5G网络技术在医疗领域的应用探讨

黄学庆

(安徽桐城市人民医院信息工程科 桐城 231400)

1 引言

随着移动互联网迅猛发展，大量电子设备接入移动网络，新服务和应用需求层出不穷，流量剧增为4G网络承载能力带来挑战,亟须发展新一代移动通信网络，即5G网络。目前5G网络正处于从标准化制定到全面商用的应用过程，全球多家互联网和移动通信公司已开展部分运营业务,在交通运输、多媒体、远程教育、信息医疗、大金融等领域开展业务实验并取得一定程度成功。医疗行业是电子信息高科技在现实领域应用的先行者，例如在新型冠状病毒肺炎疫情中远程专家会诊全部依靠5G网络支持应用。5G网络广泛应用虚拟现实技术将进一步促进医学的进步和发展。

2 5G技术发展背景

2.1 概述

移动通信是指移动与固定用户之间或移动用户之间通过无线电波建立的通信方式。第1代移动通信系统出现在20世纪80年代，基于模拟传输，具有业务量较小、通讯质量和安全性较差、没有加密性、传输速度较低等特点。发展至今第4代移动通信系统(4G)得到广泛应用，但随着互联网技术迅速发展4G网络已无法满足需求，亟须建设5G网络。

2.2 基本情况

5G技术是最新一代蜂窝移动通信技术，也是现有移动通信技术发展的延续。在当今全球信息化环境下建立5G的目的是提高网络运行性能和数据传输速率，降低延迟率。在实现高容量和大规模设备连接情况下，可更加节约能源并减少运营和维护成本。5G移动网络架构发展基础与前代一致，建立在蜂窝网络架构上。通过搭建基站划分地理区域，对区域内使用者提供移动服务，上述区域即为蜂窝。蜂窝中所有5G无线设备通过无线电波、本地天线阵和低功率自动收发器(发射机和接收机)进行通信。所有公共频率池为收发器分配频道且在蜂窝中可反复使用。本地天线通过高带宽光纤或无线回程网络与电话网络和互联网连接。当使用者穿越蜂窝时5G移动设备将自动切换至新蜂窝天线中以保持信息畅通。

2.3 基本性能

5G相较于4G在性能上有质的飞跃。在延迟方面，4G正常在10ms，5G则低于1ms，性能提升10倍。5G每月数据流量可达到7.2Eb，而4G只有1Eb。5G峰值速率约为20Gb/s，为4G的20倍。5G可用频谱为30GHz，4G只有3GHz。在每平方公里内5G可实现100万个连接，远远多于4G的10万个，见图1。高性能5G网络应用将引发以下3方面变化：一是即时应用技术将得到较大改善，在全球导航系统、VR虚拟现实、增强现实、车辆飞机无人驾驶等领域发挥重要作用；二是更多连接数和更大流量密度前提下，更多高科技、智能办公设备同时接入互联网，为用户带来崭新体验；三是5G高传输速率将大幅改善服务体验，推动更多网络服务发展。

图1 4G和5G性能对比

2.4 核心技术

2.4.1 波形与多址接入技术优化 正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)属于多载波调制。通过频分复用可实现高速串行数据的并行传输，且具有较好的抗多径衰弱能力，可支持多用户接入且能耗低，因而成为4G普遍采用技术。通过对OFDM技术进行优化(例如增加窗口或滤波以增强频率本地化、在不相同用户与服务间提升多路传输效率)，可使其具有更高的频谱效率、更简单的数据传输属性，从而实现5G高速、可靠的数据传输需求。多址接入进一步优化5G技术传输稳定性，提升频谱效率，使5G具有更强连接性能[1]。

2.4.2 搭建新型网络框架技术 5G应用价值主要体现在可应用于多个场景，满足多种服务需求，网络架构需更加简易、灵活才能提升数据多路径传输效率。一是时间间隔扩展，可将一次傅里叶变换时延降低为4G通信技术下的12.5%，此架构简易灵活，实现同频率不同TTI的多路径数据传输；二是自包含集成子帧，通过构建复合网络架构将数据传输和确认包含在一个子帧内，大大降低通信时延，实现同一频率的多路传输[2-3]。

2.4.3 无线技术集群通讯系统化 5G是对现有技术的集成，通过技术的不断组合实现通信信息传输性能提升，这种特征在集群通讯系统化的无线技术中表现较为显著。一是5G通过采取MassiveMIMO技术布局多个基站以实现信道容量大幅提升，应用智能波束成型技术(如3D波束成型技术)提升信号集中度，由此扩展信号覆盖区域广度。二是5G通过mmWave和频谱共享技术实现高频段频谱应用，提供给用户光速据传输体验。通过基站和设备内的多根天线配合智能波束成型和波束追踪算法可显著提升5G毫米波覆盖范围，排除障碍物对信号的干扰[4-6]，实现更快捷的通讯效果。

3 5G在医疗领域的应用前景

3.1 远程会诊

我国幅员辽阔，医疗资源配置不均，为方便患者就医，使其更便捷地接受权威专家诊疗，远程会诊技术产生。传统远程会诊采用有线连接方式进行视频通信，建设和维护成本较高、移动性较差。5G网络因具有高速率特性可支持4K/8K远程高清会诊和医学影像数据传输与共享，使专家得以及时高效地开展会诊，提升诊疗和现场指导效率，促进优质医疗资源下沉，打破空间限制。目前已有实际应用案例，例如江苏大学附属医院与中国联通镇江分公司5G智慧医疗进行战略合作，开展远程医疗会诊进社区活动，运用5G网络进行远程医疗会诊，效果与在现场会诊基本一致，对医务人员而言网络延时几乎可忽略。

3.2 远程示教

示教对于手术教学具有重要意义，传统医疗手术观摩和示教主要在手术室现场或通过录像进行学习。现场教学可参与人数较少，教学、研究效率较低，对于某些微创手术因无法对接医疗设备而不具备观摩和示教条件。手术录像方式则存在摄像机受手术设备电磁干扰，影像效果较差或根本无法录制等问题。应用5G网络并结合4K医疗设备可将手术画面进行高清晰度展示，手术室与会议中心可进行音视频交流，对手术进行全程全面现场直播。5G网络性能好，直播及交流画面流畅、无卡顿，细节画面清晰、声音传送顺畅。目前多省市已开展5G远程手术示教应用并取得良好效果。例如甘肃省卫生健康委依托省远程医学信息平台，运用电信5G网络技术开展首次手术远程示教活动，同时向远程医学平台对接的多家省内医疗机构推送。甘肃省中医院专家在手术室通过省远程医学信息平台同步展示局麻经皮脊柱内镜下经椎板间入路腰5/骶1髓核摘除、神经根减压术的手术全过程，在手术中进行详细讲解。甘肃省中医院远程会诊中心、甘肃省卫生健康委远程医学平台调度中心通过5G网络进行互动。5G技术可推动医疗技术快速向基层扩散，对提升我国医疗水平具有深远影响。

3.3 远程监护

通过5G技术、智能可穿戴设备等可实现远程监护[7]。利用计算机科学、互联网、物联网等信息技术将医疗监测和数据传输装置佩戴或埋植于人体，如眼镜、手表、手环、脚链、戒指、项链等穿戴饰品，从而即时、准确、高效地记录人体各项生命体征、病理生理信息，通过云端传输和分析技术快速呈现给患者与医生，使医疗保健、疾病预防、诊疗、随访等过程既舒适便利又准确科学[8]。健康功能已成为智能可穿戴设备核心关注点之一，例如智能手表可提供心电图、心脏房颤监测、实时同步健康数据到云端等功能。随着5G技术发展，将有更多远程监护医疗设备接入互联网，健康信息可传输到专业健康机构，通过大数据实时监控用户身体健康，及时提供健康指导和预警。

3.4 远程手术

5G技术可结合机器人实现远程手术，目前已有应用案例。例如解放军总医院第一医学中心利用5G网络远程无线操控机器人床旁系统，为50公里外的实验猪进行肝小叶切除手术。手术全程约60分钟，术区无显性失血，这是世界首次基于5G技术的远程外科手术测试。又如解放军总医院第一医学中心与解放军总医院海南医院利用5G网络跨越3 000公里成功对帕金森病患者实施脑起搏器植入手术，这是全国首例基于5G的远程人体手术。通过5G通信技术实施远程手术有利于优质医疗资源下沉，缩小分级诊疗差距，减轻患者经济负担[9]。

4 5G带来的挑战

4.1 标准化

只有实现标准化5G技术才能得到推广和广泛应用，目前国家正在制定相关建设标准。例如在国家卫生健康委主导下《基于5G技术的医院网络建设标准》制定工作于2019年9月启动[10]。

4.2 稳定性

5G的高性能除需要新技术支撑，还需要物理设备支撑。在医疗领域任何细微差错都可能导致无法挽回的损失。为尽可能降低5G在医疗领域应用风险，应加强对5G设备维护力度以保持整体稳定性。

4.3 安全性

5G新技术应用快速发展，加快医疗健康领域数据流通，其中有关病人隐私的数据易被非法窃取、利用以实施犯罪。因此应充分保障5G环境下医疗领域信息安全性。

5 应对措施

5.1 医疗机构加强信息化建设

更新医疗设备以及机构内部5G基础网络建设，加强信息化人员培养，提高医院信息化水平；医疗机构及时跟进国家5G发展情况，遵循最新5G标准进行建设及优化、升级，实现可持续发展。

5.2 完善整体运行维护机制

定期维护设备并进行细致安全检查。对于关键核心设备提供备份机器，以应对突发情况实现快速切换，保障系统运转稳定性和安全性。医疗机构需要和设备制造商、通信行业等相关方建立合作互助机制，获得稳定的技术支持，保证系统不断升级完善。

5.3 多措并举保障5G安全使用

加强内部人员思想道德建设及职业技能培训，杜绝内部人员泄露信息；强化医院内部监管，对关键信息、设备进行监控，定期安排人员检查；接受政府以及社会监督，对信息泄露情况及时开展自查，必要时请求执法部门参与。

5.4 加强资产管理

医疗机构应加强资产管理，降低5G运营成本。结合5G高速率的特性，推动电子病历共享，与异地医疗系统实现互联互通，进而实现整合性医疗服务。通过医疗信息共享减轻患者就医负担。

6 结语

5G和“互联网+医疗”是国家民生领域重大战略，5G技术将促进“互联网+医疗”发展进程。5G在医疗领域的应用可改善社会医疗资源不均衡情况，促进医疗技术传播，对医疗资源下沉产生积极影响，远程会诊、监控、示教、手术都将得到普及。在此背景下医院要与时俱进、开拓创新，将5G技术应用到实处，为病患就医打破时空限制，提供更好的医疗服务与资源。