5G技術研究及其在遠程醫(yī)療、遠程手術中的應用

王圣易

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 應用背景

工業(yè)和信息化部發(fā)布《信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃2016—2020年》,翻開了我國運營商大規(guī)模建設第五代移動通信(5G)網絡的篇章。雖然當前對于5G傳輸速率的定義依然沒有明確的標準,但是相較于第四代移動通信(4G),有一個數(shù)量級的提升。在理想情況下,5G的峰值速率可由4G的300 Mibit/s提升至10 Gibit/s～20 Gibit/s。不僅是速度的提升,5G還有三大應用場景:增強型移動寬帶、大規(guī)模機器通信、超可靠和低延遲通信。

2 增強型移動寬帶

增強型移動寬帶場景相對于4G而言,大幅度提升了基礎速率。增強型移動寬帶方案主要面向超清視頻、虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、高速移動上網等大流量移動寬帶應用業(yè)務,具有帶寬大、延時不敏感、動態(tài)突發(fā)性等特點。相較于分時長期演進系統(tǒng),增強型移動寬帶接入速率能提高數(shù)十倍以上,系統(tǒng)容量能提高近百倍,這對無線網絡的性能提出了極大挑戰(zhàn)。為了解決已有技術無法滿足增強型移動寬帶場景性能指標的問題,引入毫米波、大規(guī)模天線等技術,結合異構網絡來實現(xiàn)性能的提升。

毫米波技術可以有效增大帶寬,從而成倍提高用戶體驗速率。毫米波頻譜如圖1所示。根據波長公式,電磁波速度為300 000 km/s,所對應毫米波頻段為30 GHz～300 GHz,相應波長為1～10 mm。與微波相比,毫米波的帶寬更大,方向性更強,能夠為用戶帶來更高的體驗速率,極大緩解頻譜資源緊張的現(xiàn)狀。同時,毫米波的波長較短,在大規(guī)模天線中結合毫米波技術,可以有效減小天線元素的體積。當然,受制于傳播路徑損耗,毫米波相對高的頻段也會導致更大的路徑損耗,最終造成傳輸距離的大幅度縮短。因此,毫米波很難支持基站與距離較遠的用戶進行高速率信息傳輸,并且由于毫米波的穿透能力差,在非視距傳播及惡劣天氣條件下,性能會受到很大影響。

圖1 毫米波頻譜

大規(guī)模天線技術如圖2所示,指在基站端采用大規(guī)模天線陣列同時服務大量的終端。與傳統(tǒng)多天線系統(tǒng)相比,大規(guī)模天線技術可以提供更高的譜效和能效,并在高可靠性方面提供一定的支持。配置大規(guī)模天線陣列的基站可以通過混合波束成形,使多個天線元素朝同一方向共同收發(fā)。混合波束成形過程如下:首先進行數(shù)字波束成形,形成一定數(shù)量的射頻鏈;然后進行模擬波束成形,形成成形波束。采用混合波束成形的基站不僅可以為用戶提供更高的天線增益,而且可以通過預編碼技術的支持,為更多用戶同時服務。相較于傳統(tǒng)系統(tǒng),大規(guī)模天線技術具有高能效、高譜效的優(yōu)點。

圖2 大規(guī)模天線技術

3 大規(guī)模機器通信

大規(guī)模機器通信目前廣泛應用于大規(guī)模物聯(lián)網開發(fā)。作為5G新拓展出的場景,大規(guī)模機器通信重點是解決傳統(tǒng)移動通信無法很好支持的海量物聯(lián)網連接問題。大規(guī)模機器通信支持1 km2高達一百萬臺設備的連接密度,比4G高出十倍以上。憑借這種能力,5G可以提供支持龐大的蜂窩連接傳感器所需的基礎網絡設施。

4 超可靠和低延遲通信

超可靠和低延遲通信場景的主要目標是減小延遲,與上一代網絡的區(qū)別不僅是速率的差異,更是低延遲。延遲由4G的10～50 ms減小到理論值1 ms。5G網絡可以將4G網絡下的延遲減小至人類感知不到的范圍,所以到5G應用的成熟階段,行業(yè)應用將從大帶寬的特點向低延遲、高可靠性的方向拓展。由此,超可靠和低延遲通信預計將廣泛應用于智能網聯(lián)汽車、智能制造、遠程醫(yī)療等場合,典型應用場景的業(yè)務需求見表1。

相較于4G,5G將對各領域的體驗速度、數(shù)據傳輸速度和密度、端到端延時、便攜性和移動性、頻譜效率、能效等至少提升一個數(shù)量級。考慮到更強大的基礎網絡能力會產生一些特殊領域的應用,可以想象在5G大規(guī)模建設完成后,很可能會出現(xiàn)新的突破性應用,成為經濟增長的新引擎。

5 5G在遠程醫(yī)療中的應用

遠程醫(yī)療指通過特定的技術,充分發(fā)揮大醫(yī)院或?？漆t(yī)療中心的醫(yī)療技術和醫(yī)療設備優(yōu)勢,對醫(yī)療條件較差的邊遠地區(qū)、海島或艦船上的傷病員進行遠距離診斷、治療和咨詢。

隨著國民經濟的不斷發(fā)展,我國各地區(qū)之間的差異越來越明顯,不同地區(qū)的發(fā)展差異勢必會導致醫(yī)療條件的不平衡。有些城市地處發(fā)達地區(qū),各類公立及私立醫(yī)院數(shù)量繁多,三甲醫(yī)院數(shù)不勝數(shù),這類地區(qū)很容易成為周邊及偏遠地區(qū)求醫(yī)問藥的主要目的地。地處欠發(fā)達地區(qū)的城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、鄉(xiāng)村,醫(yī)療資源極度貧乏,無論是醫(yī)師還是醫(yī)療條件都無法和發(fā)達地區(qū)相提并論。遠程醫(yī)療可以在一定程度上打破這種地區(qū)的不公平。

由于無線通信網絡的傳輸能力不足,特別是分配到鄉(xiāng)鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村的覆蓋不全,導致網絡傳輸速率低、延遲大,效果不理想。在遠程醫(yī)療所必須具備的音視頻傳輸能力上的欠缺,嚴重影響醫(yī)師遠程醫(yī)療的診斷效率和診斷精確度。隨著5G的大規(guī)模應用,遠程醫(yī)療能在高傳輸速率及超低延遲的環(huán)境中為醫(yī)師和患者提供無障礙的溝通條件,大幅度提升患者的問診體驗,多人多學科的線上會診也能成為常態(tài)。

2020年9月,全球首個5G+全息遠程診療系統(tǒng)正式在江蘇泰州發(fā)布。在十幾分鐘的5G+全息遠程診療過程中,通過利用5G的大帶寬、低延遲等特點,結合全息影像技術,工作人員將位于海南三亞的全息影像直接投射至泰州現(xiàn)場,針對患者的癥狀進行了準確判斷,同時通過全息投影互動,解答遠程患者關于帕金森病癥的疑問?，F(xiàn)場互動效果顯示,5G+全息遠程診療已經無限接近醫(yī)師與患者面對面的診療體驗。

隨著我國海軍走向深藍的發(fā)展,逐步體現(xiàn)出大量醫(yī)療保障需求,如吉布提基地、南沙島礁、遠洋艦艇等。這類遠洋醫(yī)療資源配置難度較高,針對遠離后方醫(yī)療保障體統(tǒng)的環(huán)境,利用5G穩(wěn)定且低延遲的高速傳輸網絡,通過遠程遙控方式,可以協(xié)助前方外科醫(yī)師完成急診手術,降低醫(yī)療保障團隊中對于高年資外科醫(yī)師專業(yè)類別和數(shù)量的需求。

6 遠遙機器人

一個典型的遠遙機器人操作系統(tǒng)由五個部分組成,分別為操作者、主機器人、從機器人、環(huán)境、通信網絡組,主機器人對應觸覺接口,從機器人又稱遠端工作機器人。遠遙機器人操作系統(tǒng)的原理如圖3所示,不僅極大拓展了人類在危險、惡劣環(huán)境中的作業(yè)能力,而且也為現(xiàn)代遠程醫(yī)療及智慧醫(yī)療系統(tǒng)提供了更多選擇。當然,網絡的引入在給遠遙操作帶來便利的同時,也給控制設計和分析帶來新的挑戰(zhàn),特別是隨著通信網絡的引入,加之機器人系統(tǒng)自身及作業(yè)環(huán)境的復雜性,控制受到相當大的影響。

2019年,電氣與電子工程師協(xié)會成員使用UR3機器人和虛擬現(xiàn)實技術,通過高速穩(wěn)定的傳輸網絡,在實驗室中實現(xiàn)了遠程控制。試驗結果顯示,通過控制回路設置,UR3機器人能夠準確復制人手的運動。試驗人員能夠巧妙地操縱遠遙機器人輕輕撫摸長毛絨玩具,并能執(zhí)行一些實際醫(yī)療任務。為了進一步測試系統(tǒng)的可用性,研究人員向70多名測試用戶演示了這一基于虛擬現(xiàn)實技術的遠遙機器人系統(tǒng),如圖4所示。在其中的一個測試環(huán)節(jié)中,近端與遠端兩處相距約10 km。

圖4 基于虛擬現(xiàn)實技術的遠遙機器人系統(tǒng)

這一系統(tǒng)存在的問題是,如果人手動作很快,每個關節(jié)所需的速度超過這些關節(jié)所能提供的最大速度,那么遠端手臂就會落后于所需復制的動作。另外,由于每個關節(jié)都有不同的速度限制,因此產生的軌跡會略微變形,在一些方向上發(fā)生劇烈變化后,快速移動時會呈現(xiàn)圓形。當然,以上問題在大多數(shù)情況下是可以接受的,并且達到了可操作的水平。

7 5G在遠程手術中的作用

5G 網絡商用化是我國遠程手術進入現(xiàn)代化的標志,5G低延遲、高帶寬、高移動性的特點恰好能夠滿足遠程手術實時性、高效性、穩(wěn)定性的需求,從而推進國內遠程手術的研究熱潮。

2021年10月,內蒙古自治區(qū)腫瘤醫(yī)院微創(chuàng)介入科在醫(yī)院5G中心成功為位于赤峰市松山區(qū)醫(yī)院的肝臟腫瘤患者實施了5G+機器人遠程腫瘤介入手術。醫(yī)師在5G網絡連線下,通過可視化屏幕,用鼠標和鍵盤遠程控制松山區(qū)醫(yī)院計算機斷層掃描室的穿刺機器人機械臂系統(tǒng),快速且精準定位到患者的肝臟病灶,隨后,松山區(qū)醫(yī)院醫(yī)師協(xié)助完成最后的穿刺步驟,手術順利完成。這一手術的實施是在穿刺機器人輔助下進行的,是我國首例5G遠程穿刺機器人輔助介入手術。在5G日漸成熟的當下,萬里之外的專家可以使用手術機器人完成手術,為優(yōu)質醫(yī)療資源再分配提供了新的可能。

2022年6月,采用上海微創(chuàng)醫(yī)療機器人公司自主研發(fā)的圖邁腔鏡手術機器人,通過新疆克州人民醫(yī)院與江蘇省人民醫(yī)院的5G網絡連線,由新疆克州人民醫(yī)院醫(yī)師團隊順利完成兩臺泌尿外科超遠程5G機器人手術。這兩例手術橫跨近5 000 km,是完全由我國外科醫(yī)生采用我國自主研發(fā)的技術,實現(xiàn)迄今為止世界上距離最遠的5G遠程機器人手術。5G與機器人技術完美融合,展現(xiàn)了我國在5G超遠程手術領域的突破和領先,從而實現(xiàn)優(yōu)質醫(yī)療資源下沉,彌補我國不同地區(qū)醫(yī)療資源分配不均的不足。

5G可以將整個網絡的傳輸延遲大大減小,傳輸速率也在4G的基礎上有了飛躍式發(fā)展,但是5G應用于遠程手術依舊面臨了一些不足。

(1) 網絡安全問題。網絡安全性及信息保密性是遠程手術推廣必不可少的重要環(huán)節(jié)。雖然在網絡性能上有了發(fā)展,但是5G畢竟是一種無線網絡通信,依舊會面臨安全性的挑戰(zhàn)。如果缺乏一定的保護機制,那么在手術過程中可能會經歷不可預測的外部攻擊,導致網絡傳輸?shù)牟环€(wěn)定及隱私、機密信息的泄露,更可怕的結果是網絡無法承受外部攻擊導致癱瘓,此時如果手術處于進行中,后果將不堪設想。

(2) 隱私保護問題。5G遠程醫(yī)療必然需要將手術關鍵信息,如音視頻、病人影像學信息等放入公網傳輸,即使使用虛擬專用網絡等保密技術,依舊無法完全避免可能出現(xiàn)的隱私泄露風險。

(3) 網絡覆蓋率問題。雖然我國已經開展了多年5G基礎設施大規(guī)模建設,但是我國幅員遼闊,欠發(fā)達地區(qū)的5G網絡覆蓋依舊不完善,這勢必會限制遠程醫(yī)療的發(fā)展和普及。

8 結束語

5G的推出是通信行業(yè)的一次技術變革,在大規(guī)模組網的前提下,為不同行業(yè)提供了全新的接入模式,很可能會產生全新的現(xiàn)象級應用。雖然當今5G依舊面臨著一些不足,部分地區(qū)的基礎設施建設也亟待加強,但是隨著網絡覆蓋率的提高,更多的場景將會和5G形成新的連接,5G的不斷成熟也會推動5G產業(yè)全面規(guī)范發(fā)展,5G醫(yī)療行業(yè)的規(guī)范化將得到進一步完善。