5G医学数字影像服务平台建设方案

基于5G传输与云计算的

一脉阳光医学影像诊断中心

医学数字影像服务平台建设方案中国联合网络通信有限公司南昌市分公司（一） 项目概述为使一脉阳光医学影像云平台真正成为南昌一脉阳光医学影像诊断中心及一脉阳光分布全国的其他各级医疗机构进行常态化的沟通会诊和教育培训手段，并建立完善的集团化医联体内远程影像医疗服务标准化规范体系，促进优质医疗资源合理分配，实现各级医疗服务、医疗保障和公共卫生服务的信息共享与业务协同。江西一脉阳光医学咨询有限公司与中国联合网络通信有限公司南昌市分公司联合研发基于5G传输与云计算的医学数字影像服务平台，并在南昌一脉阳光医学影像诊断中心落地实施。这将使南昌一脉阳光医学影像诊断中心打造为全国型示范项目，让江西的广大人民群众享受到世界领先的医疗服务水平，开创江西5G移动互联网+医疗服务的新时代。5G移动网络研究定义了三大应用场景，即eMBB、MTC和uRLLCo而本项目主要使用5GeMBB无线云网络传输技术，其髙达lOGbps的传输速率，为医疗用户提供基于多个公有云部署的云RIS系统、高级三维影像后重建服务、5G远程视频会诊/二次专家诊断/诊断托管服务、医疗VR/AR影像教学及AI影像自动化识别测量等诊断及临床业务体验。（二） 、项目实施的创新性与先进性：江西一脉阳光医学咨询有限公司提出的基于5G传输与云计算的医学数字影像服务平台建设是全国乃至全球首创的。其将基于分布式GPU通用计算的医学影像云服务平台与高达lOGbps的传输速率的5GeMBB无线云网络传输技术的融合应用部署，一脉阳光已与拥有世界最先进医学影像算法的技术公司（世界500强）合作，为南昌一脉阳光医学影像诊断中心提供世界最先进的基于B/S架构的三维云PACS系统，可选择性的在后台自动整合前处理任务，提供分布式计算和并行处理能力。自动对传输到三维云PACS的DICOM数据完成如去骨，心脏解剖结构分割和结肠成像等任务。公有云计算完成后处理数据可以通过前置服务器自动传送到设定的PACS和其它DICOM设备，并确保保存的后处理数据或原始数据自动传回PACS以保证与PACS的无缝链接。可激活医院RIS系统/PACS工作列表以连接三维云PACS系统，直接在PACS界面运行三维后处理程序。通过RIS/PACS的高效报告流程不仅可以快速查找标记为报告的关键图像，而且可将图像拷贝、复制或输出到其它PC程序。独一无二的“智能压缩”可以在图像更新时任意压缩数据以提高数度，同时以全保真状态显示静态图像。即使在低带宽的状态下快速更新显示图像，这项功能也可以保证读片时图像的全保真度。当数据压缩时，用户可见提示。为满足医院信息系统7x24小时业务连续性要求，医院PACS系统等核心业务系统，在公有云平台上实现双活容灾存储保护与应用，确保业务数据安全存储，提升业务连续性并满足医院三级等保的要求。容灾存储需采用简单可靠、易于部署和管理、便于扩展和升级的IT基础架构，以及业务迁移、数据中心整合的专业服务，为医院提供更好的数据应用。而通过NB-IOT的接入，100%融合医疗影像工作站，支持多远程终端，兼容PACS系统，提供七大人工智能组件：肺结节智能分析、支气管智能分析、结肠智能分析、核医学MDT智能分析、肝分段智能分析、脑卒中智能分析、骨骼系统智能分析，能够实现自动检出，勾画和测量。联通5G技术的成熟与落地将进一步助力VR设备在医疗影像领域的落地实施。在培训专家的远程或现场指导下，VR显示系统，3D打印，AR辅助导航系统可以辅助进行相关的医学治疗。同时，手术虚拟示教培训成为医院提升青年医生技能的重要手段，提升医院的综合实力。我们解决的关键问题和创新之处：1、 面向系统资源管理，与医院业务深度结合。解决了传统医疗影像云系统完全依靠系统管理员实现资源管理的弊端，真正实现面向系统的资源管理，并结合医院流程业务，打造专属于医院的特色业务流。2、 打破厂家技术壁垒，实现业务系统自由组合。产品支持自主研发的U-sphere平台，并支持vmware、华为fushionsphere等多种架构，打破了厂家的技术壁垒，实现多平台业务系统的自由组合。3、打造系统安全框架，快速通过等保评级。产品以等保三级测评内容为基础，通过系统自身健康型检查方式，定时进行系统安全性评估，以满足等保需求，协助等保测评企业快速通过等保测评。4、 高效整合系统资源，实现实体虚拟设备统一管理产品解决了以往云平台无法管理物理机的弊端，高效整合已有和新建的系统资源，实现了实体设备和虚拟化设备的整体统一管理。5、 项目提供高级可视化云PACS平台、完美针对医疗影像行业的医师人力不足、操作步骤繁琐、移动会诊阅片难等问题。可为放射医师提供任意地点可视化阅片，查看患者全部历史检查，统一的云端3D/4DX作区，专业的AI影像诊断，提供基于5G传输的无延时远程会诊服务。6、 解决医用AR/VR数据传输数据延时及带宽不足问题。5GeMBB云无线接入的速率一般都在lGbps,高峰值甚至可以达到lOGbps,而其时延通常在10ms以内，能够很好地满足AR手术培训要求，营造高度沉浸式体验环境。7、 利用GPU公有云的并行计算，研发基于分布式医学影像后重建引擎及云PACS系统，其中影像人工智能多模态融合配准及分割算法，制作适用于虚拟现实场景应用的教学典型及复杂病案资料库，由此搭建包含典型病案、疑难病案和复杂病案的定制化真实病案资源库。搭建真实病案培训基地,与临床技能培训中心的其余培训工具和软件相互配合，实现全面的临床思维和临床技能培训。并可辅助实现术前的VR病案分析和讨论，辅助临床制定手术计划等治疗决策。、项目实施的可推广性示范意义：为响应国家分级诊疗的政策，进一步服务广大民众，改善区域分级诊疗工作的服务流程，提高转诊效率与质量，引导患者合理就医，切实减少医疗费用支出，逐步建立基层首诊、双向转诊、急慢分治、上下联动的分级诊疗模式。以区域分级诊疗服务平台为基础，通过大力发展分级、分工的医疗协同服务模式，逐步引导优质医疗资源与群众医疗需求的共同下沉，从而实现医疗资源的最大化利用，最终达成“健康进家庭，小病在基层，大病到医院，康复回基层”的宏观医改愿景。江西一脉阳光医学咨询有限公司与中国联合网络通信有限公司南昌市分公司联合研发基于5G传输与云计算的医学数字影像服务平台，在南昌一脉阳光医学影像诊断中心落地实施后将使南昌一脉阳光医学影像诊断中心打造成为为全国型示范项目，让江西的广大人民群众享受到世界领先的医疗服务水平，开创江西5G移动互联网+医疗服务的新时代。推广价值对卫计委的价值0实现卫生医疗资源的高效利用由于医疗资源分配不均衡，尤其是基层医疗机构资源比较匮乏，基层单位可通过远程医疗平台共享大医院的资源，髙效利用卫生医疗资源，有助于提升基层医疗机构的服务能力和水平。0优化服务理念，提升管理水平平台为卫生行政主管部门提供了全面的数据监控与分析工具。将各类诊疗数据进行汇总，通过后台数据分析，为卫生行政主管部门的医疗卫生管理提供决策支持，能够对各个基层医疗机构的远程会诊、专家诊断等信息进行实时监督,对医疗资源采取合理调配。对医院的价值0提髙医院的医疗诊断水平通过专家会诊过程，医生可以学习专家诊断资料的经验,同时向专家提出各种疑难解答，而专家在会诊过程中的思路、言行都将给基层医院医师拓宽诊疗思路、规范诊疗程序，对获取最新医疗信息和诊疗技巧带来莫大的帮助。0整合医院间资源，降低运营成本，减轻医院住院压力医院减轻就诊压力后，可以减少院内运营成本、住院资源压力，实现资源整合，帮助打造紧密型医联体。0增强医院影响力，扩大辐射范围大医院专家可以通过远程医疗平台帮助基层医疗卫生机构的医生提升医疗水平，扩大相关医院在专业上的影响力与辐射范围。对患者的价值0节约时间，跨区域及时接受名医诊治，降低病人病情恶化的风险现实情况下，组织联合门诊、专家会诊时，需提前向各位专家预约时间，确定时间，安排好出差行程，耗费大量的时间和精力。而对于病情严重的病人来说，时间就是生命,病人随着时间的流逝随时存在病情恶化的可能。上级医院远程医疗系统降低了这种可能性，为病人的病情稳定争取了时间。患者可以享受远程联合门诊、远程MDT多学科联合会诊以及专科会诊(影像会诊、病理会诊、心电会诊)的便捷性。0免除病人的奔波之苦对于条件有限的医院，如不能及时诊断病情，就需要对病人进行转院处理，而很多情况下，病人的病情经不起转院的奔波劳累。远程医疗系统可以助力预防、治疗、康复的三者联动，缓解病人转院的迫切性，患者可以在上级医院中心进行重难疾病的治疗，在下医院进行常见病的诊断、治疗、预防及康复。推广范围：本项目充分利用5G技术、大数据、云计算及现代医疗技术，统筹规划、立足长远，分步构建覆盖“省-市-县-镇-村”五级医疗机构、“省市一县一镇村”三层应用模式的全省远程医疗服务体系。汇集利用全省各种类型的优质医疗服务资源,创新远程医疗服务模式，实现跨地域、分层次的远程医疗服务，创新远程医疗运营管理机制，将优质医疗资源服务辐射到基层医疗卫生机构，提升基层医疗服务能力。结合多种形式的医联体模式，实现远程医疗中心与远程医疗点间的远程会诊、远程诊断、远程重症监护、远程门诊、远程教育等功能，使申请医院与专家医院间的各类远程医疗业务能够正常有序开展。同时远程医疗平台系统具备扩展应用的能力，包括后续专家资源与基层医疗机构的扩充、远程医疗服务模式的业务扩展。三、项目实施现状（一）项目实施主体及适用场景实施主体：江西一脉阳光医学咨询有限公司中国联通网络通讯有限公司南昌市分公司南昌一脉阳光南昌医学影像诊断中心适用场景：基于本项目的验证目标是部署在多个公有云平台上的医疗影像核心应用服务如何利用联通先进5GC/PEC融合核心网传输及先进的多云化管理软件，为南昌一脉阳光医学影像诊断中心提供高并发的分布式高级三维影像后处理云服务及4G+/5G患者数字影像综合服务。（二）项目方案及实施情况：基于本项目的验证目标是部署在多个公有云平台上的医疗影像核心应用服务如何利用联通先进的5GC/PEC融合核心网传输及先进的多云化管理软件，为南昌一脉阳光医学影像诊断中心提供高并发的分布式髙级三维影像后处理云服务及4G+/5G患者数字影像综合服务。本项目在总体研究上使用系统分析法，以医学数字影像服务平台的整体效能最优为目标，对系统的各个关键目标例如基于公有云的超大规模GPU并行计算、多云敏捷管理、5G无线接入网NG-RAN的eMBB业务部署进行科学的定性和定量分析，并综合利用多种实验方法进行多步骤的效能分析和评估，并以此提供效能最优和最佳可行性的系统工程方案，对基于5G传输和云计算的医学数字影像服务平台科研项目探索出一条可落地的商业化解决方案。在本项目上使用的主要工程实验方法为性能试验、中间试验及对比试验，综合运用这些试验方法，测试出基于公有云平台的医学影像5G传输应用服务的本身优缺点，及其相对于基于虚拟化私有云和FTTB/FTTD光纤专用接入网进行医学数字影像传输与应用服务的优劣势。在本项目上使用的主要工程评估方法为多目标评估法，根据上述确定的3个科研关键目标，提出两个或两个以上的可行方案，并根据与联通及华为相关部门共同制定的评价准则，借助上述总体研究方法及试验方法，用系统论的观点对比各种评价方案，基于效费比权衡各个评价方案的利弊得失，进行优选评比，选择出技术上先进、经济上合理、现实中可行的最佳工程方案组织实施，并根据实际方案实施的反馈情况对方案进行闭环修正控制。在本项目的技术路线上，因关键技术的落脚点分别为5G传输和云计算上，所以本项目初步选择的核心技术路线为①MEC多接入边缘计算、②应用服务的多云化管理及③5G的H-CRAN异构云无线接入网络部署。MEC多接入边缘计算技术应用解释：多接入边缘计算(MEC)可以将云三维影像PACS中的密集型GPU并行通用计算任务迁移到附近的网络边缘服务器，以降低5G核心网和无线接入网的拥塞与负担，减缓网络带宽压力，实现低时延高带宽，提高数据处理效率，能够快速响应影像科用户的三维后重建请求并提升服务质量；同时通过网络能力开放，医学影像应用还能实时调用访问dicom3.0医疗数字影像数据，有助于应用体验的提升。无线连接主要是应用于一些对网络服务质量要求不是特别严格的应用。公有云核心服务器的NC(NumberControl)设备通过SIM卡进行通讯，要求NC设备可以使用运营商的SIM卡，并利用无线信号放大器进行信号的增强，在边缘云处（可设置在医院信息科机房小型服务器集群）利用MEC设备将蜂窝数据信号转化为以太网信号，MEC部署时需要利用主备架构，即部署两台MEC设备，一台active,一台standby。在边缘处的部署于AnimbusEdge上的虚拟机进行三维后重建的计算处理，边缘处利用AnimbusEdge平台虚拟化技术保障边缘云的虚拟机高可用、安全性和整体的网络稳定性。如果边缘处无法满足计算的需求，那么通过中心云进行处理，中心云利用增强版的OpenStackAnimbusEdge提供更强大的服务能力，由于中心云具备大量的计算资源和存储资源，将满足应用的计算需求。应用服务的多云化管理技术应用解释：因为本科研项目的不同应用特殊性，可能会在多个公有云平台上分别开发部署，所以存在云平台厂家之间互不兼容，难以整合的问题。有鉴于此，我们利用CloudOSS产品来兼容管理业界主流的云计算平台，并利用中国联通自主研发U-sphere云管理软件，整合集成端到端监控，自动化运维等功能模块，真正做到“多云化管理”，让不同公有云的应用和数据资源整合共享。并可整合openstack/vmware等主流云平台架构，对系统资源进行有效管理。接入zabbix/syslog等主流监控平台，实时对平台现状进行有效监控最重要的是可接入一脉阳光的云RIS/PACS平台，对患者提交的检查预约登记、自助干式胶片打印申请、云胶片调阅等请求实现自动化及人工处理。H-CRAN异构云无线接入网络部署技术解释：H-CRAN结合了异构网络HetNet和C-RAN的各自优点。H-CRAN中的BBU池和已有的大功率节点HPN相连，可以充分利用3G和4G等蜂窝网络的宏基站实现无缝覆盖，且实现控制和业务平面功能分离。通过在医院布置高密集的低功率节点（小型基站）等，异构无线网络可以大幅度提高蜂窝通信系统的容量以及覆盖率。HPN用于全网的控制信息分发，把集中控制云功能模块从BBU池剥离出来。RRH用于满足热点区域海量数据业务的高速传输需求。为保障4G系统的后向兼容性，把宏基站引入C-RAN,将构成异构云接入网络（H-CRANs）oH-CRAN的提出可以充分发挥HetNets与C-RANs的优势。同时，基于云计算的处理性能也可以解决HetNets中存在的问题。与C-RAN最大的不同之处在于，H-CRAN中的BBU池与宏基站通过S1和X2接口连接，这样，H-CRAN中RRHs间的干扰在BBU池消除，RRHs与宏基站间的干扰可通过X2接口由基于云计算的协作资源管理技术（CC-CRRM）进行消除。此外，这还可以实现系统控制信息与业务信息的分离。所有的控制信令以及系统广播数据均由宏基站发送给用户，突发业务以

及即时消息等低速率数据信息也由宏基站承载。RRHs主要负责高速率业务，同时RRHs还可以根据业务量的多少在BBU池的允许下进入激活或者休眠状态。项目计划进度:起止时间主要内容2019年6月一2019年12月确定项目组成员，明确人员职责讨论并确定实施计划调研并确定医技科室应用流程，完成数据流程文档整理医技科室基本资料，如人员、权限、检查方法、报告格式网络布线确定IP地址分配策略确定服务器及客户端安全策略联通4G+EPC升级联通5GC部署概念验证。EPC的NSA和CUPS升级功能验证2020年1月一202年6月一脉云PACS服务器安装BiglP配置LoadBalance测试WEB云服务器安装RIS安装、RIS功能测试

6.RIS备份测试7.联通NFV平台解耦方案实施&联通5GC新功能特性和接口协议验证。9.基于对EPC和5GC验证结果的评估,确定云平台选型方案。2020年7月一2020年12月完成各设备DICOMStorage厂家及Worklist配置、连接完整测试系统流程：所有大设备worklist测试Ra600和Ris工作站测试Ris登记，Ris报告全部功能测试WebandWebWebreport功能测试EPC先期启动面向规模组网的NSA和CUPS功能升级，实现网络功能云化，承接eMBB业务。5GC在试验网阶段，重点开展不同应用场景下架构、功能和性能验证。MME和AMF间N26接口互操作功能验证。2021年1月一2021年6月启动5GHTTP信令网方案论证和组网建设启动5GC规模组网，引导eMBB业务向5G核心网分流验证EPC/5GC.物理/虚拟化设备的混合组池和功能合设方案。录入医技科室基本资料，系统调教与各医技科室操作教育培训系统管理员培训临床WEB应用培训形成集成方案及登记收费模块方案和文档完成登记、收费集成模块的开发收集场地信息，完成验收文档验收准备验收系统并签收项目成果：成果一：基于影像数据共享的分级诊疗利用5G通信网络系统，邀请方医疗机构通过向受邀方医疗机构提供病患临床病历及放射检查数字影像，由受邀方出具诊断报告。包括远程影像诊断、远程超声诊断、远程病理诊断等。远程诊断中CR、DR、MRI等影像资料和B超资料的通信速率要求在13Mbps,5G的传输速率能够达到lGbps,能够以更高上传和下载速率为数据传输带来便利性和准确性。5G的髙可靠性还能保证在院外传输医疗数据，避免出现被盗取的危险，保护患者的隐私安全。成果二：5G远程医疗协作借助5G通信网络，邀请方和受邀方通过远程视频系统共享医学资料，对患者的病情进行会诊诊治。远程会诊需要通过远程医疗平台实时上传患者的影像报告、血液分析报告、电子病历等数据，专家从远程医疗平台实时下载查看相关资料，为基层医生提供诊断指导。远程会诊过程中，主要涉及到髙清视频通话和资料共享。在现有网络条件下，可以配置1080P的高清视频设备。5G能为基层医生、专家、患者之间进行超高清视频通话，移动影像阅片等提供技术保障，而且专家在视频过程中，还能实现秒速下载患者资料。5G的低时延性保证了远程会诊网络彼此之间通话的实时性，提供了沟通的顺畅性和高效性。成果三：分布式3D/4D影像云端临床服务医生在查房过程中使用手持移动终端通过无线网络联接医疗信息系统，实现影像数据的实时输入、查询或修改,以及医疗检查报告快速调阅的一种查房形式。5G网络的髙宽带可以提供海量医疗影像数据，比如CT影像、超声影像、CR/DR影像等，其高可靠性和稳定性，可以有效保证相关数据在传输过程中的安全和质量。成果四：VR显示系统，3D打印，AR辅助导航系统根据临床需求，提供多设备的医疗影像数据，经过模型重建、支具、导板、植入物设计，为临床3D打印，VR显示系统和AR辅助导航系统提供全链条服务。成果五：综合影像大数据处理平台提供跨设备CT、MI、MR、DSA的综合影像大数据处理平台，通过云计算和医学知识图谱，为医生临床提供神经解决方案、胸部解决方案、心血管解决方案、腹部解决方案、肿瘤解决方案、骨科解决方案等等。以南昌一脉阳光医学影像诊断中心为区域影像数据中心、远程诊断中心，建立覆盖全国70家以上的地级市级、县区级及乡镇级影像检查医疗机构的三级影像医联体。统一医联体单位内各医疗机构的影像业务相关的信息代码。影像数据通过5G传输实现区域共享，依托公有云专属云及虚拟化私有云的混合云部署，建立南昌一脉阳光医学影像诊断中心的影像大数据中心，通过本地/异地公有云平台集中存储南昌一脉阳光医学影像诊断中心医联体各医疗机构的影像以及质量控制等相关业务数据，南昌一脉阳光医学影像诊断中心影像医联体中各医疗机构可以通过影像数据中心共享影像检查数据，互认检查报告。影像仪器区域共享，患者可以到南昌一脉阳光医学影像诊断中心医联体下属医疗机构的任何一台设备进行影像检查，拍摄的影像都可以通过区域PACS传送到南昌一脉阳光医学影像诊断中心，由南昌一脉阳光医学影像诊断中心专家出具诊断报告，诊断中心将检查报告通过网络及时传送到拍摄影像的医院，打印后交付患者。集中诊断、审核。对下级特别是基层医院影像检查的集中诊断和集中审核，实现区域内影像设备和人才资源的共享和复用，从而提高区域范围的影像诊断质量和服务水平,实现国家倡导的基层检查，上级诊断的分级诊疗政策。(5提供包括远程跨院预约、远程影像诊断(二次专家诊断)、影像诊断业务托管、远程MDT多学科协作、远程教学培训、随访跟踪、会诊统计等七项服务，实现零排队、无纸化的以患者为中心的就医体验。提高双向转诊效率，提髙医疗服务诊断水平。一方