基于5G技术的智慧医疗应用仿真技术探析

周 巍

（中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057)

0 引言

5G 技术是第五代移动通信技术的简称，从2019年6月国家颁发牌照至今，5G技术在各行各业得到了深入的应用。5G 技术相较于4G 技术，速度提高10~100 倍，峰值速度高达10Gbit/s，而端到端延迟缩小到ms 级，流量密度增加1000 倍，使连接性提高10~100倍，同时，为确保500km/h 的最佳用户体验，频谱效率提高了5~10倍。5G技术的出现和普及使通信技术突破既定模式，让用户得到前所未有的使用体验，使人与物、人与人之间的距离进一步拉近，拉开了人与万物共融时代的帷幕[1]。

智慧医疗则是当前医疗服务事业发展中所提出的新型医疗模式，是将物联网技术以及云计算技术融入医疗服务之中，构建出以患者数据为核心的医疗服务平台[2]。将5G技术和智慧医疗技术相结合，能依托5G 技术的高带宽、高速率、低时延特性，为智慧医疗提供强大的连接能力，且连接不受地理位置和距离远近的限制，以及能将医疗数据、视频、图像等进行实时传输，保障智慧医疗工作顺利进行。

目前已经有很多学者、企业、运营商或行业工作者等开始关注和研究5G 技术在智慧医疗领域的应用[3-6]。 2019年，广东省人民医院携手运营商和企业，共同打造国内领先的5G 应用示范医院，在远程医疗影像、远程医疗、医疗数字化服务提升及大数据等方面开展合作[7]。同年，中国人民解放军总医院与中国移动和华为合作，成功完成全国首例基于5G 技术的远程人体手术——帕金森病“脑起搏器”植入手术[8]。2023年2月，浙大邵逸夫医院普外科团队在中国电信5G定制网络及我国国产原研手术机器人图迈的基础上，完成我国首例5G超远程机器人肝胆手术，在杭州机器人手术中心成功为新疆阿拉尔患者实施了胆囊切除术[9]。虽然国内外已经开始探索5G 技术在智慧医疗领域的应用，但现阶段在智慧医疗中应用5G 技术也还存在一定问题，如由于政策规定限制，或医院间的壁垒，应用还存在落地难的问题；同时技术发展和建设还处于实验阶段，还不够成熟，再加上人民对新型技术的应用还抱有顾虑，还存在接受度不高问题；随着人民对信息安全、隐私等的关注，还担心信息泄露等问题，等。因此还需要相关行业、企业、研究者等共同努力探索出适合我国国情的5G智慧医疗建设模式。因此，有必要对5G 技术在智慧医疗领域中的应用进行研究。

本文主要研究5G 技术在智慧医疗领域内的应用，尤其是基于5G 技术的智慧医疗应用仿真技术。现有5G 技术在智慧医疗领域应用的现实部署中，需要耗费人力、物力和财力，建设还需要时间周期，部署后业务测试、方案验证、方案调整等都很麻烦，针对建设过程中存在的建设周期长、业务调试周期长、方案验证难、维修调整不方便、耗费成本大等问题，因此本文选用IUV 5G全网部署与优化仿真教学系统软件来仿真实现，探析了基于5G 技术的智慧医疗应用仿真技术，为5G 技术在智慧医疗领域应用提供理论依据和实践指导。

1 5G技术在智慧医疗领域的应用

5G 技术在智慧医疗领域的应用有以下几个方面：

1.1 远程会诊

远程会诊对传送影像有特殊的需求，通常需要1080P和超过30FPS的实时视频传输，而4G网络带宽和传输速率都不能满足需求，会导致远程会诊出现卡顿或延时的现象发生。5G 网络的高速率、低延时特性，可实现4K/8K 远程诊疗，并可实现图像数据的高速传送与共享，让专家会诊不受时间、地点等限制进行会诊，从而提升诊断的准确度和指导的有效性，推动优质医疗资源的共享和下沉。在疫情大流行期间，5G 技术还被业界用于一系列高清视频会议，用于远程咨询、讨论和会议等。

1.2 远程超声

5G 技术的微秒延时特性，可让资深医师操控机器人手臂，实现对超音波的实时检测。

1.3 远程手术

5G网络的高速率、高带宽和低延迟，为远程手术提供了稳定、可靠、安全的服务保障。通过5G的切片技术，配合智能终端或人工智能机器手臂等，让专家远程完成在线手术，并让专家手术过程中随时掌握手术状况及病人的情况。

1.4 应急救援急救

应急救援急救通过利用5G技术，将前端救护车、后端医院以及一些智能设备结合起来，实现前端和后端的无缝连接，充分利用黄金抢救时间，保障病人的生命安全。同时还能在紧急救援过程中为救护车规划最佳行驶路线，寻找最优或最近医院。

1.5 远程示教

远程示教，是指以直播和录播的方式，在医院开展与手术有关的案例教学和训练。5G手术示教系统的主要功能有：手术影像采集，手术直播，手术指导，学生反馈，答疑解惑，手机等移动设备的使用。

1.6 远程监护

利用5G 的低时延和精确定位能力，能够支撑可穿戴监测设备在使用过程中，不断地报告病人的位置信息，并对病人的生命体征信息进行定时采集、处理和计算，并将其传送给远端的监控中心，以便远端的医护人员能够根据病人的当前状况，对病人的情况做出及时的判断和治疗。同时还能设置预警数据，对突发情况进行监测和报警。

1.7 智慧导诊

智慧导诊目前主要有两种形式，一种是人工智能机器人导诊，一种是垂直大屏幕导诊。通过在医院设置智慧导诊，能减少医院志愿者或服务人员的工作量，甚至人数。智能导诊系统包括：业务咨询、挂号预约、健康教育、医院导航、医生排班咨询。

1.8 智慧院区管理

实现对病人生命体征的实时监测，对医护人员进行安全管理，对医疗设备进行全寿命周期管理，是构建智慧医院的重要内容。利用5G 技术的大连接，将医院管理系统、设备管理系统、医护人员管理系统、病患人员管理系统等结合起来，构建智慧院区管理系统，提高医院管理效率和患者就医体验，减少医患矛盾。

1.9 移动医护

移动医护是将医师、护士的诊断、治疗、护理等服务延伸到病人的病床前。医护人员可以利用5G 技术，实现影像数据和体征数据的移动化采集和高速传输、移动高清会诊等功能，从而提升查房和护理服务的质量和效率。

1.10 AI辅助医疗

随着科学技术的发展，AI逐步发展为一种在临床上对疾病进行诊断与鉴别的主要手段。5G智慧医疗解决方案以成像数据为基础，利用大数据+人工智能技术方案，建立AI辅助医疗，利用AI对医学图像与医学数据进行建模与分析，并利用AI的强学习能力，AI根据海量病例和样本，初步诊断问题所在，为医生诊断提供决策支持或参考，从而提高治疗的效率与质量。

2 基于5G技术的智慧医疗应用仿真

由上可知，5G技术在智慧医疗领域有很多应用，并随着科学技术的发展，应用只会越来越多。但5G技术在智慧医疗领域应用现实部署时会受人力、物力、财力、时间等限制，往往建设周期长，实现困难，本文采用IUV-5G全网部署与优化仿真教学系统软件来仿真实现基于5G技术的智慧医疗应用，为5G技术在智慧医疗领域的现实应用提供实践指导和理论参考。仿真中5G网络采用独立组网中的Option2组网方式，包含核心网，承载网和无线网三大部分，其中核心网为终端用户提供互联网接入服务和相应管理功能；无线网以基站为主，能够向终端用户提供无线接入功能；承载网则负责承载数据的传输。智慧医疗仿真实现：5G生活体验馆放在5G网络中的1个小区下，具体如图1所示。

图1 仿真架构图

2.1 5G网络规划与部署

仿真实现需要先对5G 网络进行规划和部署，本仿真选择仿真软件中的“兴城市”进行5G网络规划部署仿真实现。下面分别从核心网、无线网和承载网3个方面进行规划部署。

5G核心网和无线网部署架构图如图2所示，核心网实现了用户面功能与控制面功能独立，每个NF(Network Function: 网络功能）可独立扩缩容，所有NF均需在NRF 进行注册，每个NF 可直接与其他NF 交互。5G无线网部分主要为终端用户提供无线接入功能，以5G基站为主，基带功能分布到CU和DU两个物理设备上，CU 与核心网对接，又可进一步细化为CUCP 和CUUP，CUCP 可通过F1-C 接口连接到DU，CUUP 可通过F1-U 连接到DU，彼此之间采用E1 接口，分别通过N2/N3接口与核心网网元相连接。5G承载网是为5G无线网和核心网提供网络连接的基础网络，用于传送各种语音和数据业务。在兴城市无线接入网和核心网设备之间部署的5G 承载网，由SPN 和OTN构成，结构采用环状拓扑结构。

图2 5G核心网和无线网部署架构图

规划部署完以后还需要进行设备配置和数据配置。在设备配置部分，先将各类网元拖放到合适的位置，然后相互之间进行正确的连线，连线时要注意速率的匹配和端口的对应，如承载网不同机房之间连接时，要先用LC-LC光纤将SPN设备与OTN设备进行连接，然后再使用LC-FC 光纤将OTN 设备与ODF 设备进行连接，在对端机房确是先将ODF 设备和OTN 设备进行连接，然后OTN 设备再和SPN 连接；从无线侧往核心网侧走，端口速率选择要由低到高。设备配置完成以后还需要进行数据配置，对各个网元进行地址、路由、参数等配置，比如配置兴城市2 区B 站点机房的源地址为192.168.1.1，兴城市核心网SW1的目的地址为192.168.1.14，使用Ping工具进行链路检测，链路检测结果成功，则表示承载网部分部署完成且成功，结果如图3所示。同样需要完成核心网侧和无线侧的数据配置，配置完成后，打开业务调试界面，填写终端数据和小区信息，选择工程模式，进行验证，完成工程模式下拨测成功，如图4所示，至此，5G网络部署成功且完成。

图3 承载网验证界面

图4 拨测成功界面

2.2 仿真站点选址和速率优化

根据实际场景可知兴城市属于CBD场景，商业发达，高楼错落，为保证网络信号能够覆盖5G生活体验馆且网络质量良好，铁塔类型选用楼顶铁塔。如图5所示，铁塔所属站点为兴城市B 站点无线机房，塔高为10m，分为3个扇区，扇区1的方位角为60°，下倾角为3°；扇区2 的方位角为180°，下倾角为3°；扇区3 的方位角为300°，下倾角为3°。由于5G 生活体验馆位于扇区1的区域内，所以在后续的无线网配置中，波束配置只需要配置小区1，并保证波束连续即可。

图5 扇区部署图

接下来对无线侧物理信道及波束进行配置，保证基础上网业务。由上可知，5G生活体验馆位于1小区的子波束1和子波束2的交界处，所以对小区1的子波束配置如图6所示，在小区业务配置中添加3条波束，方位角分别为0°、40°和70°，下倾角均为0°，水平波宽为40，垂直波宽为30，并设置波束有效，波束显示如图7所示，由图7可知，按照图6的波束配置，能保证小区1下各波束之间连续。

图6 波束配置图

图7 波束显示图

配置完成后，切换至软件基础优化界面，填写终端设备信息后，将终端设备放置在5G生活体验馆处，如图8所示，可以得到此时上行速率在350mbps左右，下行速率在1200mbps 左右，可测得语言、视频、直播业务均验证成功，无线网络信号优化部分完成。

图8 上、下行速率图

2.3 基于5G技术的智慧医疗应用仿真实现

5G 有三大类应用场景，其中uRLLC(Ultra-Reliable Low-Latency Communications：超高可靠低时延通信）主要面向工业控制、远程医疗、自动驾驶等对时延和可靠性具有极高要求的垂直应用需求[10]，因此智慧医疗仿真场景选用uRLLC 场景。基础优化完成后，将软件切换至网络切片编排页面，进入5G生活体验馆，设置业务SST为uRLLC，DN属性为医疗本地云，其他设置保持如图9所示，点击开始手术，开始播放手术画面，即成功开始手术，播放过程如图9和10所示。

图9 手术成功页面1

图10 手术成功页面2

3 结论

本文将5G技术应用于智慧医疗领域，结合5G技术的优势，配合互联网、人工智能、物联网等，协助医疗机构，能实现远程会诊、远程手术、医学教学、远程查房等智慧医疗应用，能促进医疗信息和资源的共享和交换，提升医疗诊断水平，简化就医看病流程，缓解医患矛盾，促进医疗行业改革。本文还仿真实现了5G 技术在智慧医疗领域的应用，通过探析基于5G 技术的智慧医疗应用仿真技术，为现实部署提供理论支持和实践参考。但5G智慧医疗现实运用以及全国普及还有待完善，加快5G智慧医疗全覆盖，全面提升智慧医疗服务效能仍是我们未来需要探索的方向。