G專網(wǎng)需要提供高級的網(wǎng)絡安全功能、低延遲高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力，并具備高設備連接密度的特性，以支持智慧醫(yī)院的各類應用場景和服務需求。2.2.2智慧醫(yī)院5G專網(wǎng)的設計和實施
基于5G專網(wǎng)的基礎上，通過超級SIM安全網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品為醫(yī)院提供醫(yī)療終端的身份認證和業(yè)務訪問能力，確保在5G醫(yī)療專網(wǎng)中實現(xiàn)讓正確的人，使用正確的終端，使用正確的權(quán)限，訪問正確的業(yè)務，獲得正確的數(shù)據(jù)，確保醫(yī)院5G專網(wǎng)服務的高效、穩(wěn)定、可靠（如圖1所示）。
圖1 5G專網(wǎng)+超級SIM安全網(wǎng)關(guān)方案示意圖
5G醫(yī)療專網(wǎng)的核心網(wǎng)與面向大網(wǎng)用戶的SA網(wǎng)絡相對獨立，采用“無線基站共用，核心網(wǎng)獨立部署，傳輸資源隔離”的方式組網(wǎng)，為醫(yī)院客戶提供一張隔離的、端到端高性能的專用接入網(wǎng)絡（如圖2所示）。為了保障用戶業(yè)務安全，通過定制數(shù)據(jù)網(wǎng)絡名稱（data network name，DNN）來區(qū)分數(shù)據(jù)網(wǎng)絡與路由隔離，保障用戶業(yè)務體驗，以及醫(yī)院用戶數(shù)據(jù)的絕對安全。
圖2 5G醫(yī)療專網(wǎng)總體組網(wǎng)
3 智慧醫(yī)院5G專網(wǎng)應用案例
3.1 醫(yī)院5G專網(wǎng)實施方案
山西省人民醫(yī)院移動終端600部，在醫(yī)院機房內(nèi)網(wǎng)區(qū)與內(nèi)網(wǎng)前置區(qū)交界的防火墻旁掛部署超級SIM安全網(wǎng)關(guān)硬件，并在外網(wǎng)前置區(qū)部署一臺代理服務器作請求轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)，與超級SIM身份認證平臺完成對接。在完成設備網(wǎng)絡對接后，方案計劃整體分為3個階段進行部署和測試。第一階段為“連通測試”階段；第二階段為“功能測試驗證”階段；第三階段為“生產(chǎn)試用”階段。各階段主要任務如下：第一階段——“連通測試”階段，主要完成超級SIM安全網(wǎng)關(guān)和上下游系統(tǒng)（如5G專網(wǎng)客戶端側(cè)、內(nèi)網(wǎng)業(yè)務系統(tǒng)側(cè)、互聯(lián)網(wǎng)出口等）網(wǎng)絡聯(lián)通、設備參數(shù)配置以及測試賬號錄入。第二階段——“功能測試驗證”階段，完成零信任安全網(wǎng)關(guān)各項功能場景（如SIM認證一鍵登錄、連接穩(wěn)定性、應用訪問、SPA端口隱藏、訪問控制、審計等）進行測試驗證。第三階段——“生產(chǎn)試用”階段，主要將醫(yī)院正式用戶分批、逐步接入安全網(wǎng)關(guān)，正式開始分批次進行接入試用。通過以上三個階段，逐步推進完善，在盡可能的減少對現(xiàn)有生產(chǎn)環(huán)境的影響的條件下，完成網(wǎng)關(guān)部署和支撐試用工作。
圖3 系統(tǒng)整體設計實施方案圖
3.2 實現(xiàn)多終端的5G改造
所有的5G+醫(yī)療應用主要采用的都是5G CPE（路由器）轉(zhuǎn)WIFI方式，醫(yī)療終端實際仍采用WIFI方式接入。通過多種形態(tài)的的5G模組（USB、PCI-E、CPE、網(wǎng)口）安裝在電腦終端，實現(xiàn)終端的5G改造，支持醫(yī)院的亞終端、電腦、PDA等。
表1 多終端5G改造
3.3 應用效果
3.3.1 性能對比
醫(yī)院傳統(tǒng)的網(wǎng)絡建設方案主要采取綜合布線+WLAN方式，將各個終端設備連接至醫(yī)院的數(shù)據(jù)中心，以滿足終端訪問內(nèi)網(wǎng)的需求。由于包括查線、布置線纜、調(diào)試交換機、線路連接等過程，不僅整體建設耗時較長，而且后續(xù)維護工作大。此外，隨著醫(yī)院移動設備的增多、覆蓋范圍的增大，內(nèi)網(wǎng)WLAN暴露出覆蓋范圍不足、補點難度大、單AP接入能力限制、易被網(wǎng)絡攻擊等眾多問題。工程實施難度大：施工穿墻布線復雜，施工難度大；覆蓋范圍不足：隨著醫(yī)院業(yè)務的不斷拓展，對于無線覆蓋范圍，不斷提出要求，受限建設之初AP點位設計的影響，對于零星需求，基本無法滿足；單AP接入能力限制：單AP的接入能力有限，隨著醫(yī)院移動業(yè)務的不斷增減，高峰期對于無線網(wǎng)絡需求不斷增加，易造成網(wǎng)絡擁塞；存在安全風險：WLAN受限于其技術(shù)的廣播特性，易通過接入側(cè)發(fā)起攻擊，存在接入的安全風險；兼容性差：不同廠家設備不兼容，更換難度大。（如表2所示），本文從速率/時延、安全、頻段、移動性、終端、部署模式、維護方式等方面對5G專網(wǎng)與傳統(tǒng)“WLAN”方式進行對比，5G專網(wǎng)方式均優(yōu)于傳統(tǒng)“WLAN”模式。
表2 5G專網(wǎng)與傳統(tǒng)“WLAN”模式性能對比
3.2.2 安全性分析
醫(yī)院5G專網(wǎng)模型在安全方面具有以下優(yōu)勢：高級加密保護：5G專網(wǎng)采用了更加強大的加密算法，提供了更高水平的數(shù)據(jù)傳輸安全性。這意味著在數(shù)據(jù)傳輸過程中，敏感信息將受到更強的保護，減少了被黑客攻擊或竊取的風險。隔離網(wǎng)絡環(huán)境：5G專網(wǎng)可以為智慧醫(yī)院建立一個獨立的網(wǎng)絡環(huán)境，與公共互聯(lián)網(wǎng)隔離開來。這種隔離可以有效地防止外部惡意攻擊和未經(jīng)授權(quán)的訪問。低延遲通信：5G專網(wǎng)的低延遲特性可以確保實時通信和數(shù)據(jù)傳輸。在醫(yī)療環(huán)境中，實時性是非常重要的，例如遠程手術(shù)、遠程會診等。低延遲通信可以提高醫(yī)療服務的效率和質(zhì)量。彈性網(wǎng)絡架構(gòu)：5G專網(wǎng)具備彈性網(wǎng)絡架構(gòu)，能夠適應高負載和大規(guī)模連接的需求。在智慧醫(yī)院中，有大量的醫(yī)療設備、傳感器和終端設備需要連接到網(wǎng)絡，5G專網(wǎng)可以提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接，并支持大規(guī)模設備的同時通信。網(wǎng)絡切片技術(shù)：5G專網(wǎng)支持網(wǎng)絡切片技術(shù)，可以將網(wǎng)絡資源按需分配給不同的應用場景和服務類型。這樣，智慧醫(yī)院可以根據(jù)實際需求，為不同的醫(yī)療應用提供專門的網(wǎng)絡切片，確保每個應用都能獲得足夠的網(wǎng)絡資源和優(yōu)質(zhì)的服務。綜上所述，智慧醫(yī)院5G專網(wǎng)模型在安全方面的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)加密保護、隔離網(wǎng)絡環(huán)境、低延遲通信、彈性網(wǎng)絡架構(gòu)和網(wǎng)絡切片技術(shù)等方面，這些優(yōu)勢可以提高醫(yī)院網(wǎng)絡安全性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/span>3.2.3 經(jīng)濟效益
以中型三甲醫(yī)院為例，采用全部建設WLAN無線模式（含三年維保費），再外加三年維保費總計六年，以六年為一個周期計算，六年期總支出約400萬元；采用5G專網(wǎng)服務方式，按照醫(yī)院600個無線終端計算，每終端租賃費為500元/年，且可按需調(diào)整，年服務費約為30萬元，六年期總費用約為180萬元；單個中型三甲醫(yī)院綜合考慮六年期可節(jié)省220余萬元左右，且不需考慮設備老化維保及報廢等因素，如廣泛應用經(jīng)濟效益會更好。3.2.4 社會效益
雖然5G賦能智慧醫(yī)療提出多年，但始終未能形成好的解決方案，本次利用5G技術(shù)解決醫(yī)院移動終端內(nèi)網(wǎng)接入，是該醫(yī)院與網(wǎng)絡通信運營商的一種創(chuàng)新嘗試，具備安全性、可靠性雙提升，具有極高的創(chuàng)新性，改變了原有wifi模式，解決了原有5G應用僅在醫(yī)療互聯(lián)網(wǎng)端的應用，對于賦能醫(yī)衛(wèi)行業(yè)，既有非常重要的社會意義。4 總結(jié)
通過本次項目的實施，山西省人民醫(yī)院及醫(yī)聯(lián)體單位完成建設試點部署，構(gòu)建一個完全依托5G網(wǎng)絡的醫(yī)療移動專網(wǎng)，實現(xiàn)智慧醫(yī)院5G專網(wǎng)無線基站共用，核心網(wǎng)獨立部署，傳輸資源隔離的新型5G專網(wǎng)模式。同時，為全國打造了具有可復制的5G+醫(yī)院場景技術(shù)方案及模式，利用5G技術(shù)，豐富醫(yī)療應用的場景，實現(xiàn)5G與醫(yī)療業(yè)務的深度融合，此模式進一步創(chuàng)新了5G在衛(wèi)生健康行業(yè)的重點應用，并可借鑒全國推廣應用。智慧醫(yī)院5G專網(wǎng)模型的未來發(fā)展將聚焦于更廣闊的網(wǎng)絡覆蓋和容量、邊緣計算與人工智能的結(jié)合、虛擬和增強現(xiàn)實應用、無線醫(yī)療設備和傳感器的發(fā)展、遠程醫(yī)療與移動醫(yī)療以及數(shù)據(jù)安全和隱私保護等方面。這些趨勢將促進智慧醫(yī)院的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提供更高質(zhì)量和便捷的醫(yī)療服務。免責聲明：轉(zhuǎn)載僅做分享，本文著作權(quán)歸原創(chuàng)者所有，如有侵權(quán)請聯(lián)系小編進行刪除。
