基于5G移動技術(shù)在遠程醫(yī)療中的應(yīng)用研究

孫葉 徐旭 秦雨 江磊

摘 要：基于5G技術(shù)的高速率、低延時等優(yōu)點，結(jié)合虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)與傳統(tǒng)遠程醫(yī)療系統(tǒng)構(gòu)架，可建立基于5G技術(shù)的遠程VR直播教學(xué)系統(tǒng)、遠程VR手術(shù)系統(tǒng)以及可穿戴設(shè)備的遠程醫(yī)療信息服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化平臺。5G通信技術(shù)與遠程醫(yī)療的結(jié)合，能夠?qū)€人移動健康系統(tǒng)對接入社區(qū)服務(wù)保障機構(gòu)，下沉優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源，能夠有效緩解地方醫(yī)院的高端醫(yī)學(xué)人才的匱乏和高端醫(yī)療設(shè)備不全的兩大難題。通過建設(shè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、開放獨立、互通互聯(lián)、資源共享和安全實用的5G遠程醫(yī)療系統(tǒng)，覆蓋醫(yī)療資源發(fā)達的周邊地域，為醫(yī)療專家研討、遠程會診及遠程VR手術(shù)等業(yè)務(wù)提供便利。

關(guān)鍵詞：5G技術(shù);遠程醫(yī)療;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);可穿戴設(shè)備

一、基于5G的遠程VR直播教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

隨著5G技術(shù)的不斷成熟，VR直播的熱度不斷上升，實現(xiàn)傳統(tǒng)直播與虛擬現(xiàn)實的結(jié)合。VR直播采用360度景的拍攝裝備，可以捕捉多角度、超級清晰的畫面。基于5G+VR技術(shù)的遠程醫(yī)療教學(xué)，在教學(xué)直播實時手術(shù)過程中，學(xué)生可以通過VR眼鏡看到手術(shù)的全過程，分享主刀醫(yī)生第一視角，體驗到如同親自主刀的感覺，快速提升學(xué)生的能力。

1、總體構(gòu)架設(shè)計

基于5G的遠程VR手術(shù)直播教學(xué)系統(tǒng)以醫(yī)療資源優(yōu)質(zhì)的醫(yī)院為中心，與若干個醫(yī)療資源薄弱的醫(yī)院建立遠程教學(xué)系統(tǒng)，從而開展聯(lián)合醫(yī)療會診、醫(yī)學(xué)研討、醫(yī)療教學(xué)等業(yè)務(wù)，滿足先進醫(yī)療技術(shù)的廣泛教學(xué)傳播。通過遠程VR手術(shù)直播系統(tǒng)的構(gòu)建，使專家醫(yī)生的醫(yī)療技術(shù)作為實景教學(xué)教材傳播到醫(yī)療資源匱乏的醫(yī)療機構(gòu)，均衡當(dāng)?shù)蒯t(yī)療資源。見圖1。

2、組網(wǎng)拓撲設(shè)計

系統(tǒng)采用360度全景的拍攝裝備采集整個手術(shù)過程，采集到的信號通過線纜直連的方式，將信號與本地拼接服務(wù)器進行實時拼接、投影變換、H.264編碼和推流（將現(xiàn)場的視頻信號傳到網(wǎng)絡(luò)的過程），完成采集信號的本地拼接，系統(tǒng)所需實時消息傳輸協(xié)議（RTMP）的推流碼率為6～20Mbps，進而將拼接好的信號傳輸?shù)皆贫诉M行實時轉(zhuǎn)碼及分發(fā)加速，直播拉流碼率為3～10Mbps，信號通過逆變換、解碼可通過各種顯示段進行即時收看。由于H.264算法優(yōu)化，能夠以<1Mbps的速度實現(xiàn)分辨率在1280P×720以下的數(shù)字圖像的傳送，而H.265可以實現(xiàn)利用1～2Mbps的速度傳輸720P數(shù)字圖像，即分辨率為1280P×720的高清音視頻傳輸，而5G技術(shù)使得這一目標(biāo)可以輕松實現(xiàn)。傳統(tǒng)的遠程會診系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)具有一定的糾錯功能，但在丟失數(shù)據(jù)包20%情況下遠程會診視頻通話會受網(wǎng)絡(luò)延遲的影響而導(dǎo)致兩地畫面不同步，畫面延時嚴(yán)重，而5G技術(shù)讓移動網(wǎng)絡(luò)速度從每秒100MB提高到1GB，克服此類技術(shù)難題。

二、遠程VR手術(shù)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、醫(yī)療影像數(shù)據(jù)傳輸

基于這種點對點的交流模式在實際應(yīng)用時具有很大的局限性，而遠程醫(yī)療的重要環(huán)節(jié)是傳輸海量的影像數(shù)據(jù)，醫(yī)療影像數(shù)據(jù)很大，而4G時代下的遠程會診遠遠達不到實際需求，需要高速帶寬的傳輸能力，以確保遠程會診、遠程手術(shù)的質(zhì)量。因此，遠程醫(yī)療的關(guān)鍵是提高傳輸質(zhì)量，而5G技術(shù)將會提高醫(yī)療影像數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。

2、遠程VR手術(shù)系統(tǒng)設(shè)計

目前，5G技術(shù)在遠程醫(yī)療中的作用更多的是醫(yī)療專家遠程指導(dǎo)現(xiàn)場醫(yī)生進行手術(shù)的程度，在5G不斷趨于成熟的未來，將采用基于5G技術(shù)的VR眼鏡來實際觀察掌握手術(shù)室內(nèi)的虛擬場景，由高精度的機械臂代替醫(yī)生的手術(shù)動作。基于5G技術(shù)的遠程VR手術(shù)可運用于多種特殊手術(shù)場合，如醫(yī)生無法到場的戰(zhàn)地環(huán)境、患有嚴(yán)重傳染病患者需要手術(shù)等情況。見圖2。

3、遠程VR手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用

遠程VR手術(shù)系統(tǒng)的組網(wǎng)拓撲是基于遠程VR手術(shù)直播教學(xué)系統(tǒng)的組網(wǎng)拓撲，整個系統(tǒng)采用PHIIMAX3D全景照相機來采集整個手術(shù)過程，通過5G移動網(wǎng)絡(luò)將采集到的手術(shù)現(xiàn)場圖像信息傳送至3D融合控制器CK4MLA-2000，融合控制器將采集到的信號混合、轉(zhuǎn)換為可視的3D信息，再傳輸?shù)接脩舳耍t(yī)生利用VR眼鏡觀察了解手術(shù)現(xiàn)場和患者情況之后再用VR手柄通過5G網(wǎng)絡(luò)遠程操控VR機械臂，實現(xiàn)遠程的零距離零空間的遠程手術(shù)。

三、基于5G的可穿戴設(shè)備架構(gòu)及設(shè)計

1、可穿戴設(shè)備架構(gòu)

可穿戴設(shè)備即穿在身上或是集成整合到用戶的衣服、配件和飾品的一種便攜式設(shè)備，其不僅僅是一種硬件設(shè)備，也是通過軟件支持與數(shù)據(jù)交互、云端交互等來實現(xiàn)強大創(chuàng)新型的功能。可穿戴設(shè)備通過5G網(wǎng)絡(luò)把實時采集到的數(shù)據(jù)低延時的傳送到檢測端，再由檢測端進行數(shù)據(jù)分析，給穿戴者提供最優(yōu)的身體管理辦法，形成可穿戴式的遠程醫(yī)療檢測系統(tǒng)。

2、體系拓撲結(jié)構(gòu)

該體系由BLE可穿戴醫(yī)療設(shè)備、設(shè)備管理中間件和調(diào)用方組成。可穿戴醫(yī)療設(shè)備管理中間件是核心組成部分。它通過BLE協(xié)議接入各類可穿戴醫(yī)療設(shè)備如血壓計、體溫計和心率計等，實現(xiàn)對可穿戴設(shè)備的統(tǒng)一管理與數(shù)據(jù)處理，同時協(xié)調(diào)設(shè)備資源的調(diào)度以實現(xiàn)多設(shè)備并發(fā)運行。另一方面，中間件通過WebSocket通信方式響應(yīng)調(diào)用方應(yīng)用程序的操作請求，調(diào)用方通過中間件封裝的控制指令完成對可穿戴醫(yī)療設(shè)備的操作以及健康監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時傳輸。中間件能夠同時響應(yīng)多個Socket客戶端的請求，進一步適應(yīng)了對可穿戴設(shè)備的并發(fā)操作，而調(diào)用方只需實現(xiàn)Socket客戶端訪問中間件即可，能夠兼容各主流平臺。如圖3。

四、結(jié)語

5G時代的到來會使可穿戴設(shè)備行業(yè)不斷發(fā)展，使醫(yī)學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)巨大飛躍，使精準(zhǔn)醫(yī)療變?yōu)楝F(xiàn)實，這對人類的健康發(fā)展有著至關(guān)重要的意義。使5G技術(shù)真正服務(wù)于人民，服務(wù)于社會，成為均衡我國醫(yī)療資源的重要力量。