5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景*

孔祥溢 王 靖 方 儀

(國(guó)家癌癥中心/國(guó)家腫瘤臨床醫(yī)學(xué)研究中心/中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院腫瘤醫(yī)院乳腺外科 北京 100021)

1 引言

2013年5月韓國(guó)三星電子公司宣布已成功開(kāi)發(fā)出第5代移動(dòng)通信技術(shù)，且預(yù)估在2020年大規(guī)模推向市場(chǎng)。該通信技術(shù)被稱為5G(Fifth Generation)，是4G的延伸，目前正經(jīng)歷從概念構(gòu)想到標(biāo)準(zhǔn)化制定的飛躍，已在全球多家互聯(lián)網(wǎng)公司和移動(dòng)通信公司以及交通、媒體、教育、醫(yī)療、金融等多個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展業(yè)務(wù)試驗(yàn)并取得成功。5G技術(shù)可在28 GHz超高頻段以超過(guò)1Gbps/s的速度輸送數(shù)據(jù)，使網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、能源消耗、網(wǎng)絡(luò)容量問(wèn)題等得到極大改善，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入更高級(jí)的發(fā)展階段。醫(yī)療行業(yè)是電子信息高科技在現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域應(yīng)用的先行者，5G網(wǎng)絡(luò)及其促進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，VR)技術(shù)將大大促進(jìn)醫(yī)學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展。

2 5G技術(shù)背景及基本情況

2.1 背景

移動(dòng)通信技術(shù)自20世紀(jì) 70年代的蜂窩通信(一種無(wú)線組網(wǎng)方式)概念提出至今已經(jīng)歷4代發(fā)展歷程。如今人們可以在日常工作和生活中非常便捷地使用智能手機(jī)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(Mobile Internet Device, MID),這得益于4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1-2]。5G網(wǎng)絡(luò)則可將現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度提高至少100倍，帶來(lái)前所未有的體驗(yàn)。5G網(wǎng)絡(luò)面向未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，移動(dòng)數(shù)據(jù)流量在未來(lái)數(shù)年內(nèi)將呈井噴式增長(zhǎng)，到2020年流量將增長(zhǎng)1 000倍。因此5G也常被稱為“劍指2020年的嶄新移動(dòng)通訊技術(shù)”[3]。

2.2 基本情況

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特別強(qiáng)調(diào)用戶的個(gè)人體驗(yàn)和服務(wù)感受，這是研究核心之一，也是區(qū)別于傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要方面。相比4G網(wǎng)絡(luò)，5G在應(yīng)用體驗(yàn)速度、數(shù)據(jù)傳輸速度和密度、端際延時(shí)、便攜性和移動(dòng)性、頻譜效率、能效、成本等方面的需求均有1～2個(gè)數(shù)量級(jí)的提升[3]。未來(lái)移動(dòng)通信更高的帶寬、更小的蜂窩、更密集而靈活的無(wú)縫覆蓋需求將依賴于可提供穩(wěn)定大容量信道并具有靈活資源調(diào)配能力的光通信網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的光網(wǎng)絡(luò)將面臨更大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、光網(wǎng)絡(luò)也終會(huì)趨于統(tǒng)一[4]。

3 5G技術(shù)基本性能與核心技術(shù)

3.1 基本性能

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有3個(gè)最基礎(chǔ)的性能特征：端對(duì)端時(shí)延低(毫秒級(jí)，Ultra Reliable Low Latency Communications, URLLC)、流量密度大(連接數(shù)高，Massive Machine Type Communication, mMTC)、速度快(Enhanced Mobile Broadband, Embb)[4]。正是由于這樣的高性能，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將給現(xiàn)代社會(huì)和生產(chǎn)帶來(lái)巨大變化：第一，即時(shí)應(yīng)用技術(shù)將得到極大改善，從而在GPS導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality,AR)、網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議、智能城市、網(wǎng)絡(luò)即時(shí)游戲、無(wú)人駕駛交通等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；第二，更高數(shù)量級(jí)的連接數(shù)和呈井噴式擴(kuò)充的流量密度使更多的高科技設(shè)備如可穿戴醫(yī)療設(shè)備、智能辦公產(chǎn)品等同時(shí)接入互聯(lián)網(wǎng)，帶給用戶嶄新體驗(yàn)；第三，用戶網(wǎng)絡(luò)速率(目標(biāo)最大10Gbps)，5G將其提高至少100倍，將極大改善服務(wù)體驗(yàn)——零時(shí)延、零等待，同時(shí)也將大大推動(dòng)更多網(wǎng)絡(luò)服務(wù)業(yè)務(wù)的發(fā)展。

3.2 核心技術(shù)

5G通訊包括兩項(xiàng)核心技術(shù)——超高密度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、超高效率的無(wú)限傳輸[5]。5G網(wǎng)絡(luò)下的無(wú)限傳輸技術(shù)是在4G基礎(chǔ)上以電磁波角動(dòng)量特征為基礎(chǔ)，采用多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)的方式實(shí)現(xiàn)。該方式提供充足的空間自由度，使超高效能的新型無(wú)線傳輸技術(shù)滿足系統(tǒng)中多個(gè)用戶在同一時(shí)間進(jìn)行通信。在特定的頻帶范圍內(nèi)使用同一時(shí)頻資源，使信道傳送的數(shù)目提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，極大提高無(wú)限通信效率，解決頻譜擁擠難題。同頻全雙工技術(shù)(Co-time Co-frequency Full Duplex, CCFD)是指在微處理器與外圍設(shè)備之間采用發(fā)送線和接受線各自獨(dú)立的方法實(shí)現(xiàn)交換機(jī)接收和傳輸數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行的技術(shù)[6]，是5G通信系統(tǒng)充分挖掘無(wú)線頻譜資源的一個(gè)重要方向，也是5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展的關(guān)鍵。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(Ultra Dense Network，UDN)也是將來(lái) 5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大幅度提升數(shù)據(jù)流量密度的關(guān)鍵，目前已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域顯示出應(yīng)用潛力[7]。UDN可以良好地改善網(wǎng)絡(luò)覆蓋，成數(shù)量級(jí)地提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量，為多元化、 寬帶化、 綜合化、 智能化、高效化的5G發(fā)展打開(kāi)新格局[7]。新切換算法的出現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署技術(shù)的發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)同和干擾抵御技術(shù)的成熟以及UDN的發(fā)展趨于完善，有利于5G技術(shù)進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸效能。

4 5G網(wǎng)絡(luò)下可穿戴醫(yī)療設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控

4.1 內(nèi)涵

在“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”的大背景下智能手機(jī)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智慧醫(yī)療等新概念、新設(shè)備、新技術(shù)層出不窮，可穿戴醫(yī)療設(shè)備成為技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)?？纱┐髟O(shè)備是可佩戴在人身體上的便攜設(shè)備的總稱，是可穿戴技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式[8]。通過(guò)計(jì)算機(jī)科學(xué)(Computer Science, CS)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通訊、藍(lán)牙、多媒體等技術(shù)將醫(yī)療檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸裝置佩戴或埋植于人體本身或眼鏡、手表、手環(huán)、腳鏈、戒指、項(xiàng)鏈等穿戴飾品，即時(shí)、準(zhǔn)確、高效地記錄人體各項(xiàng)生命體征、病理生理信息，通過(guò)云端傳輸和分析技術(shù)呈現(xiàn)給患者、醫(yī)院、醫(yī)生，使醫(yī)療保健、疾病預(yù)防、診療、隨訪等過(guò)程既舒適便利又準(zhǔn)確科學(xué)[9]。

4.2 特征

可穿戴醫(yī)療設(shè)備的首要特征是高速智能化、可移動(dòng)性、無(wú)線化[10]。傳統(tǒng)的便攜式醫(yī)療設(shè)備只能在接電固定的狀態(tài)下正常運(yùn)行，可穿戴醫(yī)療設(shè)備與其不同的重要特點(diǎn)是高度移動(dòng)性，即不僅在關(guān)機(jī)狀態(tài)下可以移動(dòng)，在運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下也可以實(shí)現(xiàn)便攜。技術(shù)的核心是可穿戴設(shè)備的無(wú)線化，即利用紅外線、藍(lán)牙、WiFi、GPS等高科技手段使設(shè)備可隨患者任意移動(dòng)，準(zhǔn)確檢測(cè)、記錄、無(wú)線傳輸患者各項(xiàng)生理數(shù)據(jù)、生命體征和即時(shí)化驗(yàn)結(jié)果供醫(yī)師參考，真正實(shí)現(xiàn)便攜、可穿戴的特點(diǎn)。未來(lái)10年 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將在4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量密度提高1 000倍以上，極大改善傳輸效能，克服以往傳輸延遲、聯(lián)通滯后的弊端，真正實(shí)現(xiàn)高速智能化以及動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，提供醫(yī)療診斷數(shù)據(jù)。

5 5G網(wǎng)絡(luò)下遠(yuǎn)程診斷

5G網(wǎng)絡(luò)使遠(yuǎn)程診斷真正成為現(xiàn)實(shí)。在未來(lái)20年我國(guó)人口特征將面臨的重要變化是嚴(yán)重老齡化，相應(yīng)地老年疾病發(fā)病率急速增高，對(duì)醫(yī)療資源的需求也隨之大幅增加。然而醫(yī)療人才資源非常緊缺，每年醫(yī)學(xué)畢業(yè)生中從事醫(yī)生工作的只占不足20%。面對(duì)日益增長(zhǎng)的醫(yī)療資源需求與供給緊張的矛盾，有效的解決思路是優(yōu)化醫(yī)療資源配置，盡可能提高配置效率。遠(yuǎn)程醫(yī)療服務(wù)技術(shù)具有廣闊的開(kāi)發(fā)前景，通過(guò)在線診斷、會(huì)診等，醫(yī)療流程大大簡(jiǎn)化，成本大幅降低，生活在偏遠(yuǎn)山區(qū)的人們甚至可以借助5G網(wǎng)絡(luò)足不出戶便接受到直接、即時(shí)的優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源服務(wù)[11]?；颊咴诋?dāng)?shù)蒯t(yī)院即可接受5G網(wǎng)絡(luò)下的遠(yuǎn)程專家會(huì)診、隨訪，優(yōu)化醫(yī)療資源配置、篩選分流患者、幫助用戶管理健康，為醫(yī)生和患者節(jié)省大量時(shí)間、金錢。

6 5G將成為VR大規(guī)模醫(yī)學(xué)應(yīng)用的關(guān)鍵

6.1 研究?jī)?nèi)容與應(yīng)用場(chǎng)景

VR技術(shù)是近年來(lái)新崛起的融合三維顯示、三維建模、傳感測(cè)量和人機(jī)交互等的綜合技術(shù)[12]。研究?jī)?nèi)容涉及人工智能、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、智能控制、心理學(xué)等，是許多相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域交叉、集成的產(chǎn)物。VR借助于光學(xué)設(shè)備和計(jì)算機(jī)技術(shù)制造虛擬影像，建立一種類似真實(shí)的，集視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)于一體的影像場(chǎng)景。用戶可以借助高科技頭盔、眼鏡等輔助設(shè)備與虛擬環(huán)境互動(dòng)，產(chǎn)生身臨其境的感受。VR已經(jīng)深入到生活中的各個(gè)領(lǐng)域，包括教育、交通、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)、游戲娛樂(lè)、軍事、文化藝術(shù)、旅游、制造等。近年來(lái)VR與醫(yī)學(xué)的結(jié)合越來(lái)越緊密，突出體現(xiàn)在虛擬手術(shù)、數(shù)字醫(yī)院、醫(yī)學(xué)模擬演示、實(shí)訓(xùn)模擬演示、教學(xué)實(shí)訓(xùn)演示、醫(yī)院虛擬仿真系統(tǒng)、手術(shù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)等方面[13]。未來(lái)VR將在生物醫(yī)學(xué)仿真應(yīng)用、輔助病情判斷、協(xié)助建立手術(shù)方案、手術(shù)訓(xùn)練教學(xué)、保護(hù)醫(yī)生和降低培訓(xùn)費(fèi)用、藥物研究、康復(fù)醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

6.2 5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的VR

VR在醫(yī)療領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)處理VR需求的速度和容量[14]。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將在VR大規(guī)模醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面發(fā)揮極大的作用。根據(jù)IMT-2020制定的指導(dǎo)方針，5G將提供每秒20Gb的峰值數(shù)據(jù)速率；即便是在蜂窩基站覆蓋邊緣，也可以容易地獲得大于100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速度；每平方米區(qū)域容量為10 Mbps；空中旅行下載往返延遲為1毫秒。與4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G的數(shù)據(jù)吞吐量增加10倍，通信容量增加100倍，而延遲則降低90%以上。VR能夠改變醫(yī)療運(yùn)行模式，使遠(yuǎn)程診療、手術(shù)、醫(yī)學(xué)教育成為可能，有助于醫(yī)院提升工作效率。為盡可能滿足分辨率和視角需求，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的VR對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度、容量、流量的要求非常高,甚至成幾倍、幾十倍的提升。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以更高效地利用資源，在VR大幅度優(yōu)化醫(yī)療生態(tài)圈的過(guò)程中若沒(méi)有5G將無(wú)法創(chuàng)建穩(wěn)定的醫(yī)療業(yè)務(wù)模型。

7 結(jié)語(yǔ)

在醫(yī)療領(lǐng)域遠(yuǎn)程診斷、會(huì)診、手術(shù)、教學(xué)給5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來(lái)很廣闊的發(fā)展空間和機(jī)遇。特別是VR技術(shù)是一項(xiàng)不斷發(fā)展的高科技模擬手段，對(duì)手術(shù)規(guī)劃、專科教學(xué)培訓(xùn)，尤其是手術(shù)技能訓(xùn)練有潛在的重大意義。隨著VR技術(shù)與導(dǎo)航、術(shù)中影像技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，VR與醫(yī)學(xué)的結(jié)合將會(huì)越來(lái)越密切。在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輔助下處理AR和VR需求的速度和容量將大大提高，使其真正在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮重要最用。