5G網絡技術在醫療領域的應用探討

黃學慶

(安徽桐城市人民醫院信息工程科 桐城 231400)

1 引言

隨著移動互聯網迅猛發展，大量電子設備接入移動網絡，新服務和應用需求層出不窮，流量劇增為4G網絡承載能力帶來挑戰,亟須發展新一代移動通信網絡，即5G網絡。目前5G網絡正處于從標準化制定到全面商用的應用過程，全球多家互聯網和移動通信公司已開展部分運營業務,在交通運輸、多媒體、遠程教育、信息醫療、大金融等領域開展業務實驗并取得一定程度成功。醫療行業是電子信息高科技在現實領域應用的先行者，例如在新型冠狀病毒肺炎疫情中遠程專家會診全部依靠5G網絡支持應用。5G網絡廣泛應用虛擬現實技術將進一步促進醫學的進步和發展。

2 5G技術發展背景

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代移動通信系統出現在20世紀80年代，基于模擬傳輸，具有業務量較小、通訊質量和安全性較差、沒有加密性、傳輸速度較低等特點。發展至今第4代移動通信系統(4G)得到廣泛應用，但隨著互聯網技術迅速發展4G網絡已無法滿足需求，亟須建設5G網絡。

2.2 基本情況

5G技術是最新一代蜂窩移動通信技術，也是現有移動通信技術發展的延續。在當今全球信息化環境下建立5G的目的是提高網絡運行性能和數據傳輸速率，降低延遲率。在實現高容量和大規模設備連接情況下，可更加節約能源并減少運營和維護成本。5G移動網絡架構發展基礎與前代一致，建立在蜂窩網絡架構上。通過搭建基站劃分地理區域，對區域內使用者提供移動服務，上述區域即為蜂窩。蜂窩中所有5G無線設備通過無線電波、本地天線陣和低功率自動收發器(發射機和接收機)進行通信。所有公共頻率池為收發器分配頻道且在蜂窩中可反復使用。本地天線通過高帶寬光纖或無線回程網絡與電話網絡和互聯網連接。當使用者穿越蜂窩時5G移動設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每月數據流量可達到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5G可實現100萬個連接，遠遠多于4G的10萬個，見圖1。高性能5G網絡應用將引發以下3方面變化：一是即時應用技術將得到較大改善，在全球導航系統、VR虛擬現實、增強現實、車輛飛機無人駕駛等領域發揮重要作用；二是更多連接數和更大流量密度前提下，更多高科技、智能辦公設備同時接入互聯網，為用戶帶來嶄新體驗；三是5G高傳輸速率將大幅改善服務體驗，推動更多網絡服務發展。

圖1 4G和5G性能對比

2.4 核心技術

2.4.1 波形與多址接入技術優化 正交頻分復用技術(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)屬于多載波調制。通過頻分復用可實現高速串行數據的并行傳輸，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。通過對OFDM技術進行優化(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、更簡單的數據傳輸屬性，從而實現5G高速、可靠的數據傳輸需求。多址接入進一步優化5G技術傳輸穩定性，提升頻譜效率，使5G具有更強連接性能[1]。

2.4.2 搭建新型網絡框架技術 5G應用價值主要體現在可應用于多個場景，滿足多種服務需求，網絡架構需更加簡易、靈活才能提升數據多路徑傳輸效率。一是時間間隔擴展，可將一次傅里葉變換時延降低為4G通信技術下的12.5%，此架構簡易靈活，實現同頻率不同TTI的多路徑數據傳輸；二是自包含集成子幀，通過構建復合網絡架構將數據傳輸和確認包含在一個子幀內，大大降低通信時延，實現同一頻率的多路傳輸[2-3]。

2.4.3 無線技術集群通訊系統化 5G是對現有技術的集成，通過技術的不斷組合實現通信信息傳輸性能提升，這種特征在集群通訊系統化的無線技術中表現較為顯著。一是5G通過采取MassiveMIMO技術布局多個基站以實現信道容量大幅提升，應用智能波束成型技術(如3D波束成型技術)提升信號集中度，由此擴展信號覆蓋區域廣度。二是5G通過mmWave和頻譜共享技術實現高頻段頻譜應用，提供給用戶光速據傳輸體驗。通過基站和設備內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]，實現更快捷的通訊效果。

3 5G在醫療領域的應用前景

3.1 遠程會診

我國幅員遼闊，醫療資源配置不均，為方便患者就醫，使其更便捷地接受權威專家診療，遠程會診技術產生。傳統遠程會診采用有線連接方式進行視頻通信，建設和維護成本較高、移動性較差。5G網絡因具有高速率特性可支持4K/8K遠程高清會診和醫學影像數據傳輸與共享，使專家得以及時高效地開展會診，提升診療和現場指導效率，促進優質醫療資源下沉，打破空間限制。目前已有實際應用案例，例如江蘇大學附屬醫院與中國聯通鎮江分公司5G智慧醫療進行戰略合作，開展遠程醫療會診進社區活動，運用5G網絡進行遠程醫療會診，效果與在現場會診基本一致，對醫務人員而言網絡延時幾乎可忽略。

3.2 遠程示教

示教對于手術教學具有重要意義，傳統醫療手術觀摩和示教主要在手術室現場或通過錄像進行學習?，F場教學可參與人數較少，教學、研究效率較低，對于某些微創手術因無法對接醫療設備而不具備觀摩和示教條件。手術錄像方式則存在攝像機受手術設備電磁干擾，影像效果較差或根本無法錄制等問題。應用5G網絡并結合4K醫療設備可將手術畫面進行高清晰度展示，手術室與會議中心可進行音視頻交流，對手術進行全程全面現場直播。5G網絡性能好，直播及交流畫面流暢、無卡頓，細節畫面清晰、聲音傳送順暢。目前多省市已開展5G遠程手術示教應用并取得良好效果。例如甘肅省衛生健康委依托省遠程醫學信息平臺，運用電信5G網絡技術開展首次手術遠程示教活動，同時向遠程醫學平臺對接的多家省內醫療機構推送。甘肅省中醫院專家在手術室通過省遠程醫學信息平臺同步展示局麻經皮脊柱內鏡下經椎板間入路腰5/骶1髓核摘除、神經根減壓術的手術全過程，在手術中進行詳細講解。甘肅省中醫院遠程會診中心、甘肅省衛生健康委遠程醫學平臺調度中心通過5G網絡進行互動。5G技術可推動醫療技術快速向基層擴散，對提升我國醫療水平具有深遠影響。

3.3 遠程監護

通過5G技術、智能可穿戴設備等可實現遠程監護[7]。利用計算機科學、互聯網、物聯網等信息技術將醫療監測和數據傳輸裝置佩戴或埋植于人體，如眼鏡、手表、手環、腳鏈、戒指、項鏈等穿戴飾品，從而即時、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快速呈現給患者與醫生，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[8]。健康功能已成為智能可穿戴設備核心關注點之一，例如智能手表可提供心電圖、心臟房顫監測、實時同步健康數據到云端等功能。隨著5G技術發展，將有更多遠程監護醫療設備接入互聯網，健康信息可傳輸到專業健康機構，通過大數據實時監控用戶身體健康，及時提供健康指導和預警。

3.4 遠程手術

5G技術可結合機器人實現遠程手術，目前已有應用案例。例如解放軍總醫院第一醫學中心利用5G網絡遠程無線操控機器人床旁系統，為50公里外的實驗豬進行肝小葉切除手術。手術全程約60分鐘，術區無顯性失血，這是世界首次基于5G技術的遠程外科手術測試。又如解放軍總醫院第一醫學中心與解放軍總醫院海南醫院利用5G網絡跨越3 000公里成功對帕金森病患者實施腦起搏器植入手術，這是全國首例基于5G的遠程人體手術。通過5G通信技術實施遠程手術有利于優質醫療資源下沉，縮小分級診療差距，減輕患者經濟負擔[9]。

4 5G帶來的挑戰

4.1 標準化

只有實現標準化5G技術才能得到推廣和廣泛應用，目前國家正在制定相關建設標準。例如在國家衛生健康委主導下《基于5G技術的醫院網絡建設標準》制定工作于2019年9月啟動[10]。

4.2 穩定性

5G的高性能除需要新技術支撐，還需要物理設備支撐。在醫療領域任何細微差錯都可能導致無法挽回的損失。為盡可能降低5G在醫療領域應用風險，應加強對5G設備維護力度以保持整體穩定性。

4.3 安全性

5G新技術應用快速發展，加快醫療健康領域數據流通，其中有關病人隱私的數據易被非法竊取、利用以實施犯罪。因此應充分保障5G環境下醫療領域信息安全性。

5 應對措施

5.1 醫療機構加強信息化建設

更新醫療設備以及機構內部5G基礎網絡建設，加強信息化人員培養，提高醫院信息化水平；醫療機構及時跟進國家5G發展情況，遵循最新5G標準進行建設及優化、升級，實現可持續發展。

5.2 完善整體運行維護機制

定期維護設備并進行細致安全檢查。對于關鍵核心設備提供備份機器，以應對突發情況實現快速切換，保障系統運轉穩定性和安全性。醫療機構需要和設備制造商、通信行業等相關方建立合作互助機制，獲得穩定的技術支持，保證系統不斷升級完善。

5.3 多措并舉保障5G安全使用

加強內部人員思想道德建設及職業技能培訓，杜絕內部人員泄露信息；強化醫院內部監管，對關鍵信息、設備進行監控，定期安排人員檢查；接受政府以及社會監督，對信息泄露情況及時開展自查，必要時請求執法部門參與。

5.4 加強資產管理

醫療機構應加強資產管理，降低5G運營成本。結合5G高速率的特性，推動電子病歷共享，與異地醫療系統實現互聯互通，進而實現整合性醫療服務。通過醫療信息共享減輕患者就醫負擔。

6 結語

5G和“互聯網+醫療”是國家民生領域重大戰略，5G技術將促進“互聯網+醫療”發展進程。5G在醫療領域的應用可改善社會醫療資源不均衡情況，促進醫療技術傳播，對醫療資源下沉產生積極影響，遠程會診、監控、示教、手術都將得到普及。在此背景下醫院要與時俱進、開拓創新，將5G技術應用到實處，為病患就醫打破時空限制，提供更好的醫療服務與資源。