5G網絡技術在醫療領域的應用前景*

孔祥溢 王 靖 方 儀

(國家癌癥中心/國家腫瘤臨床醫學研究中心/中國醫學科學院北京協和醫學院腫瘤醫院乳腺外科 北京 100021)

1 引言

2013年5月韓國三星電子公司宣布已成功開發出第5代移動通信技術，且預估在2020年大規模推向市場。該通信技術被稱為5G(Fifth Generation)，是4G的延伸，目前正經歷從概念構想到標準化制定的飛躍，已在全球多家互聯網公司和移動通信公司以及交通、媒體、教育、醫療、金融等多個領域開展業務試驗并取得成功。5G技術可在28 GHz超高頻段以超過1Gbps/s的速度輸送數據，使網絡時延、能源消耗、網絡容量問題等得到極大改善，推動物聯網和互聯網進入更高級的發展階段。醫療行業是電子信息高科技在現實領域應用的先行者，5G網絡及其促進的虛擬現實(Virtual Reality，VR)技術將大大促進醫學的進步和發展。

2 5G技術背景及基本情況

2.1 背景

移動通信技術自20世紀 70年代的蜂窩通信(一種無線組網方式)概念提出至今已經歷4代發展歷程。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和移動互聯網設備(Mobile Internet Device, MID),這得益于4G網絡技術[1-2]。5G網絡則可將現在的網絡傳輸速度提高至少100倍，帶來前所未有的體驗。5G網絡面向未來通信網絡發展需求，移動數據流量在未來數年內將呈井噴式增長，到2020年流量將增長1 000倍。因此5G也常被稱為“劍指2020年的嶄新移動通訊技術”[3]。

2.2 基本情況

5G網絡技術特別強調用戶的個人體驗和服務感受，這是研究核心之一，也是區別于傳統4G網絡技術的重要方面。相比4G網絡，5G在應用體驗速度、數據傳輸速度和密度、端際延時、便攜性和移動性、頻譜效率、能效、成本等方面的需求均有1～2個數量級的提升[3]。未來移動通信更高的帶寬、更小的蜂窩、更密集而靈活的無縫覆蓋需求將依賴于可提供穩定大容量信道并具有靈活資源調配能力的光通信網絡。5G網絡時代的光網絡將面臨更大的機遇和挑戰，無線網絡、光網絡也終會趨于統一[4]。

3 5G技術基本性能與核心技術

3.1 基本性能

5G網絡技術有3個最基礎的性能特征：端對端時延低(毫秒級，Ultra Reliable Low Latency Communications, URLLC)、流量密度大(連接數高，Massive Machine Type Communication, mMTC)、速度快(Enhanced Mobile Broadband, Embb)[4]。正是由于這樣的高性能，5G網絡技術將給現代社會和生產帶來巨大變化：第一，即時應用技術將得到極大改善，從而在GPS導航、虛擬現實、增強現實(Augmented Reality,AR)、網絡視頻會議、智能城市、網絡即時游戲、無人駕駛交通等領域發揮重要作用；第二，更高數量級的連接數和呈井噴式擴充的流量密度使更多的高科技設備如可穿戴醫療設備、智能辦公產品等同時接入互聯網，帶給用戶嶄新體驗；第三，用戶網絡速率(目標最大10Gbps)，5G將其提高至少100倍，將極大改善服務體驗——零時延、零等待，同時也將大大推動更多網絡服務業務的發展。

3.2 核心技術

5G通訊包括兩項核心技術——超高密度的無線網絡、超高效率的無限傳輸[5]。5G網絡下的無限傳輸技術是在4G基礎上以電磁波角動量特征為基礎，采用多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)的方式實現。該方式提供充足的空間自由度，使超高效能的新型無線傳輸技術滿足系統中多個用戶在同一時間進行通信。在特定的頻帶范圍內使用同一時頻資源，使信道傳送的數目提高幾個數量級，極大提高無限通信效率，解決頻譜擁擠難題。同頻全雙工技術(Co-time Co-frequency Full Duplex, CCFD)是指在微處理器與外圍設備之間采用發送線和接受線各自獨立的方法實現交換機接收和傳輸數據同時進行的技術[6]，是5G通信系統充分挖掘無線頻譜資源的一個重要方向，也是5G網絡技術不斷發展的關鍵。超密集異構網絡(Ultra Dense Network，UDN)也是將來 5G 網絡技術大幅度提升數據流量密度的關鍵，目前已經在多個領域顯示出應用潛力[7]。UDN可以良好地改善網絡覆蓋，成數量級地提高網絡系統容量，為多元化、 寬帶化、 綜合化、 智能化、高效化的5G發展打開新格局[7]。新切換算法的出現、網絡動態部署技術的發展、網絡拓撲協同和干擾抵御技術的成熟以及UDN的發展趨于完善，有利于5G技術進一步提高網絡容量和傳輸效能。

4 5G網絡下可穿戴醫療設備遠程監控

4.1 內涵

在“互聯網+醫療”的大背景下智能手機、遠程醫療、智慧醫療等新概念、新設備、新技術層出不窮，可穿戴醫療設備成為技術研發的熱點。可穿戴設備是可佩戴在人身體上的便攜設備的總稱，是可穿戴技術的實現方式[8]。通過計算機科學(Computer Science, CS)、互聯網、物聯網、無線通訊、藍牙、多媒體等技術將醫療檢測和數據傳輸裝置佩戴或埋植于人體本身或眼鏡、手表、手環、腳鏈、戒指、項鏈等穿戴飾品，即時、準確、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呈現給患者、醫院、醫生，使醫療保健、疾病預防、診療、隨訪等過程既舒適便利又準確科學[9]。

4.2 特征

可穿戴醫療設備的首要特征是高速智能化、可移動性、無線化[10]。傳統的便攜式醫療設備只能在接電固定的狀態下正常運行，可穿戴醫療設備與其不同的重要特點是高度移動性，即不僅在關機狀態下可以移動，在運轉狀態下也可以實現便攜。技術的核心是可穿戴設備的無線化，即利用紅外線、藍牙、WiFi、GPS等高科技手段使設備可隨患者任意移動，準確檢測、記錄、無線傳輸患者各項生理數據、生命體征和即時化驗結果供醫師參考，真正實現便攜、可穿戴的特點。未來10年 5G網絡技術將在4G網絡技術的基礎上將移動網絡數據流量密度提高1 000倍以上，極大改善傳輸效能，克服以往傳輸延遲、聯通滯后的弊端，真正實現高速智能化以及動態監測，提供醫療診斷數據。

5 5G網絡下遠程診斷

5G網絡使遠程診斷真正成為現實。在未來20年我國人口特征將面臨的重要變化是嚴重老齡化，相應地老年疾病發病率急速增高，對醫療資源的需求也隨之大幅增加。然而醫療人才資源非常緊缺，每年醫學畢業生中從事醫生工作的只占不足20%。面對日益增長的醫療資源需求與供給緊張的矛盾，有效的解決思路是優化醫療資源配置，盡可能提高配置效率。遠程醫療服務技術具有廣闊的開發前景，通過在線診斷、會診等，醫療流程大大簡化，成本大幅降低，生活在偏遠山區的人們甚至可以借助5G網絡足不出戶便接受到直接、即時的優質醫療資源服務[11]。患者在當地醫院即可接受5G網絡下的遠程專家會診、隨訪，優化醫療資源配置、篩選分流患者、幫助用戶管理健康，為醫生和患者節省大量時間、金錢。

6 5G將成為VR大規模醫學應用的關鍵

6.1 研究內容與應用場景

VR技術是近年來新崛起的融合三維顯示、三維建模、傳感測量和人機交互等的綜合技術[12]。研究內容涉及人工智能、計算機圖形學、智能控制、心理學等，是許多相關學科領域交叉、集成的產物。VR借助于光學設備和計算機技術制造虛擬影像，建立一種類似真實的，集視覺、聽覺、觸覺于一體的影像場景。用戶可以借助高科技頭盔、眼鏡等輔助設備與虛擬環境互動，產生身臨其境的感受。VR已經深入到生活中的各個領域，包括教育、交通、醫療、工業生產、游戲娛樂、軍事、文化藝術、旅游、制造等。近年來VR與醫學的結合越來越緊密，突出體現在虛擬手術、數字醫院、醫學模擬演示、實訓模擬演示、教學實訓演示、醫院虛擬仿真系統、手術仿真訓練系統等方面[13]。未來VR將在生物醫學仿真應用、輔助病情判斷、協助建立手術方案、手術訓練教學、保護醫生和降低培訓費用、藥物研究、康復醫學等領域發揮更加重要的作用。

6.2 5G網絡環境下的VR

VR在醫療領域的大規模應用很大程度上取決于網絡處理VR需求的速度和容量[14]。5G網絡技術將在VR大規模醫學應用方面發揮極大的作用。根據IMT-2020制定的指導方針，5G將提供每秒20Gb的峰值數據速率；即便是在蜂窩基站覆蓋邊緣，也可以容易地獲得大于100Mb/s的數據傳輸速度；每平方米區域容量為10 Mbps；空中旅行下載往返延遲為1毫秒。與4G網絡相比，5G的數據吞吐量增加10倍，通信容量增加100倍，而延遲則降低90%以上。VR能夠改變醫療運行模式，使遠程診療、手術、醫學教育成為可能，有助于醫院提升工作效率。為盡可能滿足分辨率和視角需求，醫學領域中的VR對數據傳輸速度、容量、流量的要求非常高,甚至成幾倍、幾十倍的提升。5G網絡技術可以更高效地利用資源，在VR大幅度優化醫療生態圈的過程中若沒有5G將無法創建穩定的醫療業務模型。

7 結語

在醫療領域遠程診斷、會診、手術、教學給5G網絡技術帶來很廣闊的發展空間和機遇。特別是VR技術是一項不斷發展的高科技模擬手段，對手術規劃、專科教學培訓，尤其是手術技能訓練有潛在的重大意義。隨著VR技術與導航、術中影像技術的聯合應用，VR與醫學的結合將會越來越密切。在5G網絡技術的輔助下處理AR和VR需求的速度和容量將大大提高，使其真正在醫療領域發揮重要最用。