5G技術(shù)在醫(yī)療器械中的應(yīng)用

顧云峰

1.上海中興軟件有限責(zé)任公司；2.中興通訊股份有限公司

無(wú)線通信技術(shù)在醫(yī)療器械中已得到廣泛的應(yīng)用，為醫(yī)療器械智能化提供通信接口。第5代通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確立，正處于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用發(fā)展的初期。本文從5G技術(shù)的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合智慧醫(yī)療的需求，探討分析5G技術(shù)在醫(yī)療器械行業(yè)中的應(yīng)用方向，以期為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)不斷融入醫(yī)療行業(yè)，信息數(shù)據(jù)在患者、醫(yī)生、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、醫(yī)療設(shè)備之間交互，醫(yī)療服務(wù)逐步走向智能化。智慧醫(yī)療建設(shè)，就是要充分運(yùn)用新技術(shù)，提升醫(yī)療應(yīng)用水平和效率，改善患者的就醫(yī)體驗(yàn)，提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量。

現(xiàn)階段5G技術(shù)無(wú)疑是最先進(jìn)的新一代移動(dòng)通信技術(shù)。從傳統(tǒng)的通訊功能，滲透到行業(yè)應(yīng)用，是5G應(yīng)用的最大特點(diǎn)。5G醫(yī)療健康是指以第五代移動(dòng)通信技術(shù)為技術(shù)依托，發(fā)揮醫(yī)用的醫(yī)療水平優(yōu)勢(shì)，在疾病診斷和治療等方面提供遠(yuǎn)程化醫(yī)療服務(wù)，促進(jìn)醫(yī)療水平?，F(xiàn)階段利用5G的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，結(jié)合醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)景，發(fā)展醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)，賦能智慧醫(yī)療，是5G在醫(yī)療器械行業(yè)的有效應(yīng)用。本文從醫(yī)療器械中的無(wú)線技術(shù)出發(fā)，結(jié)合5G的技術(shù)特點(diǎn)，初步探討5G技術(shù)在醫(yī)療器械中的應(yīng)用。

1 現(xiàn)有醫(yī)療器械中運(yùn)用的無(wú)線技術(shù)

隨著無(wú)線傳輸技術(shù)的發(fā)展和醫(yī)療便捷化的需要，無(wú)線技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域，使得醫(yī)療更加方便與快捷。無(wú)線技術(shù)在國(guó)外醫(yī)療行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛[1]。無(wú)線技術(shù)在醫(yī)療器械行業(yè)中的應(yīng)用，發(fā)揮了無(wú)線通信技術(shù)的“無(wú)線”的特點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)有線傳輸數(shù)據(jù)的空間限制，提升了醫(yī)療器械數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋憷浴?/p>

目前成熟的無(wú)線通信技術(shù)有很多種，醫(yī)療器械的使用場(chǎng)景和技術(shù)要求決定了無(wú)線技術(shù)的選擇，考慮的技術(shù)參數(shù)包括功率、速率、功耗、容量、安全性等。如管理醫(yī)療設(shè)備需要考慮無(wú)線技術(shù)的最大容量，確保所有的醫(yī)療器械都能接入；影像醫(yī)療器械需要無(wú)線影像數(shù)據(jù)傳輸就要考慮無(wú)線技術(shù)的速率和時(shí)延，確保高質(zhì)量畫(huà)面?zhèn)鬏數(shù)馁|(zhì)量和實(shí)時(shí)性；運(yùn)用在便捷式的移動(dòng)醫(yī)療設(shè)備中就要考慮功耗，保證不影響醫(yī)療設(shè)備的待機(jī)時(shí)間。目前采用較多的為微功率短距離通訊技術(shù)，包括藍(lán)牙、近場(chǎng)通信、紫蜂技術(shù)等技術(shù)。這些短距離通信無(wú)線技術(shù)結(jié)合各種醫(yī)療器械應(yīng)用，比如采用UWB的無(wú)線心電記錄儀、基于ZigBee的無(wú)線內(nèi)窺鏡，基于NFC的醫(yī)療設(shè)備管理等，實(shí)現(xiàn)了如體征監(jiān)測(cè)、病房監(jiān)護(hù)、醫(yī)療設(shè)備管理等應(yīng)用。適合長(zhǎng)距離廣覆蓋的蜂窩通信在遠(yuǎn)程醫(yī)療中也得到了應(yīng)用。目前在醫(yī)療器械中常用的無(wú)線技術(shù)如表1所示：

表1 醫(yī)療器械中的無(wú)線技術(shù)Tab.1 Wireless technology in medical equipment

2 5G技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展

目前通訊標(biāo)準(zhǔn)是由3GPP（3rd Generation Partnership Project）制定。3GPP是全球性的通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定組織，由眾多會(huì)員組成。5G技術(shù)的第一版標(biāo)準(zhǔn)R15在2018年凍結(jié)，通過(guò)多個(gè)技術(shù)變革解決增強(qiáng)移動(dòng)寬帶，大幅度提升速率。第二版本R16于2020年凍結(jié)，重點(diǎn)解決uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications）和mMTC（massive Machine Type Communications）場(chǎng)景，滿足5G在垂直行業(yè)應(yīng)用需要。根據(jù)3GPP技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，后續(xù)版本R17于2020年啟動(dòng)研究，解決完成5G發(fā)展過(guò)程的問(wèn)題。

2.2 我國(guó)5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展

2019年6月6日，工信部向中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)廣電頒發(fā)了四張5G商用牌照，我國(guó)正式從4G進(jìn)入5G時(shí)代。

國(guó)家在建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的同時(shí)，也在積極推動(dòng)5G應(yīng)用的發(fā)展。2019年11月工信部印發(fā)了《關(guān)于印發(fā)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進(jìn)方案的通知》，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)積極推動(dòng)5G應(yīng)用融合，確定了我國(guó)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展目標(biāo)。2020年3月，工信部印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》，提出在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)同時(shí)，還需要繼續(xù)增強(qiáng)5G研發(fā)投入力度，建設(shè)更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

5G建設(shè)已經(jīng)成為新基建的重要領(lǐng)域，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在促進(jìn)消費(fèi)投資、擴(kuò)大就業(yè)機(jī)會(huì)、創(chuàng)造新型應(yīng)用等方面潛力巨大。在疫情防控期間，5G在醫(yī)療行業(yè)進(jìn)行了多項(xiàng)應(yīng)用實(shí)踐，包括5G+遠(yuǎn)程會(huì)診、5G+測(cè)量體溫等，在疫情防控中發(fā)揮了積極的作用。

3 5G與醫(yī)療器械密切相關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)

國(guó)際電信聯(lián)盟在發(fā)展之初就設(shè)計(jì)確定了5G在未來(lái)的三大應(yīng)用場(chǎng)景，eMBB（enhanced Mobile Broadband）、uRLLC和mMTC。為了滿足三大場(chǎng)景需要，5G采用了新的空口技術(shù)[2]。根據(jù)5G應(yīng)用場(chǎng)景，整個(gè)行業(yè)研究促進(jìn)相關(guān)技術(shù)發(fā)展，完善5G技術(shù)規(guī)范滿足場(chǎng)景應(yīng)用要求。

eMBB即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，提升移動(dòng)帶寬體驗(yàn)效果，主要技術(shù)指標(biāo)包括峰值速率、用戶體驗(yàn)數(shù)率、能量效益、頻譜效率、流量密度等。

uRLLC即超高可靠超低時(shí)延通信，實(shí)現(xiàn)空口時(shí)延達(dá)到ms級(jí)別、可靠性達(dá)到99.999%的連接，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)包括用戶時(shí)延、可靠性等；

mMTC即大規(guī)模機(jī)器通訊，提供多連接的承載傳輸通道，實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)互通。涉及的技術(shù)指標(biāo)包括連接密度、功耗等。

4 5G在醫(yī)療器械中的應(yīng)用分析

隨著5G應(yīng)用深入，與整個(gè)智慧醫(yī)療的各個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)滲透融合，具體涉及到智慧醫(yī)療的終端、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、應(yīng)用等不同層次。醫(yī)療器械在醫(yī)療系統(tǒng)中屬于終端設(shè)備，在5G智能醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)中屬于終端層。不同的醫(yī)療器械設(shè)備對(duì)無(wú)線技術(shù)有不同的技術(shù)需求，同樣5G的不同技術(shù)特征也適合不同的醫(yī)療器械應(yīng)用。

4.1 eMBB增強(qiáng)移動(dòng)寬帶應(yīng)用

增強(qiáng)移動(dòng)寬帶，在移動(dòng)條件下大幅度提升數(shù)據(jù)速率，下行峰值能夠達(dá)到20Gbps，上行峰值達(dá)到10Gbps。如此高速的數(shù)據(jù)速率，特別是上行速率，在大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)母叨酥悄茚t(yī)學(xué)影像設(shè)備中具有很大的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有的醫(yī)療數(shù)據(jù)大部分來(lái)自醫(yī)學(xué)影像設(shè)備產(chǎn)生的音視頻數(shù)據(jù)。如普遍采用200萬(wàn)像素的全高清電子內(nèi)窺鏡，逐行掃描，每秒60幀1080P畫(huà)面輸出，未壓縮產(chǎn)生的Raw Data約3Gbps，現(xiàn)在4K超高清內(nèi)窺鏡，輸出4K超高清畫(huà)面，是全高清圖像的4倍，可以觀察到更細(xì)微的組織結(jié)構(gòu)，其實(shí)時(shí)未壓縮的數(shù)據(jù)量達(dá)到13Gbps。4K超高清圖像在實(shí)際傳輸中應(yīng)用壓縮編碼后的傳輸需求約50Mbps左右。

在超高清醫(yī)學(xué)影像設(shè)備上結(jié)合5G大帶寬傳輸功能，可以實(shí)時(shí)分享本地的采集圖像，實(shí)現(xiàn)分布式多屏輸出，可實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域同步診斷分析；同時(shí)5G高速的將現(xiàn)場(chǎng)大量醫(yī)學(xué)影像采集數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)平臺(tái)，結(jié)合人工智能輔助開(kāi)展醫(yī)學(xué)影像分析，能更加快速處理海量記錄數(shù)據(jù)，更加高效的輔助閱片與勾畫(huà)。

4.2 uRLLC超高可靠超低時(shí)延通信應(yīng)用

與之前的蜂窩通訊技術(shù)相比，5G在時(shí)延與可靠性方面取得了極大的提升。具體目標(biāo)：用戶面時(shí)延不大于1ms，單次傳輸32字節(jié)數(shù)據(jù)包的可靠性為99.999%。5G的超高可靠超低時(shí)延是由以往通訊行業(yè)切入其他垂直應(yīng)用的突破口，也是5G最重要的一個(gè)典型場(chǎng)景。

控制類的醫(yī)療器械是uRLLC在醫(yī)療器械實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的最佳場(chǎng)景。目前高精器件控制在醫(yī)療器械中運(yùn)用很多，如手術(shù)機(jī)器人、遠(yuǎn)程超聲等。遠(yuǎn)程超聲借助智能機(jī)械操作手臂，在5G網(wǎng)絡(luò)下控制遠(yuǎn)端的超聲探頭，開(kāi)展遠(yuǎn)程操作檢查診斷。在手術(shù)操作機(jī)器人上加載5G網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合遠(yuǎn)端視頻和反饋裝置，通過(guò)近端操作搖桿完成遠(yuǎn)程手術(shù)。

高可靠低時(shí)延讓遠(yuǎn)程醫(yī)療更加接近真實(shí)。遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)設(shè)備在5G技術(shù)的推動(dòng)下市場(chǎng)前景巨大，如遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程手術(shù)示教/指導(dǎo)系統(tǒng)。

4.3 mMTC大連接應(yīng)用

mMTC是對(duì)現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的后續(xù)演進(jìn)，面向海量連接的應(yīng)用場(chǎng)景，具有數(shù)據(jù)量小、功耗小的特點(diǎn)，滿足100萬(wàn)每平方公里連接數(shù)密度指標(biāo)要求。

未來(lái)的醫(yī)療設(shè)備很多是便捷的移動(dòng)式穿戴健康檢測(cè)設(shè)備，包括心電檢測(cè)儀、血糖檢測(cè)儀、脈搏血氧儀、血壓檢測(cè)儀、藥物輸送儀等。這些設(shè)備應(yīng)用各種功能傳感器采集佩戴者的體外數(shù)據(jù)或生理參數(shù)，通過(guò)大容量的5G網(wǎng)絡(luò)，有效將數(shù)據(jù)共享傳輸?shù)皆贫撕推渌蛻舳?，在大?shù)據(jù)和融合算法支持下，精準(zhǔn)評(píng)估用戶健康狀況，使得健康穿戴設(shè)備更具智能性和移動(dòng)性。

海量連接在醫(yī)療器械中另一個(gè)廣泛應(yīng)用是設(shè)備管理，利用5G海量連接和低功耗的特點(diǎn)，構(gòu)建醫(yī)院醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)，將園區(qū)大量的醫(yī)療器械設(shè)備連接組網(wǎng)，提升醫(yī)療設(shè)備管理效率。

5 結(jié)語(yǔ)與展望

5G技術(shù)推動(dòng)萬(wàn)物互聯(lián)，為醫(yī)療器械智能化發(fā)展提供實(shí)時(shí)、高速和可靠的信息傳輸。5G將會(huì)在醫(yī)療器械中帶來(lái)以下幾點(diǎn)變化：

（1）推動(dòng)遠(yuǎn)程專用設(shè)備研制，如遠(yuǎn)程診斷設(shè)備、遠(yuǎn)程手術(shù)系統(tǒng)等。5G的技術(shù)特征讓遠(yuǎn)程醫(yī)療更加走進(jìn)現(xiàn)實(shí)。

（2）醫(yī)療設(shè)備使用更加便捷。醫(yī)療器械應(yīng)用5G技術(shù)后，可使數(shù)據(jù)傳輸無(wú)線化，減少線纜數(shù)量，方便集成和使用。

（3）醫(yī)療器械智能化。應(yīng)用5G技術(shù)，將各種診斷系統(tǒng)和醫(yī)療器械設(shè)備直接對(duì)接，實(shí)現(xiàn)信息處理更加及時(shí)快捷。

5G在醫(yī)療器械中的應(yīng)用，融合了通訊技術(shù)與醫(yī)療健康兩大領(lǐng)域，未來(lái)市場(chǎng)巨大，也面臨醫(yī)療器械相關(guān)法規(guī)和國(guó)家無(wú)線電管理兩方面的要求[3]。本文結(jié)合5G的技術(shù)特點(diǎn)，針對(duì)在醫(yī)療器械中的具體應(yīng)用進(jìn)行初步探討，為未來(lái)智能醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。