陳婉如 吳佳歡 趙娜 / .上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；.上海海關(guān)機(jī)電中心

0 引言

隨著5G技術(shù)高速發(fā)展與逐漸普及，其低時(shí)延高可靠通信的技術(shù)特性，被廣泛應(yīng)用于智慧醫(yī)療領(lǐng)域，為遠(yuǎn)程醫(yī)療、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程手術(shù)提供高速、實(shí)時(shí)、可靠的通信支撐。2019年3月，中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院完成全國(guó)首例基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程“帕金森病腦起搏器”植入手術(shù)，醫(yī)生在海南為北京的患者實(shí)施手術(shù)。2019年4月，國(guó)際首家5G遠(yuǎn)程超聲門(mén)診在解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院正式成立并開(kāi)診，海南的醫(yī)生為330千米外的西沙島礁駐島戰(zhàn)士進(jìn)行遠(yuǎn)程體檢。

5G通信是在4G通信基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，通信速度快，但由于引進(jìn)了新的頻譜，使得電磁穩(wěn)態(tài)降低，場(chǎng)景應(yīng)用更為復(fù)雜，設(shè)備間電磁干擾更頻繁，易產(chǎn)生互相影響，造成系統(tǒng)性能下降，無(wú)法達(dá)到預(yù)期[1]。一旦設(shè)備因?yàn)殡姶偶嫒輪?wèn)題導(dǎo)致互相影響，造成遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)影像延遲、中斷、抖動(dòng)、不清晰等現(xiàn)象，將直接影響醫(yī)生的下一步操作，甚至造成嚴(yán)重的醫(yī)療事故，危害患者的生命安全。

因此，評(píng)估遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)在電磁干擾環(huán)境下的傳輸性能尤為重要，并且應(yīng)模擬實(shí)際工作場(chǎng)景，結(jié)合5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)在電磁兼容環(huán)境中的輻射值、抗干擾能力綜合分析，以降低電磁兼容問(wèn)題所造成的5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)傳輸性能下降或功能喪失的風(fēng)險(xiǎn)。

1 5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)性能評(píng)估方法發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 醫(yī)療系統(tǒng)電磁兼容檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局2005年批準(zhǔn)發(fā)布的YY 0505-2005《醫(yī)用電氣設(shè)備第1-2部分：安全通用要求并列標(biāo)準(zhǔn)電磁兼容要求和試驗(yàn)》由IEC 60601-1-2：2001翻譯而來(lái)。GB/T 18268.1-2010《測(cè)量、控制和實(shí)驗(yàn)室用的電設(shè)備電磁兼容性要求》也是作為醫(yī)療器械相關(guān)的電磁兼容通用技術(shù)要求。

因?yàn)閲?guó)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)大多引用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定又要經(jīng)歷從立項(xiàng)到發(fā)布，長(zhǎng)達(dá)1～2 a的周期，因此，標(biāo)準(zhǔn)往往滯后，且無(wú)法及時(shí)滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)中產(chǎn)品性能評(píng)估的要求，其中包括近期得到快速發(fā)展的5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)。

1.2 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的不足

高可靠性和低延時(shí)性是5G通信的主要特性，也是其應(yīng)用于遠(yuǎn)程醫(yī)療的重要原因，因此，5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)中的設(shè)備電磁兼容抗干擾能力需更加強(qiáng)大。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室更需在測(cè)試階段檢查出該系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題，以保障其工作時(shí)的安全性。

由于實(shí)時(shí)影像傳輸對(duì)遠(yuǎn)程醫(yī)療尤為重要，因此，在為5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)做電磁兼容測(cè)試時(shí)，應(yīng)該結(jié)合影像傳輸指標(biāo)，綜合評(píng)判效果?，F(xiàn)有檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中，電磁兼容環(huán)境下5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)的傳輸性能指標(biāo)，尤其是影像質(zhì)量方面的指標(biāo)缺少對(duì)應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

通常標(biāo)準(zhǔn)中的性能判據(jù)只簡(jiǎn)單定義了設(shè)備遭受電磁兼容干擾后是否可以自行恢復(fù)，卻沒(méi)有定義性能判據(jù)的依據(jù)。電磁兼容工程師主要完成電磁兼容檢測(cè)方法、電磁兼容環(huán)境的搭建，但是如何準(zhǔn)確地評(píng)估影像質(zhì)量，并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的評(píng)定工具。為了保障電磁兼容測(cè)試準(zhǔn)確性，應(yīng)與實(shí)測(cè)場(chǎng)景相結(jié)合，且定義影像指標(biāo)以及評(píng)估方法。

1.3 電磁兼容費(fèi)效比關(guān)系

醫(yī)療器械研發(fā)成本較一般產(chǎn)品高，并且從研發(fā)到上市周期較長(zhǎng)。為了降低開(kāi)發(fā)成本，應(yīng)該在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就考慮電磁兼容問(wèn)題。圖1展示了電磁兼容費(fèi)效比關(guān)系，由此可見(jiàn)，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)初期未重視電磁兼容設(shè)計(jì)，而后期為了符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)要求所設(shè)計(jì)的解決方案非但在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上難度較大，而且耗費(fèi)大量的時(shí)間和金錢(qián)。尤其搭建大型的醫(yī)療系統(tǒng)，花費(fèi)的研發(fā)成本和時(shí)間更多。

圖1 電磁兼容費(fèi)效比關(guān)系

2 試驗(yàn)平臺(tái)的建立

2.1 5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了模擬遠(yuǎn)程手術(shù)，本文以?xún)?nèi)窺鏡為受控設(shè)備，如圖2所示搭建5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容測(cè)試。

圖2 電磁兼容暗室中基于5G的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)

圖2中，遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)采用一款高清口腔內(nèi)窺鏡采集臨床的視頻數(shù)據(jù)；基于模擬5G基站進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；另外，該系統(tǒng)中采用局域網(wǎng)私有云服務(wù)器進(jìn)行醫(yī)療影像傳輸，其目的為排除公有云網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定導(dǎo)致的結(jié)果偏差，私有云服務(wù)器通過(guò)Ubuntu虛擬機(jī)架設(shè)在局域網(wǎng)臺(tái)式機(jī)上。

基于5G的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程用戶(hù)通過(guò)客戶(hù)端播放流媒體，從而實(shí)現(xiàn)了醫(yī)療影像的遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)。

2.2 傳輸性能評(píng)估軟件設(shè)計(jì)及選取

設(shè)計(jì)了一款智能遠(yuǎn)程影像質(zhì)量評(píng)估軟件，自動(dòng)采集遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)發(fā)出和接收的影像，通過(guò)均方誤差（E）、峰值信噪比（P）、結(jié)構(gòu)相似性（S）指標(biāo)評(píng)估分析發(fā)出和接收影像的差異率，最終對(duì)如何合理規(guī)范地評(píng)估5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析和探討。

E（Mean Square Error）是用于描述原圖和處理后圖片的對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的方差均值，是圖像/視頻處理領(lǐng)域目前應(yīng)用最廣泛的性能量化指標(biāo)，簡(jiǎn)單易用，運(yùn)算速度快，具體計(jì)算公式為

式中：m——視頻幀的長(zhǎng)；

n——視頻幀的寬；

ti,j——原始圖像在像素（i，j）處的像素值；

ri,j——重建圖像在圖像（i，j）處的像素值E的值越小，視頻圖像的質(zhì)量越好[2]。

P（Peak Signal-to-Noise Ratio）表示峰值信噪比，即信號(hào)最大功率和影響準(zhǔn)確度的噪聲的功率比值，是圖像質(zhì)量最主要的客觀(guān)評(píng)價(jià)方法[3]。

式中：M——圖像顏色點(diǎn)的最大數(shù)值，在8點(diǎn)采樣中最大值可以取255

對(duì)于彩色圖片，在計(jì)算E時(shí)，對(duì)三種顏色通道的E值求平均值即可。P的值越大，視頻圖像的質(zhì)量越好。

S（Structural Similarity Index）表示結(jié)構(gòu)相似度。S認(rèn)為人類(lèi)視覺(jué)感知能力高度自適應(yīng)提取場(chǎng)景中的結(jié)構(gòu)信息，用于衡量根據(jù)圖像像素間的相關(guān)性構(gòu)造出的參考圖像與待評(píng)價(jià)圖像之間結(jié)構(gòu)相似性的指標(biāo)，S值越大，圖像質(zhì)量越好[4]。

式中：x——對(duì)應(yīng)的參考圖像；

y——待評(píng)價(jià)圖像；

μ——均值；

σ——方差或協(xié)方差；

l(x,y)——亮度；

c(x,y)——對(duì)比度；

s(x,y)——結(jié)構(gòu)

2.3 受控電磁兼容暗室環(huán)境設(shè)定

本試驗(yàn)中，受控電磁兼容暗室環(huán)境設(shè)定如下。

2.3.1 輻射發(fā)射測(cè)試

輻射發(fā)射測(cè)試是檢測(cè)設(shè)備通過(guò)空間以電磁波形式向外發(fā)射電磁騷擾能量的項(xiàng)目，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 4824-2019《工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備射頻騷擾特性限值和測(cè)量方法》，輻射發(fā)射測(cè)試場(chǎng)地一般在半電波暗室或開(kāi)闊場(chǎng)中進(jìn)行。本試驗(yàn)中輻射發(fā)射測(cè)試是在10 m半電波暗室中開(kāi)展的，測(cè)試頻率段覆蓋30 MHz～6 GHz，測(cè)試設(shè)備包括承載被測(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)、接收天線(xiàn)、騷擾測(cè)量?jī)x以及控制系統(tǒng)。5G影像傳輸設(shè)備發(fā)出干擾信號(hào)后經(jīng)接收天線(xiàn)傳輸至騷擾測(cè)量?jī)x，通過(guò)控制系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺(tái)角度和天線(xiàn)高度，從而找到干擾信號(hào)的最大值。由于測(cè)試時(shí)需要保證被測(cè)設(shè)備在5G網(wǎng)絡(luò)下工作，鑒于場(chǎng)地和設(shè)備限制，本次試驗(yàn)中將5G綜合測(cè)試儀作為輔助設(shè)備與被測(cè)設(shè)備一同置于暗室內(nèi)。在正式測(cè)試前對(duì)5G綜合測(cè)試儀和環(huán)境進(jìn)行預(yù)掃，其水平極化和垂直極化測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示，由此可知，5G綜合測(cè)試儀對(duì)本次測(cè)試影響較小，可以置于暗室中開(kāi)展試驗(yàn)。

圖3 5G綜合測(cè)試儀與環(huán)境水平極化測(cè)試結(jié)果

圖4 5G綜合測(cè)試儀與環(huán)境垂直極化測(cè)試結(jié)果

將5G手機(jī)接入5G綜合測(cè)試儀系統(tǒng)中，開(kāi)啟視頻傳輸模式，進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示，由此可知，5G影像傳輸系統(tǒng)在30 MHz～1 GHz頻段范圍內(nèi)主要干擾信號(hào)的頻率點(diǎn)在55 MHz左右，并且為寬頻騷擾信號(hào)，其干擾信號(hào)幅度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值范圍內(nèi)，可以認(rèn)為該系統(tǒng)的低頻輻射發(fā)射電磁兼容性能較好，對(duì)周?chē)h(huán)境的影響在理想范圍之內(nèi)。具體測(cè)試時(shí)的照片如圖7、圖8所示。

圖5 5G影像傳輸系統(tǒng)水平極化測(cè)試結(jié)果

圖6 5G影像傳輸系統(tǒng)垂直極化測(cè)試結(jié)果

圖7 5G影像傳輸系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試照片（正面）

圖8 5G影像傳輸系統(tǒng)輻射發(fā)射測(cè)試照片（背面）

2.3.2 輻射抗擾度測(cè)試

輻射抗擾度（Radiate Susceptibility）又稱(chēng)輻射敏感度，是最基本的電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目之一，指各種裝置、設(shè)備或系統(tǒng)，在存在輻射的情況下，抵抗輻射的一種能力[5]。敏感度越高，抗干擾的能力越低。輻射抗擾度測(cè)試系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器和發(fā)射天線(xiàn)組成。

根據(jù)YY 0505-2005的要求，本試驗(yàn)中輻射抗擾度測(cè)試在3 m全電波暗室內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試頻段為80 MHz～2.5 GHz。通過(guò)光纖攝像頭觀(guān)察畫(huà)面是否變化，以及通過(guò)自制的遠(yuǎn)程影像質(zhì)量評(píng)估軟件對(duì)暗室內(nèi)外的圖像傳輸指標(biāo)進(jìn)行判定，判斷圖像質(zhì)量在輻射干擾下是否下降。并使用第三方測(cè)試軟件Pinginfoview考察視頻在電磁兼容干擾下的抖動(dòng)、丟包率等指標(biāo)，進(jìn)一步判斷電磁輻射是否對(duì)5G影像傳輸造成干擾。

為了保證5G綜合測(cè)試儀不受輻射的影響，將其置于暗室外部進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)搭建如圖9、圖10所示。

圖9 5G影像傳輸系統(tǒng)輻射抗擾度測(cè)試照片

圖10 5G影像傳輸系統(tǒng)輻射抗擾度測(cè)試照片

延遲、抖動(dòng)和丟包則是為了避免網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)而產(chǎn)生的視頻播放效果的惡化。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和視頻解碼器往往需要對(duì)視頻流進(jìn)行延遲和緩沖，而恒定的延遲表現(xiàn)為視頻觀(guān)看時(shí)間的推遲；視頻編碼器/服務(wù)器性能變化、網(wǎng)絡(luò)擁擠、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能變化都可能導(dǎo)致視頻流的抖動(dòng)變化，觀(guān)測(cè)視頻流的抖動(dòng)變化可以幫助用戶(hù)提前發(fā)現(xiàn)視頻傳輸質(zhì)量惡化的趨勢(shì)；在沒(méi)有適當(dāng)?shù)囊曨l解碼補(bǔ)償或者丟包重傳機(jī)制下，丟包對(duì)視頻播放質(zhì)量有直接的影響，使播放質(zhì)量出現(xiàn)不同程度的下降[6]。通過(guò)測(cè)試時(shí)打開(kāi)Pinginfoview軟件（圖11），判斷圖像有無(wú)丟包和抖動(dòng)情況。

圖11 Pinginfoview軟件記錄界面

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電磁兼容試驗(yàn)結(jié)果分析

2020年9月，IEC發(fā)布了醫(yī)療設(shè)備電磁騷擾要求和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，即IEC 60601-1-2：2014的第一份修訂IEC 60601-1-2：2014/A1：2020，新標(biāo)準(zhǔn)中首次提到基本性能風(fēng)險(xiǎn)管理需要考慮5G移動(dòng)電話(huà)所產(chǎn)生的電磁騷擾[7]。由此可見(jiàn)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)對(duì)設(shè)備抗擾度提出了要求，因目前植入5G通信功能的醫(yī)療設(shè)備尚未全面開(kāi)發(fā)、建設(shè)，標(biāo)準(zhǔn)中并未限定設(shè)備本身的輻射發(fā)射值。

通過(guò)輻射騷擾和輻射抗擾度測(cè)試，足以看出遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)在植入5G功能后，輻射值依然在限值以下，滿(mǎn)足發(fā)射的要求，該系統(tǒng)在輻射抗擾度的測(cè)試場(chǎng)景下，依舊運(yùn)行正常，并未受到影響。在當(dāng)前測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下，植入5G后的測(cè)試系統(tǒng)符合要求，可以應(yīng)用于5G遠(yuǎn)程醫(yī)療場(chǎng)景中。

3.2 電磁兼容輻射、抗擾度測(cè)試環(huán)境下影像質(zhì)量評(píng)估分析

本文為了更準(zhǔn)確地獲取5G醫(yī)療影像傳輸系統(tǒng)抗干擾能力，結(jié)合醫(yī)療影像質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行綜合判斷，并研制一款自動(dòng)比對(duì)影像軟件進(jìn)行圖像采集、分析、判定。

運(yùn)行遠(yuǎn)程影像質(zhì)量評(píng)估軟件，自動(dòng)評(píng)估5G影像傳輸系統(tǒng)的影像質(zhì)量評(píng)估結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 電磁兼容環(huán)境下影像質(zhì)量評(píng)估

結(jié)構(gòu)相似性是一種全參考的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，它分別從亮度、對(duì)比度、結(jié)構(gòu)三個(gè)方面度量圖像相似性。取值范圍[0，1]，值越大，表示圖像失真越小[8]。

由表1可見(jiàn)，搭建的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)在沒(méi)有干擾的情況下圖像未失真，在施加輻射騷擾時(shí)，峰值信噪比為38.87，符合圖像質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)要求，但是確實(shí)與沒(méi)有干擾的環(huán)境下的指標(biāo)存在微小的差異。

本文在評(píng)估圖像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過(guò)Pinginfoview考察視頻在電磁兼容干擾下的抖動(dòng)、丟包率等指標(biāo)，最終對(duì)模擬的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)進(jìn)行了全面的分析。

4 結(jié)語(yǔ)

就醫(yī)學(xué)圖像而言，特定的診斷任務(wù)會(huì)依賴(lài)于圖像質(zhì)量的評(píng)價(jià)，質(zhì)量好的圖像能提高診斷決策正確性，保證手術(shù)過(guò)程中的安全性。本文通過(guò)搭建一套基于5G技術(shù)的遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)，在電磁兼容環(huán)境下對(duì)遠(yuǎn)程會(huì)診和遠(yuǎn)程手術(shù)所產(chǎn)生的高清視頻流的最終顯示效果進(jìn)行分析，并充分結(jié)合醫(yī)療影像特性，研究在不同電磁兼容環(huán)境下，用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行定量評(píng)價(jià)的方法，使圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)過(guò)程智能化。

通過(guò)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)對(duì)該5G遠(yuǎn)程醫(yī)療影像系統(tǒng)抗干擾能力的評(píng)價(jià)尤為重要。基于人身安全與設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性的角度出發(fā)，制定符合5G通信下智慧醫(yī)療電磁兼容評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)提高圖像質(zhì)量、系統(tǒng)穩(wěn)定性，更好地服務(wù)于更多的醫(yī)用場(chǎng)景。