5G技術在醫療領域中的應用探討

南京醫科大學第一附屬醫院臨床醫學工程，江蘇南京210029

引言

5G是第五代移動通信系統的簡稱，是4G之后的新一代移動通信系統[1]。目前，通信行業對5G的研究熱情高漲，集中資源優先發展5G通訊技術，但是許多被認為將在5G時代大發展的行業，例如醫療、教育、制造業等領域并沒有同通信行業一樣全力投入到5G技術的應用實現與發展中。其主要原因是垂直行業的需求沒有得到深入挖掘，仍停留在技術層面[2]。但在國家政策的支持，運營商的推廣，互聯網企業的助力下，勢必將推動5G技術及其在各個領域的快速發展與應用。2018年7月底，工信部、發改委印發《擴大和升級信息消費三年行動計劃（2018-2020年）》，提出加快5G標準研究、技術試驗，推進5G規模組網建設及應用示范工程，確保啟動5G商用。2018年12月，工信部宣布三大運營商（中國移動、中國電信、中國聯通）正式獲得全國范圍5G中低頻段試驗頻率使用許可資格，其中中國移動依托發改委項目，在北京和鄭州當地知名大型醫院建立5G移動遠程醫療應用示范基地[3]。這些政策推廣可以清楚地預知5G將迎來爆發性的發展時期，5G的推廣將進一步提速。作為醫療行業的從業者，深知醫療行業對5G的眾多需求。本文分析5G技術特點，重點結合現階段醫療需求，探討目前5G臨床試用案例，以進一步挖掘5G技術在醫療領域的應用，通過探討5G應用試用案例，展望未來5G醫療大規模應用場景。隨著5G技術的不斷成熟與發展，5G技術在醫療行業的應用場景必然十分廣闊[4]，將給醫療行業帶來前所未有的巨大變革。

1 5G技術的發展歷程、特點和應用場景

1.1 5G技術的發展歷程

從20世紀80年代，通訊起初使用的模擬信號，被稱為第一代移動通訊技術，也就是1G，它只能用于電話。到20世紀90年代歐洲電信標準組織ETSI根據時分多址技術提出了全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications，GSM）通訊技術，也就是2G，之后美國發明碼分多址，也稱2.5G，但手機通訊只能用來打電話和發送簡單文字。再到21世紀初，第三代移動通訊技術（3G）隨之而生，主要有CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA三大標準，手機進入多媒體時代，可傳輸圖片和簡單視頻。并且從2010年開始，第四代移動通信技術（4G）逐步發展開來，主要有TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，能夠快速傳輸數據、高質量音頻視頻圖像等。在4G時代，無線通信系統需要端到端的系統技術規范，3GPP（3rd Generation Partnership Project）主導了LTE等標準，而目前5G的主要標準化工作也由3GPP完成。隨著5G發展的不斷推進，目前5G被細分為兩個階段Release 15和Release 16，被稱作New Radio（NR）[5]。2015年，全球超過85%的人口使用GSM，2019年底，97%使用3GPP技術[6]，通訊技術發展十分迅速，通訊技術的進步促進了社會現代化高速發展。中國在5G之前只是執行相應的通訊標準，并未深入參與其中，但在5G標準化過程中參與并推動了5G通訊標準的制定，中國首次處于國際領先地位，5G技術已成為中國重要的戰略性產業。

1.2 5G技術的特點和應用場景

2 5G在醫療領域的應用

2.1 遠程醫療

中國國土面積遼闊，人口眾多、分布不均衡，存在醫療資源部分地區相對稀缺和分配不均衡的現實問題。解決這一問題的有效方法之一就是遠程醫療。當前按遠程醫療的具體應用可以細分為遠程診斷和遠程治療兩大階段。

2.1.1 遠程診斷

遠程診斷發展至今已經取得了巨大的進步與突破，但是仍存在許多不足與需要改進的地方。在當前低傳輸速率、高延時網絡環境下，遠程圖片、視頻、語音等信號的質量不佳，而低質量的遠程信號將影響整個診療過程，從而影響醫生的診斷效率和診斷準確度[10]。隨著5G技術的發展與應用，遠程診斷將得益于5G技術Gbps級的高速率，1 ms級別的低延時傳輸優勢，使得醫生基于在線實時視頻完整報告資料的遠程會診中，大大提高了遠程診斷的效率與準確度。例如鄭州大學第一附屬醫院與華為和中國移動進行的三方合作中，成功的完成了B超等多項5G遠程診斷實驗。借助5G技術，可實現將本地端無線B超探頭作為操作柄，靈活操控異地端機械臂的功能，實現跨地域的遠程診斷操作，使得醫療資源得到了充分的利用。這一檢查方案在4G時代幾十毫秒延遲傳輸和100 Mb低速率下是難以開展的。例如浙江大學第二附屬醫院聯合浙江移動、華大基因和華為，也成功通過5G網絡進行遠程B超觸感回傳，將圖像快速傳遞至后方醫院進行快速診斷[11]，極大地提高了診斷效率。相信在不久的將來，在5G技術的輔助下可以讓更多的優質醫療資源服務于更多的地區和更多的患者，從而使遠程診斷真正打破地域的限制。

2.1.2 遠程治療

我國偏遠地區由于偏僻的地理因素和經濟發展落后限制了當地的醫療衛生事業發展[12]。相關數據顯示，2017年基層醫療衛生機構約933024個，其中鄉鎮衛生院36551個，村衛生室632057，二者共占比71.7%[13]，醫療資源匱乏，醫療水平普遍較低。許多患者由于缺少專家、缺少經驗、缺少先進的治療設備而導致治療不及時。結合5G技術的遠程治療正是解決這些問題的有效方案之一，借助5G的毫秒級延遲更可以實現遠程治療，同時遠程手術也將變成現實。例如我國通信企業華為聯合中國移動公司幫助中國人民解放軍總醫院，成功實現中國首例基于5G的遠程人體手術—帕金森病“腦起搏器”植入手術。以中國移動和華為聯合部署的5G網絡為載體，通過CloudLink 4K高清視頻會議終端，跨越3000 km為遠在北京的中國人民解放軍總醫院患者成功完成“腦起搏器”植入手術。此外，華中科技大學和奧本大學、南加州大學共同提出了基于5G技術的5G-Csys系統，不僅提出了用于遠程手術，還提出了借助5G技術進行遠程情感安撫、遠程診斷患者情緒診斷心理疾病的系統[14]。隨著5G技術的成熟應用，基于5G技術的遠程治療手段將變得更加豐富多樣，將更加有效的改善當地的醫療水平，緩解醫療資源分布不均衡的問題，讓更多人民大眾在鄉鎮衛生院也能享受三甲醫院的服務。

2.2 應急醫療

在急救領域，很多學者將受傷后的4～6 min稱為“救命的黃金時間”，8 min以上的傷者救治成功率不足5%，可見應急搶救分秒必爭[15]。搭載5G網絡平臺的急救通訊系統可以承擔聯絡、協調、指揮、調度等重任，并將院內院外急救無縫銜接。5G技術目前在交通領域最主要的應用方向是無人駕駛技術，該技術能實時選取最佳路徑，指揮救護車以最佳的路線到達醫院，縮短路途上浪費急救時間。現階段，急救傷員乘救護車到醫院后才能進行大規模生理參數采集，進行相關化驗、檢查和搶救治療等，而在5G平臺下，救護車車內就能完成這些工作，大大縮短搶救準備時間[16]。例如2019年4月召開的中國北京世園會，中國聯通首次利用5G技術開展遠程醫療急救保障。世園會開園期間，當游客突發疾病需要轉診救治時，通過5G將救護車上的患者數據實時傳回后方醫院，醫院的專家進行遠程指導，做好院前救治的準備工作，并利用5G網絡可同時連接多家醫院專家進行會診。此次5G應急醫療保障應用商業化探索，大大降低急救響應時間，保障參會人員的生命安全。例如國外Nokia與芬蘭奧盧大學合作啟動OYS TestLab項目，在移動急救場景中借助5G技術毫秒級的低延時特性指導應急醫療，實現最優急救診療流程設計以及患者生理數據實時傳輸，爭分奪秒搶救生命，從而大大提高應急醫療搶救的成功率。在5G技術的支持下，醫療機構以及急救車可統一接入院前急救聯動系統，讓急救醫療流程得到高效規劃，甚至借助5G技術的大寬帶低延時特性，現場就可以視頻遠程緊急救助從而縮短急救響應時間，為患者爭取更多時間，創造更大生機。

2.3 健康管理

傳統健康管理需要前往醫院或者體檢機構進行健康檢測，借助可穿戴設備可以實現隨時隨地健康管理。智能可穿戴設備是在傳感器、芯片、各類通訊以及網絡技術基礎上，將智能芯片放置于隨身腕表、眼鏡、手環、衣服中，測量并記錄個人健康數據（如運動量、呼吸頻率、血壓、睡眠等）。隨著互聯網+醫療的發展，可穿戴設備采集數據可通過互聯網傳輸至云端后臺，利用云端強大分析功能為人們提供個性化健康監測管理[17]。目前廣泛應用的可穿戴設備主要通過藍牙技術連接手機、PAD等終端APP實現健康數據的采集，再通過終端APP將采集的數據上傳至網絡云平臺或服務器，很難脫離手機、PAD等而獨立使用。少數獨立使用的可穿戴設備內置網絡模塊可通過Wi-Fi和4G技術直接聯網上傳數據，但上傳數據時受制于Wi-Fi覆蓋面積小、傳輸速度慢以及4G傳輸延遲、聯通滯后的影響，從而難以實現全面實時的健康數據分析與監測。隨著5G技術的不斷應用實踐，將給這一領域帶來有效的解決方案。利用5G毫米波、體積小、可設置多根天線的特點，借助5G獨有的MIMO技術，增加網絡覆蓋范圍，數據傳輸的速度和質量將得到顯著提高，可實現對數據的實時傳輸、分析和反饋，是未來獨立聯網可穿戴設備穩定通訊的最優解[18]。例如現階段24 h動態心電圖需要hoter先記錄波形至存儲卡中，然后第二天將存儲卡取出插入電腦工作站讀取分析數據才能得知前一天24 h的心電情況，無法進行實時監測。理想情況下，所有動態心電圖都因使用12導聯配置，但是由于技術、經濟原因，多數使用EASI簡化5導聯模擬12導聯[19]，所以無法與標準12導聯相互替代。然而借助5G技術的海量連接特性，不僅可以實現12導聯，也可以實時監測呼吸，血壓、血糖等參數。基于5G大容量技術特點，可以支持眾多智能可穿戴設備實時收集患者不同健康數據，通過5G大帶寬低延時特性可以對我們的健康情況做一個更全面且連續的記錄與分析，讓我們可以隨時隨地對自己進行全面體檢。未來在5G技術的加持下，融合人工智能、區塊鏈、云計算、大數據、邊緣計算技術等多種技術，智能可穿戴醫療設備將擁有自組織能力，架構泛中心化，傳感器之間可互聯互通，實現并行計算甚至是云計算[20]。從而使智能可穿戴設備向大規模互聯智能可穿戴發展，進一步提升增強可穿戴醫療設備與患者的聯系，使健康管理更加普及化、自主化、個性化和智能化。

2.4 移動護理系統

移動護理信息系統是在現有的醫院信息系統（Hospital Information System，HIS）的基礎上，基于無線局域網絡技術的支持，以移動手持電腦設備為硬件，將HIS的數據資源向病房床旁擴展延伸，實現無紙化、無線網絡化辦公的床旁工作終端執行系統[21]。相關研究表明應用掌上電腦移動查房后醫生與患者對護理滿意度評分明顯提高（P<0.05）[22]。移動護理系統實現了與 HIS、CIS、NIS、LIS、RIS 等信息系統互通互動，及時反饋患者信息給醫生，方便醫生更加全面了解患者情況，做出更加合理的決策[23]。目前電子病歷所需的傳輸速率為200 Kbps，B超資料在13 Mbps，使用現有的Wi-Fi與4G網絡即可進行正常傳輸，常規的移動設備可正常查詢生命體征、心電圖病歷報告等檢查結果，但是對于CT等大容量影像圖像卻難以流暢查看。若一個常規CT圖像100張，壓縮后每張約512 KB，總共50 MB，網絡帶寬為100 Mbps時需要5 s才能下載完成[24]。受實際信號影響，現有Wi-Fi和4G網絡需要等待至少數十秒，待下載完成后才能查看，無法實時查看圖像。此外，當使用的Wi-Fi信號不同時，不同的病房還需要切換ap才能實現信號覆蓋，切換的過程必然也會造成較大的延時，而且4G網絡在人群密集的醫院病房內并不能穩定高速傳輸數據。如果借助5G技術Gbps的大帶寬高密度覆蓋的特性，可以實現無縫漫游且實時瀏覽影像資料，更加順暢完成移動護理。例如國內2019年2月北京中日友好醫院完成了5G室內數字化部署，為移動查房、移動護理、移動會診提供了優質5G環境，為后期移動護理探索與實踐打下堅實基礎。國外美國AT & T和拉什大學醫療中心合作建立了第一家5G醫院，拉什大學醫療中心發布聲明：高速、低延遲5G技術有助于隨時隨地提供護理服務，正式將5G引入臨床護理。相信5G技術在國內相關政策的大規模推動與發展下，借助5G技術的移動護理系統將進一步提高醫院護理水平，讓患者獲得更好的護理和治療。

2.5 AR、VR、MR

VR將虛擬世界展現在眼前，是純虛擬數字畫面，而AR將虛擬世界的東西疊加到現實世界中，虛擬數字畫面加上裸眼現實，MR將真實世界疊加進虛擬世界，是數字化現實加上虛擬數字畫面。VR和AR可以用于臨床外科培訓，使現有外科手術從書本視頻培訓進化到VR培訓，增強現實感有助于臨床醫生更加快速深入學習，還可以簡化復雜手術過程，促進患者康復等。AR、VR、MR將大大推動醫學的發展，改變現代醫療的方式。但是VR現階段主要影響體驗因素有眩暈不適和線纜過多，其中引起眩暈主要因素為MTP（頭動到顯示器出現相應畫面的時間）延遲和視頻圖像幀率低。較好體驗需MTP延時小于10 ms，幀率高于60幀/s，極致體驗則一路VR帶寬已經超過2 Gbit/s，現有光纖傳輸也難以滿足。目前VR視頻主要通過HDMI有線傳輸，再加上控制線、耳機線導致頭戴式VR不僅重而且運動范圍受電纜長度限制[25]。借助5G網絡的高帶寬低延時，VR將實現無線化的跳躍式發展，不僅可以解決眩暈不適，也能擺脫線纜跳出空間限制。AR、MR同樣也能憑借5G技術實現有線到無線的跳躍。例如我院2019年5月13日在中國移動5G網絡支持下跨越長江完成了國內第一臺5G+MR（混合現實）遠程肺部手術，成功切除了患者左上肺聯合亞段切除手術。借助MR技術，肺部腔鏡的真實場景與患者的三維病歷解剖模型相融合的影像，通過遠程會診和移動5G網絡傳輸，2 h的手術借助5G網絡和MR技術進行遠程指導，猶如零距離面對面手術，此次手術5G專用網絡下載穩定在900 M/s，保證醫生對手術視野完整掌控。由此可見5G將推動AR、VR、MR技術的發展，并進一步擴展其在醫療領域的應用，將現代醫療帶入新的階段。

3 結語

通過探討5G目前在醫療領域應用案例，進一步挖掘了5G在醫療垂直領域應用方向，結合臨床的需求可以看到5G醫療在遠程醫療、應急醫療、可穿戴醫療、移動護理、混合現實等領域廣闊的市場。目前在國家政策的推動下、5G技術發展支持下以及廣闊的市場需求將為5G醫療帶來無限的發展機遇。當然，機遇與挑戰是并存的，如今5G醫療的發展面臨著高成本問題，例如5G網絡的運營維護成本，5G網絡采用微基站構建，單個基站覆蓋面積小，提高覆蓋面積需要大量增加基站的數量，基站的建設勢必增加大量的成本。此外，技術積累問題等在一定程度上限制了5G醫療的進一步發展，例如電池技術的停滯不前限制了5G移動設備的應用范圍。當然這些自身技術問題隨著5G技術的發展必然能夠完美的解決。現階段5G的安全問題也是不可忽視的存在，一方面是高頻電磁輻射對人體健康產生影響：意大利學者研究表明5G毫米波可提高皮膚溫度，改變基因表達，促進細胞增殖和蛋白質合成得氧化應激、炎癥和代謝過程，可能對人體造成損傷[26]。對5G輻射安全控制，波蘭專家研究建議依照ALARA原則嚴格控制5G輻射劑量[27]。5G輻射安全有待進一步研究。另一方面當5G網絡接入醫院內網時將會降低醫院網絡安全性，導致患者敏感信息泄漏，從而造成醫患矛盾。另外在進行5G遠程手術時，網絡質量的優劣將可能會影響到患者的生命安全等。除此之外，5G醫療在臨床應用的法律法規、行業規范與標準存在不完善、不健全等問題[28]，而現階段的5G醫療目前未獲得國家醫療器械注冊證，應用均停留在實驗階段，成熟的應用落地仍然需要很長的一段時間。隨著各行業、運營商、互聯網企業對5G技術的推動，必然能夠加速5G基礎技術的成熟，基礎技術成熟推動產業全面規范發展，5G醫療行業規范也將得到進一步完善。安全高效是醫療行業最重要的原則，在這一原則指導下，5G輻射安全必將是下一個重點研究領域。2019年6月，工信部向三大運營商和中國廣電頒發5G商用牌照，中國正式進入了5G時代[29]。未來5G醫療必將發揮更大的作用，進一步深化我國醫療衛生事業改革，推動人類健康事業的發展。