医療業界におけるマルチアクセスエッジコンピューティングの応用

5G商用時代の完全な進歩により、エッジコンピューティングは革新的なアプリケーションサービスを促進する強力なテクノロジーになりました。これは、大手インターネット企業、機器メーカー、垂直産業、事業者が獲得を目指して競争している、新たな機会と課題を抱えた分野です。 2018年4月、「『インターネット＋医療健康』の発展促進に関する意見」では、インターネットと医療健康の深い融合を促進するための一連の政策措置が提示され、医療機関のインフラ保証能力の向上が明確に求められ、都市部と農村部の各レベルの医療機関における高速ブロードバンドネットワークの普遍的なカバーを支援することに重点が置かれました。遠隔医療、医療情報共有などのニーズに応えるため、通信事業者は医療機関に高品質のインターネット専用線、仮想プライベートネットワークなどのネットワークアクセスサービスを提供するとともに、遠隔医療専用ネットワークの構築を推進し、医療関連データ伝送サービスの品質を確保し、医療機関が高速かつ信頼性の高いネットワークアクセスサービスを選択できるよう支援することを奨励する。

マルチアクセス エッジ コンピューティング (MEC) は、ネットワーク接続機能と IT コンピューティング機能をエントリ ポイントとして使用して、豊富で低遅延のエッジ アプリケーションを提供し、統合された「クラウド、ネットワーク、エッジ、業界」サービス機能を構築し、医療業界を強化し、伝送遅延を効果的に削減し、コンピューティング効率を向上させます。この記事では、医療病院内外および医療病院間のさまざまなシナリオを詳細に分析し、新世代のスマート病院の構築に向けたさまざまなシナリオに適したエッジ コンピューティング ソリューションを提案します。

1. 需要分析

医療業界における病院内、病院間、病院外のさまざまな 5G アプリケーション シナリオの特性により、5G ネットワーク リソースの需要の焦点は若干異なります。

（１）院内データの収集、監視、分析

リモート監視アプリケーションでは、高い通信帯域幅は必要ありません。これらには、血圧、血糖値、心拍数、血中酸素飽和度などのバイタルサインデータの送信、および画像/検査機器の相互接続が含まれます。基本的に、3 Mbps の帯域幅でデータ転送のニーズを満たすことができます。 CTまたはMRI画像（800MB）を3秒以内にダウンロードできます。同時に、このタイプのシナリオではレイテンシ要件が比較的低く、約 100 ミリ秒の遅延は関連する処理に影響を与えません。

（２）院外遠隔操作

遠隔ロボット超音波検査や遠隔手術には、より高解像度の画像が必要であり、SLA (サービス レベル契約) を保証するために、モバイル レスキュー専用の一時的なパイプラインを提供する必要があります。関連する運用要件を満たすには、帯域幅は 15 Mbps または 1 Gbps である必要があります。操作の安全性を確保するには、操作全体を通してリアルタイムの同期が必要であるため、遅延要件は通常 5 ミリ秒以内です。遠隔手術時には、生命監視装置、心電計、除細動器、ハイビジョンビデオ機器などを同時に接続する必要があり、接続される機器の数は比較的多くなります。

さらに、医療データのセキュリティは、患者のプライバシーや技術の研究開発など、重要かつ機密性の高い領域に関連しています。ひとたびデータ漏洩が発生すると、患者団体、社会の安定、さらには国家の安全保障に深刻な影響を及ぼします。したがって、医療サービスは公共のインターネット サービスから分離する必要があり、医療データは病院の外に出てはなりません。 IoT端末機器のアクセスには、外部機器からの侵入を防ぐためのアクセス認証計画が必要です。病院の業務システムが 5G ネットワークを介して外部ネットワークとやり取りする場合、エンドツーエンドのデータフローは静的または動的に暗号化され、DDoS 攻撃対策などのセキュリティ保護対策が施されている必要があります。

（３）病院間遠隔相談・指導

遠隔医療指導プラットフォームや 5G 遠隔音声・ビデオクラウド相談プラットフォーム ソリューションでは、生化学分析結果、画像検査結果、電子カルテなどの大量のデータの送信が伴い、ネットワーク帯域幅の要件は通常 3 ～ 15 Mbps です。 VR/AR などのリモートコンサルティングや仮想教育およびトレーニングのシナリオでは、コンサルティングの効率とトレーニングの効果を高めるために、より低いレイテンシが求められ、レイテンシは 20 ～ 100 ミリ秒である必要があります。検査・試験データ、画像診断部門などの部門が関与し、患者、看護師、かかりつけ医、専門家などのグループを接続する必要があるため、接続されるデータは比較的大きくなります。

2 医療業界向けMECソリューション設計

上記のニーズに応えて、マルチアクセスエッジコンピューティング技術は、病院内、病院間、病院外でカスタマイズされた差別化された高性能な無線通信サービスを提供します。沈没方法は主に 2 つあります。

最初のタイプは、単一キャンパスまたは小規模病院向けで、病院のローカル コンピューター ルームに配備され、病院エリアを離れることなくローカル トラフィックのアンロードに適しています。

2 つ目は、キャンパス全体に専用の MEC ソリューションを構築し、各分院の医療サービスにユーザー側アクセス サービスを提供して、病院の業務データがオペレーターのパブリック ネットワークに送信されないようにすることです。本院の中央コンピュータ室や運営会社のコアコンピュータ室に導入できます。

2.1 中小規模の病院

単一のキャンパスまたは中小規模の病院の場合、業務量が限られていることを考慮して、病院の基地局を MEC 機器セット (UPF ネットワーク要素が埋め込まれたハードウェア機器 + MEC プラットフォーム展開サーバー) に集約し、医療サービスをローカルに転送することができます。ネットワーク ソリューションを図 1 に示します。

病院のセンサー、データ収集装置、カメラデータの収集と伝送：病院は5G基地局でカバーされており、病院のセンサー、データ収集装置、監視装置などのデバイスによって生成されたデータは、データ端末を介して5G基地局に送信されます。その後、データは病院エリアに配備されたUPF（ユーザーポート機能、5Gコアネットワーク要素の1つ、UPFのシンクはMECの実装方法）を介して中央制御室に送信され、機器データの監視、分析、および保存が完了します。

高リスクエリアや過酷な環境エリアでの高解像度ビデオ監視：HDカメラを使用して病院などの状況をリアルタイムで記録し、そのデータをCPE（Customer Premise Equipment、モバイル信号を受信して​​ワイヤレスWi-Fi信号として転送するモバイル信号アクセスデバイス）を介して5G基地局に送信し、MEC機器を介して制御室のHDディスプレイ画面に送信して、リアルタイムのHD監視を完了します。 AIベースのビデオ分析技術と組み合わせることで、危険なイベントを識別し、即座にアラームを発することができます。

データはキャンパス内に設置された MEC デバイスを通じてキャンパスを離れることなく交換され、データのセキュリティが確保されます。ネットワークでは、医療機器通信の特性に基づいて、一般的な5GアプリケーションソリューションにL2TP（レイヤー2トンネリングプロトコル、業界標準のインターネットトンネルプロトコル）トンネル3GPP R16アプリケーションが追加され、5G LAN（ローカルエリアネットワーク）特性を通じて第2層の相互作用が完了します。 MECデバイスは医療機関のエッジコンピュータ室に設置され、管理およびシグナリング接続のためにオペレータの5GCSA（スタンドアロン、独立ネットワーキング）ネットワークに統一的に接続されます。

公衆網利用者がインターネットにアクセスすると、5GCで識別された後、公衆網UPFは医療機関のMEC（UPF）を経由せず、データを直接インターネットに送信します（図2の線①参照）。医療機関の端末PLC（プログラマブルロジックコントローラ）と、それに接続されている既存OPC（OLE for Process Control）サーバーは、CPEを介して5G NR（5G New Radio）基地局に無線接続されます。

医療機関シナリオの業務データフローがローカルUPFデバイスによって迂回された後、MECプラットフォームで処理する必要がある業務データはエッジクラウドプラットフォームでリアルタイムに処理され、監視/データセンターに関連する業務データは病院企業イントラネットに送信され（図2のライン3に示すように）、病院情報が積極的にパークから出ないようにします。端末がインターネットにアクセスする必要がある場合、データはMECプラットフォームのUPFデバイスによってオペレータのメインアンカーポイントUPFに転送され、メインアンカーポイントUPFを介してインターネットに送信されます（図2の行②を参照）。

2.2 大規模病院

複数のキャンパスが分散し、物理的に離れている大規模病院の場合、異なるキャンパスのコンピュータ室に専用の MEC リソース プールを構築し、統合運用プラットフォームを構築して、複数の地域に分散している MEC の全体的なスケジュール設定と統合管理を実行することで、業務レベルでの「ワンポイント アクティベーションと病院全体のレプリケーション」を実現します。設計図を図3に示します。

図3 大規模病院向けMECソリューション

関連する ETSI 標準によれば、MEC の全体的なアーキテクチャは通常、ネットワーク センター ノード、地域センター、エッジ ノードの 3 つのレベルで構成されます。ネットワーク全体の中央ノードは、集中的なエッジビジネス運用プラットフォームを展開し、開発者と顧客がビジネス機能とアプリケーションをアップロードするためのオープンインターフェースを提供し、ネットワーク全体でエッジビジネスアプリケーションのオーケストレーションと管理を実現します。地域ノードは、MEPM (コンピューティング プラットフォーム マネージャー) や MEP (マルチアクセス エッジ コンピューティング プラットフォーム) などのシステムとネットワーク要素を展開します。これらは、ノード エリア/省内のすべてのエッジ ノードの IaaS 仮想化リソース管理、MEP アクセス コラボレーション プラットフォーム、ノード ビジネス管理などの機能を担当します。エッジ ノードは特定のビジネス アプリケーションを実行します。このようなアーキテクチャにより、ネットワーク全体の統一的な管理と制御、統一的な運用と保守が可能になり、ドメイン間および複数キャンパスの病院ネットワークの相互接続とビジネスコラボレーションが支援されます。

一方では、集中的な運用プラットフォームを通じてアプリケーションを均一に分散し、エッジ側でのサービスの迅速な展開を実現し、複数の省や複数のサイトでの MEC サービスを同時に提供および開始することができます。一方、病院向けには高速、低遅延、大帯域幅の5G MECネットワークが構築されており、各キャンパスでの統合ネットワーク展開、医療機器のデジタル化、標準化されたインテリジェントな運用といった病院のデジタル変革目標の達成を支援します。

3. 医療業界におけるMECの能力と利点

3.1 エッジコンピューティング機能

5G エッジ コンピューティング ソリューションを実装すると、IT 機能とセルフサービス機能を活用して、医療業界の顧客に高品質のデータ接続サービスを提供できるようになります。同時に、MEC をベースとした基盤アプリケーション プラットフォームを顧客に提供し、さまざまな病院業務をサポートし、病院の知能化と情報化の実現を支援します。

（１）エッジの基本機能

エッジ基本機能は、「5Gエッジポータル」の中核機能であり、CTコアエッジ機能、IT基本リソース機能、クラウドエッジコラボレーション機能を提供します。 UPF をオペレータのエッジ コンピュータ ルームまたはユーザ側コンピュータ ルームにシンクすることで、パケット ルーティング、転送、パケット検出、ポリシー実行、トラフィック統計、課金レポート生成などの機能が実現されます。 UPFとMEP間のネットワーク業界コラボレーションインターフェースMP2を通じて、エッジ迂回構成、RNIS、帯域幅管理、ブラックリストとホワイトリストの構成などのパーソナライズされたCT-VASサービスが提供されます。顧客に近いネットワーク環境にコンピューティング能力を展開することで、エッジコンピューティング能力、付加価値機能、低遅延かつ広い帯域幅を備えた業界アプリケーションが実現され、さまざまな業界に力を与えます。

転送機能: プラットフォームは、特定のビジネス フローをエッジ コンピューティング アプリケーションまたはエッジ サービスにルーティングし、コア ネットワーク コントロール プレーンとのインタラクションをサポートし、エッジ アプリケーションが正常に実行された後に転送ルールを設定し、エッジ アプリケーションが終了した後に転送ルールを削除し、いつでも転送ルールを調整できます。このプラットフォームは、DNS ローカル リダイレクトとローカル DNS ドメイン名解決サービス機能を提供し、エッジ コンピューティング プラットフォームに統合されたアプリケーション ドメイン名の追加、削除、クエリなどの操作をサポートします。エッジ コンピューティング プラットフォームがアプリケーションをインスタンス化/作成するとき、およびアプリケーションを終了するときに呼び出される、アプリケーション ドメイン名を追加/削除するための API インターフェイスを提供します。

インターフェース機能: エッジ コンピューティング プラットフォームは、アーキテクチャ設計、テクノロジ開発、コード実装に関する ETSI 標準仕様に厳密に従い、ETSI MEC API インターフェース仕様に準拠し、ETSI 公式仕様に従ってインターフェースを公開します。

サービス配布: マクロ サービスおよびマイクロ サービスと互換性のある API ゲートウェイは、アプリケーション インスタンスの API を公開し、他のアプリケーションがサブスクライブできるように CT 付加価値サービスまたは IT 付加価値サービスにカプセル化することをサポートします。

認証と計測: 認証; UE（ローカル DN 外）と APP（ローカル DN 内）の 2 つのアクセス シナリオに直面し、APP タイプのアクセスの場合、API ゲートウェイの認証戦略は、アクセス トークン（ユーザー アクセス トークン）を APP に追加することによって認証でき、UE ID に基づいて共同認証を実装する必要があります。エッジ シナリオでの一般的なサービス アクセス統計に加えて、エッジ API ゲートウェイと BSS ユーザー課金ポリシーを組み合わせてアクセス数を制限し、API DDoS 攻撃が発生したときにサーキット ブレーカー ポリシーを有効にする機能も強化します。

端末管理: エッジ デバイスの端末管理機能を提供し、端末デバイスの入力、検索、削除機能をサポートし、IMSI/MSISDN/SUPI/GPSI 識別による端末認証とブラックリストおよびホワイトリスト ポリシー管理を実装し、IP 識別に基づく ACL ネットワーク アクセス制御ポリシー管理をサポートします。

クラウドエッジコラボレーション: エンタープライズプライベートクラウド、業界産業クラウド、インターネットパブリッククラウドとのコラボレーションインターフェースをサポートし、統合サービスと連携して、コンピューティング、ネットワーク、ストレージ、プラットフォーム機能、エコシステムのアプリケーションの統合を実現します。

（２）エッジプラットフォームの機能

基本的な転送機能に加えて、エッジ コンピューティングは医療業界に付加価値機能、アプリケーション機能、顧客セルフサービス機能を提供します。エッジ付加価値機能は、基本機能を中心に展開され、「クラウド、パイプ、エッジ、ターミナル、インダストリー」システムの構築において重要な部分であり、CT（通信技術）側とIT側で付加価値機能を提供します。 CT 側の付加価値機能には、無線帯域幅管理、詳細なトラフィック分析、5G ネットワークに基づく UE 識別などの基本機能に基づく拡張機能が含まれます。 IT 側の付加価値機能には、AI、ビデオのエンコードとデコード、IoTPaaS などの一般的な IT プラットフォーム機能が含まれます。また、さまざまな医療シナリオのニーズに基づいて、独自のアプリケーション機能を提供することもできます。顧客セルフサービス機能には、セルフサービス転送管理、ネットワーク ステータスのセルフ監視、アプリケーションのセルフ展開/セルフメンテナンス、マルチキャンパスの共同管理などがあり、顧客エクスペリエンスを効果的に向上させ、差別化されたサービス機能を強化し、業界統合機能を強化できます。

（１）医療用プライベートネットワークの構築：5G MEC Standard Edition/Simplified Editionは、5G独立型プライベートネットワークやハイブリッド型プライベートネットワークの構築に必須の製品です。 SMF/AMF コア ネットワーク要素と同じプラットフォームに導入できるため、プラグ アンド プレイを実現し、医療業界向けにカスタマイズされたネットワーク構成を提供できます。

（2）クラウドエッジコラボレーションのサポート：5G MECはネイティブクラウドネットワーク機能を備え、エンタープライズプライベートクラウド、業界産業クラウド、インターネットパブリッククラウドとのクラウドツークラウドコラボレーションをサポートし、コンピューティング、ネットワーク、ストレージ、プラットフォーム、アプリケーションを統合し、垂直産業を強化し、効率的で非分極化されたエッジ産業コラボレーションを実現します。

（3）マルチキャンパス相互接続のサポート：5G MEC製品は、クラウドネットワーキング、クラウド専用線、SD-WANなどの製品と組み合わせることで、大規模病院におけるクロスドメインのマルチキャンパスネットワーク相互接続とビジネスコラボレーションを実現し、クラウドネットワーク統合のための包括的なソリューションを提供します。

（4）顧客セルフサービスをサポート：プライベート展開中、5G「MEC +プライベートネットワーク」統合セルフサービスプラットフォームは、セルフサービス転送管理、ネットワークステータス監視、ネットワークセルフ構成、アプリケーションセルフ展開、セルフサービスメンテナンス、マルチキャンパス共同管理機能を提供します。

（５）高品質なセキュリティ保証サービスの提供：アクセス層、集約層、コア層で階層的なセキュリティ保護を提供し、アプリケーションの開発・リリースからオンライン起動・保守までのライフサイクル全体にわたる保護を提供します。

3.2 MECの利点

「5G+MEC」を基盤として、病院内、病院間、病院外でのさまざまな応用シナリオを実現し、医療サービスを公共のインターネットサービスから分離することができます。医療データは病院外に持ち出されず、病院間の医療サービスは公共ネットワークから分離されます。 5Gの低遅延と高帯域幅の特性とMECプラットフォームの転送機能を組み合わせることで、医療データと管理データのローカル転送を実現し、低遅延とデータのセキュリティとプライバシーを確​​保し、オーディオとビデオのサービス遅延50ms未満、リモート超音波などの制御サービス遅延20ms未満、オーディオとビデオ+モバイル医療機器データバックホール遅延50ms未満を実現します。さまざまな業務フローを安全に分離するという要件に基づき、「5G+MEC」とスライシング技術を組み合わせることで、医療機関向けに業務粒度レベルで医療業界のプライベートネットワークを構築できます。利点は次のとおりです。

（１）高いセキュリティ：MECの沈下により、医療データは病院エリア内で確保され、基準、設備、展開の3つのレベルでデータの物理的セキュリティが保証されます。

（2）高い信頼性：キャリアグレード99.99％の信頼性保証。

（3）高性能：最大2.7Gのダウンロード速度、1msの低遅延、1平方キロメートルあたり100万接続、5G SAアーキテクチャ、およびそれに続く3GPP標準プロトコルの進化をサポートします。

（4）豊富なアプリケーション：エッジコンピューティングプラットフォームは、5G医療プライベートネットワークに基づく病院独自のアプリケーションやサードパーティアプリケーションの展開をサポートするために、統合されたハードウェアとソフトウェア製品、および基本プラットフォームと付加価値サービスを提供します。

4 結論

5Gネットワ​​ークの大規模な商用利用に伴い、一部の病院では「5G+ヘルスケア」の応用試験が実施されています。 5G MEC は、遠隔診断、遠隔相談、遠隔専門巡回、遠隔指導、スマート応急処置、ナビゲーションと位置決め、遠隔ロボット超音波、遠隔ロボット手術、医療機器のワイヤレス監視など、病院におけるさまざまなビジネス シナリオのネットワーク要件を満たすことができます。また、病院サービスの独立性と分離性を確保し、サービスのリアルタイム性、信頼性、セキュリティを向上させ、スマート医療が大きな社会的利益を生み出すのに役立ちます。