5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用探討

黃學(xué)慶

(安徽桐城市人民醫(yī)院信息工程科 桐城 231400)

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展，大量電子設(shè)備接入移動網(wǎng)絡(luò)，新服務(wù)和應(yīng)用需求層出不窮，流量劇增為4G網(wǎng)絡(luò)承載能力帶來挑戰(zhàn),亟須發(fā)展新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)，即5G網(wǎng)絡(luò)。目前5G網(wǎng)絡(luò)正處于從標(biāo)準(zhǔn)化制定到全面商用的應(yīng)用過程，全球多家互聯(lián)網(wǎng)和移動通信公司已開展部分運營業(yè)務(wù),在交通運輸、多媒體、遠(yuǎn)程教育、信息醫(yī)療、大金融等領(lǐng)域開展業(yè)務(wù)實驗并取得一定程度成功。醫(yī)療行業(yè)是電子信息高科技在現(xiàn)實領(lǐng)域應(yīng)用的先行者，例如在新型冠狀病毒肺炎疫情中遠(yuǎn)程專家會診全部依靠5G網(wǎng)絡(luò)支持應(yīng)用。5G網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)將進一步促進醫(yī)學(xué)的進步和發(fā)展。

2 5G技術(shù)發(fā)展背景

2.1 概述

移動通信是指移動與固定用戶之間或移動用戶之間通過無線電波建立的通信方式。第1代移動通信系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，基于模擬傳輸，具有業(yè)務(wù)量較小、通訊質(zhì)量和安全性較差、沒有加密性、傳輸速度較低等特點。發(fā)展至今第4代移動通信系統(tǒng)(4G)得到廣泛應(yīng)用，但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅速發(fā)展4G網(wǎng)絡(luò)已無法滿足需求，亟須建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)。

2.2 基本情況

5G技術(shù)是最新一代蜂窩移動通信技術(shù)，也是現(xiàn)有移動通信技術(shù)發(fā)展的延續(xù)。在當(dāng)今全球信息化環(huán)境下建立5G的目的是提高網(wǎng)絡(luò)運行性能和數(shù)據(jù)傳輸速率，降低延遲率。在實現(xiàn)高容量和大規(guī)模設(shè)備連接情況下，可更加節(jié)約能源并減少運營和維護成本。5G移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展基礎(chǔ)與前代一致，建立在蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上。通過搭建基站劃分地理區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)使用者提供移動服務(wù)，上述區(qū)域即為蜂窩。蜂窩中所有5G無線設(shè)備通過無線電波、本地天線陣和低功率自動收發(fā)器(發(fā)射機和接收機)進行通信。所有公共頻率池為收發(fā)器分配頻道且在蜂窩中可反復(fù)使用。本地天線通過高帶寬光纖或無線回程網(wǎng)絡(luò)與電話網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接。當(dāng)使用者穿越蜂窩時5G移動設(shè)備將自動切換至新蜂窩天線中以保持信息暢通。

2.3 基本性能

5G相較于4G在性能上有質(zhì)的飛躍。在延遲方面，4G正常在10ms，5G則低于1ms，性能提升10倍。5G每月數(shù)據(jù)流量可達(dá)到7.2Eb，而4G只有1Eb。5G峰值速率約為20Gb/s，為4G的20倍。5G可用頻譜為30GHz，4G只有3GHz。在每平方公里內(nèi)5G可實現(xiàn)100萬個連接，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于4G的10萬個，見圖1。高性能5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用將引發(fā)以下3方面變化：一是即時應(yīng)用技術(shù)將得到較大改善，在全球?qū)Ш较到y(tǒng)、VR虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、車輛飛機無人駕駛等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用；二是更多連接數(shù)和更大流量密度前提下，更多高科技、智能辦公設(shè)備同時接入互聯(lián)網(wǎng)，為用戶帶來嶄新體驗；三是5G高傳輸速率將大幅改善服務(wù)體驗，推動更多網(wǎng)絡(luò)服務(wù)發(fā)展。

圖1 4G和5G性能對比

2.4 核心技術(shù)

2.4.1 波形與多址接入技術(shù)優(yōu)化 正交頻分復(fù)用技術(shù)(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)屬于多載波調(diào)制。通過頻分復(fù)用可實現(xiàn)高速串行數(shù)據(jù)的并行傳輸，且具有較好的抗多徑衰弱能力，可支持多用戶接入且能耗低，因而成為4G普遍采用技術(shù)。通過對OFDM技術(shù)進行優(yōu)化(例如增加窗口或濾波以增強頻率本地化、在不相同用戶與服務(wù)間提升多路傳輸效率)，可使其具有更高的頻譜效率、更簡單的數(shù)據(jù)傳輸屬性，從而實現(xiàn)5G高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸需求。多址接入進一步優(yōu)化5G技術(shù)傳輸穩(wěn)定性，提升頻譜效率，使5G具有更強連接性能[1]。

2.4.2 搭建新型網(wǎng)絡(luò)框架技術(shù) 5G應(yīng)用價值主要體現(xiàn)在可應(yīng)用于多個場景，滿足多種服務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需更加簡易、靈活才能提升數(shù)據(jù)多路徑傳輸效率。一是時間間隔擴展，可將一次傅里葉變換時延降低為4G通信技術(shù)下的12.5%，此架構(gòu)簡易靈活，實現(xiàn)同頻率不同TTI的多路徑數(shù)據(jù)傳輸；二是自包含集成子幀，通過構(gòu)建復(fù)合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將數(shù)據(jù)傳輸和確認(rèn)包含在一個子幀內(nèi)，大大降低通信時延，實現(xiàn)同一頻率的多路傳輸[2-3]。

2.4.3 無線技術(shù)集群通訊系統(tǒng)化 5G是對現(xiàn)有技術(shù)的集成，通過技術(shù)的不斷組合實現(xiàn)通信信息傳輸性能提升，這種特征在集群通訊系統(tǒng)化的無線技術(shù)中表現(xiàn)較為顯著。一是5G通過采取MassiveMIMO技術(shù)布局多個基站以實現(xiàn)信道容量大幅提升，應(yīng)用智能波束成型技術(shù)(如3D波束成型技術(shù))提升信號集中度，由此擴展信號覆蓋區(qū)域廣度。二是5G通過mmWave和頻譜共享技術(shù)實現(xiàn)高頻段頻譜應(yīng)用，提供給用戶光速據(jù)傳輸體驗。通過基站和設(shè)備內(nèi)的多根天線配合智能波束成型和波束追蹤算法可顯著提升5G毫米波覆蓋范圍，排除障礙物對信號的干擾[4-6]，實現(xiàn)更快捷的通訊效果。

3 5G在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景

3.1 遠(yuǎn)程會診

我國幅員遼闊，醫(yī)療資源配置不均，為方便患者就醫(yī)，使其更便捷地接受權(quán)威專家診療，遠(yuǎn)程會診技術(shù)產(chǎn)生。傳統(tǒng)遠(yuǎn)程會診采用有線連接方式進行視頻通信，建設(shè)和維護成本較高、移動性較差。5G網(wǎng)絡(luò)因具有高速率特性可支持4K/8K遠(yuǎn)程高清會診和醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)傳輸與共享，使專家得以及時高效地開展會診，提升診療和現(xiàn)場指導(dǎo)效率，促進優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源下沉，打破空間限制。目前已有實際應(yīng)用案例，例如江蘇大學(xué)附屬醫(yī)院與中國聯(lián)通鎮(zhèn)江分公司5G智慧醫(yī)療進行戰(zhàn)略合作，開展遠(yuǎn)程醫(yī)療會診進社區(qū)活動，運用5G網(wǎng)絡(luò)進行遠(yuǎn)程醫(yī)療會診，效果與在現(xiàn)場會診基本一致，對醫(yī)務(wù)人員而言網(wǎng)絡(luò)延時幾乎可忽略。

3.2 遠(yuǎn)程示教

示教對于手術(shù)教學(xué)具有重要意義，傳統(tǒng)醫(yī)療手術(shù)觀摩和示教主要在手術(shù)室現(xiàn)場或通過錄像進行學(xué)習(xí)?，F(xiàn)場教學(xué)可參與人數(shù)較少，教學(xué)、研究效率較低，對于某些微創(chuàng)手術(shù)因無法對接醫(yī)療設(shè)備而不具備觀摩和示教條件。手術(shù)錄像方式則存在攝像機受手術(shù)設(shè)備電磁干擾，影像效果較差或根本無法錄制等問題。應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合4K醫(yī)療設(shè)備可將手術(shù)畫面進行高清晰度展示，手術(shù)室與會議中心可進行音視頻交流，對手術(shù)進行全程全面現(xiàn)場直播。5G網(wǎng)絡(luò)性能好，直播及交流畫面流暢、無卡頓，細(xì)節(jié)畫面清晰、聲音傳送順暢。目前多省市已開展5G遠(yuǎn)程手術(shù)示教應(yīng)用并取得良好效果。例如甘肅省衛(wèi)生健康委依托省遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)信息平臺，運用電信5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開展首次手術(shù)遠(yuǎn)程示教活動，同時向遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)平臺對接的多家省內(nèi)醫(yī)療機構(gòu)推送。甘肅省中醫(yī)院專家在手術(shù)室通過省遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)信息平臺同步展示局麻經(jīng)皮脊柱內(nèi)鏡下經(jīng)椎板間入路腰5/骶1髓核摘除、神經(jīng)根減壓術(shù)的手術(shù)全過程，在手術(shù)中進行詳細(xì)講解。甘肅省中醫(yī)院遠(yuǎn)程會診中心、甘肅省衛(wèi)生健康委遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)平臺調(diào)度中心通過5G網(wǎng)絡(luò)進行互動。5G技術(shù)可推動醫(yī)療技術(shù)快速向基層擴散，對提升我國醫(yī)療水平具有深遠(yuǎn)影響。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)護

通過5G技術(shù)、智能可穿戴設(shè)備等可實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護[7]。利用計算機科學(xué)、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)將醫(yī)療監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸裝置佩戴或埋植于人體，如眼鏡、手表、手環(huán)、腳鏈、戒指、項鏈等穿戴飾品，從而即時、準(zhǔn)確、高效地記錄人體各項生命體征、病理生理信息，通過云端傳輸和分析技術(shù)快速呈現(xiàn)給患者與醫(yī)生，使醫(yī)療保健、疾病預(yù)防、診療、隨訪等過程既舒適便利又準(zhǔn)確科學(xué)[8]。健康功能已成為智能可穿戴設(shè)備核心關(guān)注點之一，例如智能手表可提供心電圖、心臟房顫監(jiān)測、實時同步健康數(shù)據(jù)到云端等功能。隨著5G技術(shù)發(fā)展，將有更多遠(yuǎn)程監(jiān)護醫(yī)療設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，健康信息可傳輸?shù)綄I(yè)健康機構(gòu)，通過大數(shù)據(jù)實時監(jiān)控用戶身體健康，及時提供健康指導(dǎo)和預(yù)警。

3.4 遠(yuǎn)程手術(shù)

5G技術(shù)可結(jié)合機器人實現(xiàn)遠(yuǎn)程手術(shù)，目前已有應(yīng)用案例。例如解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心利用5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程無線操控機器人床旁系統(tǒng)，為50公里外的實驗豬進行肝小葉切除手術(shù)。手術(shù)全程約60分鐘，術(shù)區(qū)無顯性失血，這是世界首次基于5G技術(shù)的遠(yuǎn)程外科手術(shù)測試。又如解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心與解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院利用5G網(wǎng)絡(luò)跨越3 000公里成功對帕金森病患者實施腦起搏器植入手術(shù)，這是全國首例基于5G的遠(yuǎn)程人體手術(shù)。通過5G通信技術(shù)實施遠(yuǎn)程手術(shù)有利于優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源下沉，縮小分級診療差距，減輕患者經(jīng)濟負(fù)擔(dān)[9]。

4 5G帶來的挑戰(zhàn)

4.1 標(biāo)準(zhǔn)化

只有實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化5G技術(shù)才能得到推廣和廣泛應(yīng)用，目前國家正在制定相關(guān)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。例如在國家衛(wèi)生健康委主導(dǎo)下《基于5G技術(shù)的醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》制定工作于2019年9月啟動[10]。

4.2 穩(wěn)定性

5G的高性能除需要新技術(shù)支撐，還需要物理設(shè)備支撐。在醫(yī)療領(lǐng)域任何細(xì)微差錯都可能導(dǎo)致無法挽回的損失。為盡可能降低5G在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用風(fēng)險，應(yīng)加強對5G設(shè)備維護力度以保持整體穩(wěn)定性。

4.3 安全性

5G新技術(shù)應(yīng)用快速發(fā)展，加快醫(yī)療健康領(lǐng)域數(shù)據(jù)流通，其中有關(guān)病人隱私的數(shù)據(jù)易被非法竊取、利用以實施犯罪。因此應(yīng)充分保障5G環(huán)境下醫(yī)療領(lǐng)域信息安全性。

5 應(yīng)對措施

5.1 醫(yī)療機構(gòu)加強信息化建設(shè)

更新醫(yī)療設(shè)備以及機構(gòu)內(nèi)部5G基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，加強信息化人員培養(yǎng)，提高醫(yī)院信息化水平；醫(yī)療機構(gòu)及時跟進國家5G發(fā)展情況，遵循最新5G標(biāo)準(zhǔn)進行建設(shè)及優(yōu)化、升級，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

5.2 完善整體運行維護機制

定期維護設(shè)備并進行細(xì)致安全檢查。對于關(guān)鍵核心設(shè)備提供備份機器，以應(yīng)對突發(fā)情況實現(xiàn)快速切換，保障系統(tǒng)運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性和安全性。醫(yī)療機構(gòu)需要和設(shè)備制造商、通信行業(yè)等相關(guān)方建立合作互助機制，獲得穩(wěn)定的技術(shù)支持，保證系統(tǒng)不斷升級完善。

5.3 多措并舉保障5G安全使用

加強內(nèi)部人員思想道德建設(shè)及職業(yè)技能培訓(xùn)，杜絕內(nèi)部人員泄露信息；強化醫(yī)院內(nèi)部監(jiān)管，對關(guān)鍵信息、設(shè)備進行監(jiān)控，定期安排人員檢查；接受政府以及社會監(jiān)督，對信息泄露情況及時開展自查，必要時請求執(zhí)法部門參與。

5.4 加強資產(chǎn)管理

醫(yī)療機構(gòu)應(yīng)加強資產(chǎn)管理，降低5G運營成本。結(jié)合5G高速率的特性，推動電子病歷共享，與異地醫(yī)療系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，進而實現(xiàn)整合性醫(yī)療服務(wù)。通過醫(yī)療信息共享減輕患者就醫(yī)負(fù)擔(dān)。

6 結(jié)語

5G和“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”是國家民生領(lǐng)域重大戰(zhàn)略，5G技術(shù)將促進“互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療”發(fā)展進程。5G在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用可改善社會醫(yī)療資源不均衡情況，促進醫(yī)療技術(shù)傳播，對醫(yī)療資源下沉產(chǎn)生積極影響，遠(yuǎn)程會診、監(jiān)控、示教、手術(shù)都將得到普及。在此背景下醫(yī)院要與時俱進、開拓創(chuàng)新，將5G技術(shù)應(yīng)用到實處，為病患就醫(yī)打破時空限制，提供更好的醫(yī)療服務(wù)與資源。