基于5G技術的智慧醫療應用仿真技術探析

周 巍

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

5G 技術是第五代移動通信技術的簡稱，從2019年6月國家頒發牌照至今，5G技術在各行各業得到了深入的應用。5G 技術相較于4G 技術，速度提高10~100 倍，峰值速度高達10Gbit/s，而端到端延遲縮小到ms 級，流量密度增加1000 倍，使連接性提高10~100倍，同時，為確保500km/h 的最佳用戶體驗，頻譜效率提高了5~10倍。5G技術的出現和普及使通信技術突破既定模式，讓用戶得到前所未有的使用體驗，使人與物、人與人之間的距離進一步拉近，拉開了人與萬物共融時代的帷幕[1]。

智慧醫療則是當前醫療服務事業發展中所提出的新型醫療模式，是將物聯網技術以及云計算技術融入醫療服務之中，構建出以患者數據為核心的醫療服務平臺[2]。將5G技術和智慧醫療技術相結合，能依托5G 技術的高帶寬、高速率、低時延特性，為智慧醫療提供強大的連接能力，且連接不受地理位置和距離遠近的限制，以及能將醫療數據、視頻、圖像等進行實時傳輸，保障智慧醫療工作順利進行。

目前已經有很多學者、企業、運營商或行業工作者等開始關注和研究5G 技術在智慧醫療領域的應用[3-6]。 2019年，廣東省人民醫院攜手運營商和企業，共同打造國內領先的5G 應用示范醫院，在遠程醫療影像、遠程醫療、醫療數字化服務提升及大數據等方面開展合作[7]。同年，中國人民解放軍總醫院與中國移動和華為合作，成功完成全國首例基于5G 技術的遠程人體手術——帕金森病“腦起搏器”植入手術[8]。2023年2月，浙大邵逸夫醫院普外科團隊在中國電信5G定制網絡及我國國產原研手術機器人圖邁的基礎上，完成我國首例5G超遠程機器人肝膽手術，在杭州機器人手術中心成功為新疆阿拉爾患者實施了膽囊切除術[9]。雖然國內外已經開始探索5G 技術在智慧醫療領域的應用，但現階段在智慧醫療中應用5G 技術也還存在一定問題，如由于政策規定限制，或醫院間的壁壘，應用還存在落地難的問題；同時技術發展和建設還處于實驗階段，還不夠成熟，再加上人民對新型技術的應用還抱有顧慮，還存在接受度不高問題；隨著人民對信息安全、隱私等的關注，還擔心信息泄露等問題，等。因此還需要相關行業、企業、研究者等共同努力探索出適合我國國情的5G智慧醫療建設模式。因此，有必要對5G 技術在智慧醫療領域中的應用進行研究。

本文主要研究5G 技術在智慧醫療領域內的應用，尤其是基于5G 技術的智慧醫療應用仿真技術?，F有5G 技術在智慧醫療領域應用的現實部署中，需要耗費人力、物力和財力，建設還需要時間周期，部署后業務測試、方案驗證、方案調整等都很麻煩，針對建設過程中存在的建設周期長、業務調試周期長、方案驗證難、維修調整不方便、耗費成本大等問題，因此本文選用IUV 5G全網部署與優化仿真教學系統軟件來仿真實現，探析了基于5G 技術的智慧醫療應用仿真技術，為5G 技術在智慧醫療領域應用提供理論依據和實踐指導。

1 5G技術在智慧醫療領域的應用

5G 技術在智慧醫療領域的應用有以下幾個方面：

1.1 遠程會診

遠程會診對傳送影像有特殊的需求，通常需要1080P和超過30FPS的實時視頻傳輸，而4G網絡帶寬和傳輸速率都不能滿足需求，會導致遠程會診出現卡頓或延時的現象發生。5G 網絡的高速率、低延時特性，可實現4K/8K 遠程診療，并可實現圖像數據的高速傳送與共享，讓專家會診不受時間、地點等限制進行會診，從而提升診斷的準確度和指導的有效性，推動優質醫療資源的共享和下沉。在疫情大流行期間，5G 技術還被業界用于一系列高清視頻會議，用于遠程咨詢、討論和會議等。

1.2 遠程超聲

5G 技術的微秒延時特性，可讓資深醫師操控機器人手臂，實現對超音波的實時檢測。

1.3 遠程手術

5G網絡的高速率、高帶寬和低延遲，為遠程手術提供了穩定、可靠、安全的服務保障。通過5G的切片技術，配合智能終端或人工智能機器手臂等，讓專家遠程完成在線手術，并讓專家手術過程中隨時掌握手術狀況及病人的情況。

1.4 應急救援急救

應急救援急救通過利用5G技術，將前端救護車、后端醫院以及一些智能設備結合起來，實現前端和后端的無縫連接，充分利用黃金搶救時間，保障病人的生命安全。同時還能在緊急救援過程中為救護車規劃最佳行駛路線，尋找最優或最近醫院。

1.5 遠程示教

遠程示教，是指以直播和錄播的方式，在醫院開展與手術有關的案例教學和訓練。5G手術示教系統的主要功能有：手術影像采集，手術直播，手術指導，學生反饋，答疑解惑，手機等移動設備的使用。

1.6 遠程監護

利用5G 的低時延和精確定位能力，能夠支撐可穿戴監測設備在使用過程中，不斷地報告病人的位置信息，并對病人的生命體征信息進行定時采集、處理和計算，并將其傳送給遠端的監控中心，以便遠端的醫護人員能夠根據病人的當前狀況，對病人的情況做出及時的判斷和治療。同時還能設置預警數據，對突發情況進行監測和報警。

1.7 智慧導診

智慧導診目前主要有兩種形式，一種是人工智能機器人導診，一種是垂直大屏幕導診。通過在醫院設置智慧導診，能減少醫院志愿者或服務人員的工作量，甚至人數。智能導診系統包括：業務咨詢、掛號預約、健康教育、醫院導航、醫生排班咨詢。

1.8 智慧院區管理

實現對病人生命體征的實時監測，對醫護人員進行安全管理，對醫療設備進行全壽命周期管理，是構建智慧醫院的重要內容。利用5G 技術的大連接，將醫院管理系統、設備管理系統、醫護人員管理系統、病患人員管理系統等結合起來，構建智慧院區管理系統，提高醫院管理效率和患者就醫體驗，減少醫患矛盾。

1.9 移動醫護

移動醫護是將醫師、護士的診斷、治療、護理等服務延伸到病人的病床前。醫護人員可以利用5G 技術，實現影像數據和體征數據的移動化采集和高速傳輸、移動高清會診等功能，從而提升查房和護理服務的質量和效率。

1.10 AI輔助醫療

隨著科學技術的發展，AI逐步發展為一種在臨床上對疾病進行診斷與鑒別的主要手段。5G智慧醫療解決方案以成像數據為基礎，利用大數據+人工智能技術方案，建立AI輔助醫療，利用AI對醫學圖像與醫學數據進行建模與分析，并利用AI的強學習能力，AI根據海量病例和樣本，初步診斷問題所在，為醫生診斷提供決策支持或參考，從而提高治療的效率與質量。

2 基于5G技術的智慧醫療應用仿真

由上可知，5G技術在智慧醫療領域有很多應用，并隨著科學技術的發展，應用只會越來越多。但5G技術在智慧醫療領域應用現實部署時會受人力、物力、財力、時間等限制，往往建設周期長，實現困難，本文采用IUV-5G全網部署與優化仿真教學系統軟件來仿真實現基于5G技術的智慧醫療應用，為5G技術在智慧醫療領域的現實應用提供實踐指導和理論參考。仿真中5G網絡采用獨立組網中的Option2組網方式，包含核心網，承載網和無線網三大部分，其中核心網為終端用戶提供互聯網接入服務和相應管理功能；無線網以基站為主，能夠向終端用戶提供無線接入功能；承載網則負責承載數據的傳輸。智慧醫療仿真實現：5G生活體驗館放在5G網絡中的1個小區下，具體如圖1所示。

圖1 仿真架構圖

2.1 5G網絡規劃與部署

仿真實現需要先對5G 網絡進行規劃和部署，本仿真選擇仿真軟件中的“興城市”進行5G網絡規劃部署仿真實現。下面分別從核心網、無線網和承載網3個方面進行規劃部署。

5G核心網和無線網部署架構圖如圖2所示，核心網實現了用戶面功能與控制面功能獨立，每個NF(Network Function: 網絡功能）可獨立擴縮容，所有NF均需在NRF 進行注冊，每個NF 可直接與其他NF 交互。5G無線網部分主要為終端用戶提供無線接入功能，以5G基站為主，基帶功能分布到CU和DU兩個物理設備上，CU 與核心網對接，又可進一步細化為CUCP 和CUUP，CUCP 可通過F1-C 接口連接到DU，CUUP 可通過F1-U 連接到DU，彼此之間采用E1 接口，分別通過N2/N3接口與核心網網元相連接。5G承載網是為5G無線網和核心網提供網絡連接的基礎網絡，用于傳送各種語音和數據業務。在興城市無線接入網和核心網設備之間部署的5G 承載網，由SPN 和OTN構成，結構采用環狀拓撲結構。

圖2 5G核心網和無線網部署架構圖

規劃部署完以后還需要進行設備配置和數據配置。在設備配置部分，先將各類網元拖放到合適的位置，然后相互之間進行正確的連線，連線時要注意速率的匹配和端口的對應，如承載網不同機房之間連接時，要先用LC-LC光纖將SPN設備與OTN設備進行連接，然后再使用LC-FC 光纖將OTN 設備與ODF 設備進行連接，在對端機房確是先將ODF 設備和OTN 設備進行連接，然后OTN 設備再和SPN 連接；從無線側往核心網側走，端口速率選擇要由低到高。設備配置完成以后還需要進行數據配置，對各個網元進行地址、路由、參數等配置，比如配置興城市2 區B 站點機房的源地址為192.168.1.1，興城市核心網SW1的目的地址為192.168.1.14，使用Ping工具進行鏈路檢測，鏈路檢測結果成功，則表示承載網部分部署完成且成功，結果如圖3所示。同樣需要完成核心網側和無線側的數據配置，配置完成后，打開業務調試界面，填寫終端數據和小區信息，選擇工程模式，進行驗證，完成工程模式下撥測成功，如圖4所示，至此，5G網絡部署成功且完成。

圖3 承載網驗證界面

圖4 撥測成功界面

2.2 仿真站點選址和速率優化

根據實際場景可知興城市屬于CBD場景，商業發達，高樓錯落，為保證網絡信號能夠覆蓋5G生活體驗館且網絡質量良好，鐵塔類型選用樓頂鐵塔。如圖5所示，鐵塔所屬站點為興城市B 站點無線機房，塔高為10m，分為3個扇區，扇區1的方位角為60°，下傾角為3°；扇區2 的方位角為180°，下傾角為3°；扇區3 的方位角為300°，下傾角為3°。由于5G 生活體驗館位于扇區1的區域內，所以在后續的無線網配置中，波束配置只需要配置小區1，并保證波束連續即可。

圖5 扇區部署圖

接下來對無線側物理信道及波束進行配置，保證基礎上網業務。由上可知，5G生活體驗館位于1小區的子波束1和子波束2的交界處，所以對小區1的子波束配置如圖6所示，在小區業務配置中添加3條波束，方位角分別為0°、40°和70°，下傾角均為0°，水平波寬為40，垂直波寬為30，并設置波束有效，波束顯示如圖7所示，由圖7可知，按照圖6的波束配置，能保證小區1下各波束之間連續。

圖6 波束配置圖

圖7 波束顯示圖

配置完成后，切換至軟件基礎優化界面，填寫終端設備信息后，將終端設備放置在5G生活體驗館處，如圖8所示，可以得到此時上行速率在350mbps左右，下行速率在1200mbps 左右，可測得語言、視頻、直播業務均驗證成功，無線網絡信號優化部分完成。

圖8 上、下行速率圖

2.3 基于5G技術的智慧醫療應用仿真實現

5G 有三大類應用場景，其中uRLLC(Ultra-Reliable Low-Latency Communications：超高可靠低時延通信）主要面向工業控制、遠程醫療、自動駕駛等對時延和可靠性具有極高要求的垂直應用需求[10]，因此智慧醫療仿真場景選用uRLLC 場景?；A優化完成后，將軟件切換至網絡切片編排頁面，進入5G生活體驗館，設置業務SST為uRLLC，DN屬性為醫療本地云，其他設置保持如圖9所示，點擊開始手術，開始播放手術畫面，即成功開始手術，播放過程如圖9和10所示。

圖9 手術成功頁面1

圖10 手術成功頁面2

3 結論

本文將5G技術應用于智慧醫療領域，結合5G技術的優勢，配合互聯網、人工智能、物聯網等，協助醫療機構，能實現遠程會診、遠程手術、醫學教學、遠程查房等智慧醫療應用，能促進醫療信息和資源的共享和交換，提升醫療診斷水平，簡化就醫看病流程，緩解醫患矛盾，促進醫療行業改革。本文還仿真實現了5G 技術在智慧醫療領域的應用，通過探析基于5G 技術的智慧醫療應用仿真技術，為現實部署提供理論支持和實踐參考。但5G智慧醫療現實運用以及全國普及還有待完善，加快5G智慧醫療全覆蓋，全面提升智慧醫療服務效能仍是我們未來需要探索的方向。