5G移動網絡技術結合現有醫療應用探索

馮國斌 劉艷亭

(首都醫科大學附屬北京同仁醫院 北京100730)

1 引言

移動通信自20世紀80年代初誕生以來大約每10年經歷一次標志性技術革新，1G時代使無線通話成為可能，2G時代使短信和文字頁面成為可能，3G時代使簡單的網絡應用和低質量的視頻通話成為可能，4G時代實現高速下載、上傳及在線視頻，5G時代將實現人與人、人與物、物與物聯網的全面連接以及多樣化終端。5G時代，只有使新興技術結合具體生產環境，落地到具體應用中才能真正實現技術服務于生產的宗旨。本文將從技術特點、應用場景等具體層面展開說明，根據5G網絡具體特點分析其對于醫療應用的實際幫助。

2 5G網絡區別于4G的特點

2.1 高性能

5G網絡較4G具備更強性能，體驗速率是4G網絡的10～100倍，空口時延是其1/5，最低低至0.5 ms，頻譜效率是其3～5倍，能效是其100倍。5G網絡具有極高速率、極大容量、極低延遲以及極小能耗。

2.2 連續廣域覆蓋

隨著業務不斷發展，網絡需要做到無所不包，廣泛存在。只有這樣才能支持更加豐富的業務，在更復雜的場景上使用。在用戶邊緣速率方面，4G網絡為DL 2Mbps，5G網絡為DL 10～100Mbps；在移動性方面，4G網絡為<300 Km/h，5G網絡為<500Km/h；在單項空口延時方面，4G網絡為10 ms，5G網絡為4 ms；在接入延時方面，4G網絡為100ms，5G網絡為10ms。

2.3 低延時高可靠

5G對于延時的最低要求是1 ms，甚至更低，可靠性高達99.999%，對目前的網絡提出較苛刻的要求。

2.4 熱點高容量

相較于4G網絡，5G網絡有著更高的速度，使得對于速度要求較高的應用得以實現，隨著新興技術的使用，其速度還將有進一步提升空間。5G網絡用戶體驗速率為DL 1.3Gbps，小區平均吞吐量為800Mbps/Cell；4G網絡用戶體驗速率為DL 80Mbps，小區平均吞吐量為35Mbps /Cell。

2.5 低功耗大連接

5G網絡面向萬物互聯，支持高密度鏈接、低功耗要求，從而降低聯網設備充電頻率和應用范圍，使終端用戶體驗得到提升，促進物聯網類產品的快速普及。5G網絡連接數密度為106/km2，4G網絡為105/km2。

3 5G網絡關鍵技術[1]

3.1 移動邊緣計算(Mobile Edge Computing，MEC)[2]

一種分布式的邊緣網絡結構，通過靠近數據源建設的開放平臺能就近為用戶提供相關服務，減少路由迂回，降低時延。通過靠近用戶側的分布式計算實現業務就近處理，有效支撐時延敏感型業務。將內容與計算能力下沉并提供智能化的流量調度，可降低對核心網及骨干網的帶寬占用，提升網絡接入能力和利用率。邊緣計算時要在基站上建立計算和存儲能力，在最短時間內完成計算和發出指令。面向上層應用和業務開放各類無線和網絡信息，推動移動網絡與行業應用的深度融合，促進行業信息化水平提升和服務模式創新。5G移動邊緣計算部署，見圖1。

圖1 5G移動邊緣計算部署

3.2 網絡切片技術[3]

5G網絡中虛擬化專網的實現方式，利用網絡各層的物理和邏輯隔離技術為不同垂直行業用戶提供相互隔離、功能可定制的網絡服務。通過功能解耦的模塊化設計，控制與承載功能分離，各功能間以服務的方式進行調用，實現底層云化等顛覆性設計，支持端到端的切片能力、能力按需求位置部署等，實現網絡定制化、開放化、服務化。傳統的單一組網方式演變為按需定制化組網。具有以下特點：一是定制性，網絡能力、網絡性能、接入方式、服務范圍/部署策略均可定制。二是隔離性/專用性，切片服務于特定的應用場景，不同切片之間相互隔離，互不影響。三是質量可保證，按照垂直行業需求，滿足其服務水平協議(Service Level Agreement，SLA)服務質量要求。四是統一平臺，網絡切片將基于NFV/SDN統一基礎設施靈活構建，見圖2。

圖2 5G網絡切片技術邏輯

3.3 正交頻分多路復用技術(Orthogonal FrequencyDivision Mutiplexing，OFDM)優化波形與多址接入

5G網絡基于OFDM的波形和多址接入具有高頻譜效率和低數據復雜性的特點，OFDM可實現多種增強功能，如通過加窗或濾波增強頻率本地化在不同用戶與服務之間，提高多路傳輸效率和創建單載波OFDM波形實現高能效上行的鏈路傳輸。

3.4 OFDM加窗增加多路傳輸效率

為使相鄰頻帶互不干擾，頻帶內、外信號輻射要盡可能小，OFDM實現波形后處理(POST-Processing)，如時域加窗或頻域濾波來提升頻率局域化。

3.5 實現可擴展的OFDM間隔參數配置

OFDM子載波間的15KHz間隔LTE最高可支持20MHz的載波帶寬。為連接更豐富的設備，5G將利用盡可能多的頻譜如毫米微波、非授權頻段等。5G NR將引入可擴展的OFDM間隔參數配置，這一點十分重要，因為當快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)為滿足更大帶寬擴展尺寸必須保證不會增加處理的復雜性，而為支持多種部署模式的其他信道寬度，5G NR必須適應不同參數配置，在統一框架下提高多路傳輸效率。另外5G NR可以跨越參數實現載波聚合，如聚合毫米波赫爾6GHz以下頻段的載波。

3.6 多天線技術(大規模MIMO)

一種增加容量的技術，在理論上能將容量成倍數提高。簡單地說就是在現有基礎上通過增加天線數量，配置數10根甚至數百根以上的天線，支持數10個獨立空間數據流交互，實現用戶系統頻譜效率的大幅提升。如目前比較主流的MIMO技術，大規模MIMO技術能夠在不增加頻譜資源的情況下降低發射功率、減小區域間干擾。

3.7 網絡自組織

指的是網絡部署階段的自動規劃和配置以及網絡維護階段的自動優化和愈合。自動配置即新增加的網絡節點配置可以實現即插即用功能，具有低成本、易安裝等特點；自動規劃是指動態地進行網絡規劃并自動執行，需滿足系統的容量擴展、業務監測、優化結果等方面需求。自動愈合是指系統可以自動發現、定位、監測、解決問題的功能，從而極大降低后期維護成本。

3.8 設備到設備通信(D2D會話)

通信會話數據直接在終端之間進行傳輸，不需要通過基站的數據轉發。而相關的控制信令如會話的建立與維持、無線資源的分配等需要由蜂窩網絡負責。引入設備到設備通信可以有效減輕基站運行負載，降低端到端的數據傳輸延遲，提升頻譜效率，同時還可以降低終端發射功率。當遇到無線通信基礎設備損壞或無線網絡覆蓋盲區時，終端可以借助設備到設備通信技術快速實現端到端的通信。

4 5G網絡升級現有醫療模式的可行性[4]

4.1 目前網絡條件下醫療信息化發展局限性

主要包括無法實現實時高清音視頻遠程會診；無法滿足醫學影像等大數據量低延時傳輸；無法支持對于延時、可靠性要求較高的遠程操控類醫療業務發展。5G技術可以很好地解決以上局限性問題，其一高帶寬可以實現醫患、醫護間的4K高清音視頻交互，實現海量醫學影像高速傳輸共享；其二低延時實現遠程操控檢查類應用的實時操控；其三高可靠實現遠程操控手術類應用的精準控制以及醫療相關系統的安全高效接入；其四廣連接實現院內、院外、院前急救等多種場景的檢驗檢測設備、患者可穿戴設備的連接。

4.2 高清視頻、虛擬現實等技術

5G超大帶寬將促進高清視頻、虛擬現實等技術在醫療行業的應用。4K/8K高清視頻、虛擬現實(Virtual Reality，VR)/增強現實(Augmented Reality，AR)等技術可用于遠程會診、應急救援、醫療教學等場景，使會診更清晰、教學更生動，真正實現異地就診，區域醫療集成。5G高帶寬技術的運用使得多路云視頻、多路高清視頻回傳，起搏器、患者面部表情、醫生端輔流、患者體征數據得以高效、準確地傳輸。

4.3 遠程操控

基于5G網絡低延時、高可靠的特性，推動遠程醫療向遠程操控治療發展，使專家遠程控制機械臂及超聲探頭等技術的開展得到有效保障，實現遠程超聲檢查、查房、手術等業務的拓展。可以使手術協同實時同步，如果術中出現緊急狀況，遠端醫療專家可及時看到并實時作出指導，打破手術時間、空間限制。未來還有望實現“無人手術”，即基于5G技術可以遠程操控手術機械人進行手術，方便更多邊遠地區患者。

4.4 可穿戴監測設備、人工智能醫療輔助

5G網絡的廣連接特性將有力支持患者可穿戴設備的數據接入傳輸、藥品、耗材、設備乃至人員的定位管理。實現過程追溯。5G智連萬物，促進醫療人工智能蓬勃發展。5G使人工智能數據更豐富、連接更可靠、迭代更敏捷，必將極大推動醫療人工智能在健康管理、慢性病管理、輔助診斷等各方面的蓬勃發展。

4.5 基于5G的醫療組網方案[5]

基于5G網絡，數據采集終端發送業務流之前通過5G基站經由承載/傳送網與核心網建立信令連接，經過移動邊緣計算的處理后將業務流經由承載/傳送網和5G基站傳送至數據顯示終端，用戶側網關和邊緣計算節點的下沉使得數據傳輸轉發下延，減少在核心層的迂回傳輸，降低大部分數據在網絡中的傳輸距離以及傳輸時延，保障各項數據的實時性，這些是傳統網絡所不具備的。在無線應用越來越普遍的今天采用這種方法組網，而非傳統線路(光纖)方式使部署更加靈活、維護更加簡便、成本更加低廉，基于網絡運營商提供的安全保障使得組網后的安全部署得以統一實現。基于5G網絡的組網，見圖3。

圖3 基于5G網絡的組網

5 應用與前景

5.1 實現遠程醫療會診

目前5G商業性應用還屬于起步階段，對于醫療行業的結合也只是探索性嘗試。隨著5G標準的確定、5G芯片的普及，新技術迭代原有技術已是不可阻擋的必然趨勢，應勇于嘗試、敢于實踐。5G應用前景展望，見圖4。目前醫療行業已有多家單位正在嘗試5G與醫療應用的結合并初見成效。如中日友好醫院在5G網絡環境下，利用國家遠程醫療協同平臺，成功與安徽金寨縣人民醫院完成1例遠程急重會診。在本次遠程醫療會診中實現醫學影像、電子病歷、病理信息等大約2GB的醫療數據傳輸、同步調閱。解決目前4G網絡對于大數據傳輸時的技術瓶頸難題。在傳統4G網絡環境下如果對病理片圖像進行移動、縮放等操作，圖像會有明顯延遲，而5G網絡下則大大縮短這類操作的反應時間，做到瞬時響應，使前端用戶體驗大幅提升。最大變化還是體現在數據傳輸方面。此次遠程醫療會診的成功實施為中日友好醫院后續準備開展的超聲遠程操作提供寶貴實踐經驗。

5.2 實現遠程人體手術

中國人民解放軍總醫院成功完成全國首例基于5G的遠程人體手術——帕金森病腦起搏器植入手術。通過5G網絡跨越北京、海南兩地實現手術過程遠程操控、指導，充分驗證通過5G網絡實施該類遠程手術的可靠性、穩定性，方便患者就近享受優質醫療資源。此次遠程手術順利實施得益于5G網絡大帶寬、高速率、低時延的特性，有效保障遠程手術所要求的穩定性、可靠性和安全性等指標，使專家可隨時隨地掌控手術進程和術中患者體征情況。借助5G網絡避免4G網絡條件下手術視頻卡頓、遠程控制延遲等難點問題，手術近乎實時操作。通過遠程手術，上級醫院高質量、高水平的專家可遠程直接對偏遠地區患者進行手術，完成以往在基層難以完成的手術。該手術是新型信息技術與醫療技術的創新應用，對降低患者醫療成本、助力優質醫療資源下沉具有重要意義，起到5G醫療的標桿示范作用。

5.3 實現院前醫療急救

鄭州大學第一附屬醫院根據業務部門的5G醫療急救車、遠程機器人超聲、遠程機器人查房等業務需求，在新老院區開展無線網建設方案規劃。通過5G網絡實現全國首次移動狀態下遠程會診，急救車在移動狀態下與鄭州大學第一附屬醫院國家遠程中心連線兩路1080P(30幀/秒)高清視頻，實現醫院與急救車內的音視頻交互，輔助醫院實時對急救現場進行遠程救治指導，整個測試過程音視頻流暢，無明顯卡頓和時延，滿足遠程會診和救治指導需求，充分體現5G超大帶寬、超高可靠、超低時延的網絡特性。下一步還將利用5G網絡實現在急救車轉運途中醫療人員借助移動終端調閱患者電子病歷信息，通過車載移動醫療裝備持續監護患者生命體征，通過車載攝像頭與遠端專家會診病情協同診斷治療，為患者救治爭取寶貴時間，全面實現電子病歷、生命體征數據(心電、影像、超聲等大數據量數據)共享與整合、院內和指揮中心可視化顯示、指揮調度、遠程救治指導、手術輔助等功能。隨著5G技術的不斷成熟，今后必然會越來越多地應用到具體醫療業務中，服務于廣大患者。

圖4 5G應用前景