5G技術在醫療器械中的應用

顧云峰

1.上海中興軟件有限責任公司；2.中興通訊股份有限公司

無線通信技術在醫療器械中已得到廣泛的應用，為醫療器械智能化提供通信接口。第5代通信技術標準已經確立，正處于產業應用發展的初期。本文從5G技術的特點出發，結合智慧醫療的需求，探討分析5G技術在醫療器械行業中的應用方向，以期為產業發展提供參考。

隨著人工智能、物聯網、大數據、云計算等技術不斷融入醫療行業，信息數據在患者、醫生、醫療機構、醫療設備之間交互，醫療服務逐步走向智能化。智慧醫療建設，就是要充分運用新技術，提升醫療應用水平和效率，改善患者的就醫體驗，提高醫療服務質量。

現階段5G技術無疑是最先進的新一代移動通信技術。從傳統的通訊功能，滲透到行業應用，是5G應用的最大特點。5G醫療健康是指以第五代移動通信技術為技術依托，發揮醫用的醫療水平優勢，在疾病診斷和治療等方面提供遠程化醫療服務，促進醫療水平?，F階段利用5G的技術優勢，結合醫療設備的應用場景，發展醫療器械產業，賦能智慧醫療，是5G在醫療器械行業的有效應用。本文從醫療器械中的無線技術出發，結合5G的技術特點，初步探討5G技術在醫療器械中的應用。

1 現有醫療器械中運用的無線技術

隨著無線傳輸技術的發展和醫療便捷化的需要，無線技術已經應用到醫療領域，使得醫療更加方便與快捷。無線技術在國外醫療行業應用已經非常廣泛[1]。無線技術在醫療器械行業中的應用，發揮了無線通信技術的“無線”的特點，突破了傳統有線傳輸數據的空間限制，提升了醫療器械數據傳輸的便利性。

目前成熟的無線通信技術有很多種，醫療器械的使用場景和技術要求決定了無線技術的選擇，考慮的技術參數包括功率、速率、功耗、容量、安全性等。如管理醫療設備需要考慮無線技術的最大容量，確保所有的醫療器械都能接入；影像醫療器械需要無線影像數據傳輸就要考慮無線技術的速率和時延，確保高質量畫面傳輸的質量和實時性；運用在便捷式的移動醫療設備中就要考慮功耗，保證不影響醫療設備的待機時間。目前采用較多的為微功率短距離通訊技術，包括藍牙、近場通信、紫蜂技術等技術。這些短距離通信無線技術結合各種醫療器械應用，比如采用UWB的無線心電記錄儀、基于ZigBee的無線內窺鏡，基于NFC的醫療設備管理等，實現了如體征監測、病房監護、醫療設備管理等應用。適合長距離廣覆蓋的蜂窩通信在遠程醫療中也得到了應用。目前在醫療器械中常用的無線技術如表1所示：

表1 醫療器械中的無線技術Tab.1 Wireless technology in medical equipment

2 5G技術現狀

2.1 標準發展

目前通訊標準是由3GPP（3rd Generation Partnership Project）制定。3GPP是全球性的通訊技術標準制定組織，由眾多會員組成。5G技術的第一版標準R15在2018年凍結，通過多個技術變革解決增強移動寬帶，大幅度提升速率。第二版本R16于2020年凍結，重點解決uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications）和mMTC（massive Machine Type Communications）場景，滿足5G在垂直行業應用需要。根據3GPP技術標準規劃，后續版本R17于2020年啟動研究，解決完成5G發展過程的問題。

2.2 我國5G產業發展

2019年6月6日，工信部向中國移動、中國電信、中國聯通、中國廣電頒發了四張5G商用牌照，我國正式從4G進入5G時代。

國家在建設5G網絡基礎設施的同時，也在積極推動5G應用的發展。2019年11月工信部印發了《關于印發“5G+工業互聯網”512工程推進方案的通知》，在工業互聯網積極推動5G應用融合，確定了我國“5G+工業互聯網”的發展目標。2020年3月，工信部印發《關于推動5G加快發展的通知》，提出在5G網絡建設同時，還需要繼續增強5G研發投入力度，建設更多的應用場景。

5G建設已經成為新基建的重要領域，支撐經濟社會向智能化、網絡化、數字化轉型，在促進消費投資、擴大就業機會、創造新型應用等方面潛力巨大。在疫情防控期間，5G在醫療行業進行了多項應用實踐，包括5G+遠程會診、5G+測量體溫等，在疫情防控中發揮了積極的作用。

3 5G與醫療器械密切相關的技術特點

國際電信聯盟在發展之初就設計確定了5G在未來的三大應用場景，eMBB（enhanced Mobile Broadband）、uRLLC和mMTC。為了滿足三大場景需要，5G采用了新的空口技術[2]。根據5G應用場景，整個行業研究促進相關技術發展，完善5G技術規范滿足場景應用要求。

eMBB即增強移動寬帶，在現有的基礎上，提升移動帶寬體驗效果，主要技術指標包括峰值速率、用戶體驗數率、能量效益、頻譜效率、流量密度等。

uRLLC即超高可靠超低時延通信，實現空口時延達到ms級別、可靠性達到99.999%的連接，關鍵技術指標包括用戶時延、可靠性等；

mMTC即大規模機器通訊，提供多連接的承載傳輸通道，實現萬物互聯互通。涉及的技術指標包括連接密度、功耗等。

4 5G在醫療器械中的應用分析

隨著5G應用深入，與整個智慧醫療的各個環節都會滲透融合，具體涉及到智慧醫療的終端、網絡、平臺、應用等不同層次。醫療器械在醫療系統中屬于終端設備，在5G智能醫療網絡中屬于終端層。不同的醫療器械設備對無線技術有不同的技術需求，同樣5G的不同技術特征也適合不同的醫療器械應用。

4.1 eMBB增強移動寬帶應用

增強移動寬帶，在移動條件下大幅度提升數據速率，下行峰值能夠達到20Gbps，上行峰值達到10Gbps。如此高速的數據速率，特別是上行速率，在大數據量傳輸的高端智能醫學影像設備中具有很大的應用前景。

現有的醫療數據大部分來自醫學影像設備產生的音視頻數據。如普遍采用200萬像素的全高清電子內窺鏡，逐行掃描，每秒60幀1080P畫面輸出，未壓縮產生的Raw Data約3Gbps，現在4K超高清內窺鏡，輸出4K超高清畫面，是全高清圖像的4倍，可以觀察到更細微的組織結構，其實時未壓縮的數據量達到13Gbps。4K超高清圖像在實際傳輸中應用壓縮編碼后的傳輸需求約50Mbps左右。

在超高清醫學影像設備上結合5G大帶寬傳輸功能，可以實時分享本地的采集圖像，實現分布式多屏輸出，可實現不同區域同步診斷分析；同時5G高速的將現場大量醫學影像采集數據上傳到云端服務平臺，結合人工智能輔助開展醫學影像分析，能更加快速處理海量記錄數據，更加高效的輔助閱片與勾畫。

4.2 uRLLC超高可靠超低時延通信應用

與之前的蜂窩通訊技術相比，5G在時延與可靠性方面取得了極大的提升。具體目標：用戶面時延不大于1ms，單次傳輸32字節數據包的可靠性為99.999%。5G的超高可靠超低時延是由以往通訊行業切入其他垂直應用的突破口，也是5G最重要的一個典型場景。

控制類的醫療器械是uRLLC在醫療器械實現遠程操作的最佳場景。目前高精器件控制在醫療器械中運用很多，如手術機器人、遠程超聲等。遠程超聲借助智能機械操作手臂，在5G網絡下控制遠端的超聲探頭，開展遠程操作檢查診斷。在手術操作機器人上加載5G網絡，結合遠端視頻和反饋裝置，通過近端操作搖桿完成遠程手術。

高可靠低時延讓遠程醫療更加接近真實。遠程醫學設備在5G技術的推動下市場前景巨大，如遠程診斷系統、遠程手術示教/指導系統。

4.3 mMTC大連接應用

mMTC是對現在物聯網技術的后續演進，面向海量連接的應用場景，具有數據量小、功耗小的特點，滿足100萬每平方公里連接數密度指標要求。

未來的醫療設備很多是便捷的移動式穿戴健康檢測設備，包括心電檢測儀、血糖檢測儀、脈搏血氧儀、血壓檢測儀、藥物輸送儀等。這些設備應用各種功能傳感器采集佩戴者的體外數據或生理參數，通過大容量的5G網絡，有效將數據共享傳輸到云端和其他客戶端，在大數據和融合算法支持下，精準評估用戶健康狀況，使得健康穿戴設備更具智能性和移動性。

海量連接在醫療器械中另一個廣泛應用是設備管理，利用5G海量連接和低功耗的特點，構建醫院醫療物聯網，將園區大量的醫療器械設備連接組網，提升醫療設備管理效率。

5 結語與展望

5G技術推動萬物互聯，為醫療器械智能化發展提供實時、高速和可靠的信息傳輸。5G將會在醫療器械中帶來以下幾點變化：

（1）推動遠程專用設備研制，如遠程診斷設備、遠程手術系統等。5G的技術特征讓遠程醫療更加走進現實。

（2）醫療設備使用更加便捷。醫療器械應用5G技術后，可使數據傳輸無線化，減少線纜數量，方便集成和使用。

（3）醫療器械智能化。應用5G技術，將各種診斷系統和醫療器械設備直接對接，實現信息處理更加及時快捷。

5G在醫療器械中的應用，融合了通訊技術與醫療健康兩大領域，未來市場巨大，也面臨醫療器械相關法規和國家無線電管理兩方面的要求[3]。本文結合5G的技術特點，針對在醫療器械中的具體應用進行初步探討，為未來智能醫療器械產業發展提供參考。