智慧健康及醫療保健產業發展的熱點技術趨勢：物聯網及5G通信

李 瑾 景意新

（1.中國電器科學研究院股份有限公司 廣州 510663；2.威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

引言

隨著人口的急劇增加，以及人們對健康關注度的日益提升，傳統的醫療保健已無法滿足每個人的需求。近年來，盡管我國在醫療健康領域擁有越發完善的基礎設施和尖端技術，但并不是每個人都能獲得或負擔得起高水平的醫療服務。智慧健康產業的目標之一是幫助用戶掌握他們的健康狀況并保持他們的健康意識。智慧健康與醫療保健產業結合，可以使用戶能夠自行應對一些緊急情況。它強調健康管理、提前預防，助力最大限度地利用可用資源，且有助于對患者進行遠程監控，并降低患者的治療成本。通過遠程問診、遠程治療，還可以幫助醫生在沒有任何地理障礙的情況下拓展他們的服務范圍。隨著智慧城市的發展趨勢不斷顯著，有效的智慧健康及醫療保健系統可提升人們的健康生活體驗。

智慧健康及醫療保健產業的一大特點是運用互聯技術，即指任何可以遠程操作的數字醫療健康解決方案，具有持續監測健康、緊急檢測和自動提醒等適合使用者不同需求的附加服務。互聯健康技術主要側重于通過實現自我健康監測和護理并輔以遠程問診及護理來提高醫療保健質量和效率。

近年來，物聯網的迅速發展，極大程度上促進大健康產業的智慧化轉型，并可以降低醫療設備的成本。快捷穩定的網絡是保障物聯網實現的基本要求，5G 網絡在實現智慧健康物聯的廣泛應用層面將發揮重要作用。在5G 網絡的應用中，智慧醫療是最重要的應用之一。

在智慧醫療保健中，物聯網可以改善多種應用，包括醫院的資產管理、行為變化監測、遠程監測、治療依從性監測、輔助生活、更智能的藥物治療和遠程醫療，這些應用將在不久的將來的醫療保健產業中發揮重要作用。近年來，醫療健康領域也開發出了許多用于集成移動通信、電子健康和網絡服務的應用程序。如通過儀器電子記錄的健康數據，在便攜式設備中分析檢查健康狀況的應用程序；用于評估和飲食檢查的智能健康應用程序；通過引入基于移動網關的 IoT 應用程序，用于移動健康環境中的智能輔助；在由傳感器組成的無線網絡中，使用可穿戴設備進行健康監測和醫療檢查。物聯網也是構建電子健康平臺時搜集和提供健康數據，用于健康分析及提前進行醫療干預的重要途徑。

在 5G 網絡中，機器對機器 （M2M）通信和物聯網（IoT）有望成為實現智慧健康及醫療保健的主要支柱技術。上述技術將面臨兩個主要挑戰：

1）首先是大量終端導致網絡超密集（例如，每平方千米內大約有106個連接。IoT和M2M的應用需具備決超密集化和可擴展性問題的解決方案。

2）其次是由于依賴于無線傳感器網絡的基于物聯網的應用的性質（例如，特定情況下所需的最短電池壽命為10年）。

關于 5G 網絡部署和商業化的研究始于2014年，現階段已完成基本部署。除了網絡密集化和對大量物聯網設備的支持外，5G網絡有望提供更高的數據傳輸速率。5G網絡在設計時考慮靈活和通用性，以支持新的應用程序，這不僅需要高數據速率，還有其他要求：包括大規模連接、密集部署、可靠性、低延遲、高能效和遠程通信能力（用于支持基于物聯網的智慧健康和醫療保健的應用程序）。

1 物聯網醫療健康服務

物聯網有望增強各類醫健康援助服務，其中每項服務都會提供醫療保健解決方案的組合。但是，醫療保健和物聯網醫療保健服務沒有標準定義。在少數情況下，服務相對不能與特定解決方案或應用程序分離開來。

1.1 環境輔助生活

環境輔助生活是綜合技術和社會環境，旨在為提高人們的生活質量。環境輔助生活的重要應用是以一種有益而安全的方式為老年人居住的地方進行適老化改造。環境輔助生活管理部門提供自治服務，并在出現任何問題時提供遠程協助。

1.2 藥物不良反應預防

藥物不良反應是由于使用醫生開出的藥物而發生的反應。通常，其是由于使用不尋常藥量的結果，或者可能是兩種或多種處方混合使用的結果。雖然藥物不良反應大體上是通用的，不過建議結合患者個人特質和病例制定解決方案。建立基于物聯網的藥物不良反應判定提醒系統，通過授權的工具軟件掃描條形碼或NFC 技術，在藥品信息及患者的過敏史等必要信息均實現數字化的前提下，使患者可以自行篩選藥物，預防藥物不良反應的發生。

1.3 社區健康服務平臺

社區健康服務平臺以建立本地網絡的理念為基礎。在智慧城市的概念中，需要建立一個依賴于整個城市醫療中心、農村地區或住宅區的智慧健康物聯網系統，其中社區健康服務平臺是不可或缺的。社區健康服務平臺的架構就像“虛擬醫療保健中心”的基本單元。

1.4 可穿戴設備訪問

可穿戴設備訪問已針對不同的醫療用途發明了許多對健康無干擾的傳感器，適用于依賴 無線傳感器網絡的醫療健康服務。無線傳感器網絡也可接入物聯網，并提供相同的服務。此外，可穿戴設備（如智能服裝、智能手表和智能眼鏡等）可能各自具備適合物聯網設計的必要組件，然而從不同可穿戴設備的傳感器和接口中提取數據并進行分析，是一項具有極大的挑戰的工作，而可穿戴設備訪服務可以解決這個問題。例如設計一個基于可穿戴設備訪的物聯網應用模型，使其適用于不同移動設備（如智能手表和智能手機）中的大量醫療健康應用程序，從而通過某個移動設備作為一個端口進行數據收集、統一傳輸和分析。

2 5G通信場景及需求

成功部署智慧健康及醫療保健系統的關鍵要求如圖1所示。基于這些特點，智慧健康及醫療保健需要5G網絡來保障其部署及應用。

圖1 智慧健康及醫療保健系統的特性

2.1 增強型移動寬帶

這種情況的基本要求是高水平的吞吐量和卓越的流量。 例如，在城市的一般地區和郊區，用戶體驗的數據速率為100 Mbps，在熱點地區，高達1 Gbps；最高數據速率為20 Gbps；并且，容量相當于10 Mbps/m2。 該方案的主要目的是提高網絡中的流量容量和數據速率。

2.2 大規模機器類型通信

該場景與無線傳感器網絡、機器到機器通信和IoT通信有關。 與此方案相關的主要目標是能耗和連接密度。例如，連接密度等于每平方米106個設備并且能耗應該比4G網絡提高100 倍，網絡中的設備需要的電池壽命為10年。

2.3 低延遲和高可靠性的通信

該場景與超可靠的通信和觸覺互聯網應用程序有關，例如遠程手術和無人駕駛的車聯網（如救護車）通信。這種場景的主要要求是高可靠性和低延遲。例如，有模型所需的中斷概率大約等于10-7 ，并且端到端延遲為 1 ms。

2.4 無線區域網絡

無線區域網絡是5G網絡的最后一種設置。此方案的主要目標是為與人口稀少的偏遠地區提供新的應用程序。該場景的主要要求是與直徑大于50公里的小區進行長距離通信。

3 實現 5G 網絡要求的重要技術趨勢

3.1 設備到設備（D2D）通信

D2D通信是5G網絡的一個重要趨勢。所述技術可用于兩種不同的方法：第一種方式是一個終端與其他終端以增強基站和終端之間的通信特性的方式協作；第二種方法是一個終端直接與另一個終端通信，而不包括基站。設備到設備的通信可以提高信道可靠性，提升系統吞吐量，降低運營成本和能源消耗。D2D中的直接通信允許多個D2D鏈路同時共享相同的帶寬，從而增加系統流量的容量。此外，通過直接通信方法（與通過基站的通信相比）可以提高信噪比，因此可以使傳輸功率最小化，從達到而節省能耗或拓寬鏈路容量。最后，通過D2D直接通信也可以減少無線電鏈路的延遲。

3.2 人工智能和機器學習

無線網絡中的智慧健康及醫療保健應用仍處于初級階段，并正在人工智能和機器學習的幫助下逐步發展，以使網絡、系統更加智能。網絡設計、拓撲和傳播模型以及5G網絡中節點的移動性可能很復雜。因此，人工智能和機器學習可以在協助和管理網絡中的不同資源方面發揮重要作用，從而使網絡、系統更加智能，進而運用到智慧健康及醫療保健的應用中。

人工智能和機器學習可以通過以下三種不同的方式部署在網絡中：

1）對于快速決策和低計算能力，人工智能和機器學習算法可以嵌入到網絡中的各個終端設備中。

2）對于低延遲的物聯網服務，網絡邊緣的人工智能和機器學習引擎可以在執行實時計算和快速決策方面發揮重要作用。

3）對于醫療數據分析所需的海量數據存儲和大量計算，可以將人工智能和機器學習嵌入到集中式系統中，以實現這些目標。

4 開放性的問題和挑戰

除了上文提到的優勢之外，在將IoT和5G通信應用于智慧健康及醫療保健方面還存在許多挑戰和待研究解決的問題。表1介紹了特征、優勢和未來的研究方向。

表1 未來研究面臨的挑戰

5 結論

綜上所述，5G通信將在智慧健康及醫療保健和物聯網的應用中發揮重要作用。從功能和經濟角度來看，智慧健康及醫療保健和物聯網的應用在5G通信的普及方面也發揮著至關重要的作用。在本文中，我們從不同的角度突出了各種應用，并在智慧健康及醫療保健的范圍、頻率、功率使用和數據速率方面比較了短距離和遠程通信技術。此外，針對5G通信的不同需求（即增強移動寬帶、海量機器類通信、低時延和高可靠性通信、無線局域網接入互聯網），考慮了不同的場景，呈現了不同的技術。最后，我們提出了應用物聯網及5G通信的智慧健康及醫療保健產業存在的開放性問題和未來研究方向。由于智慧醫療健康的獨特特性，未來還需進行大量研究工作，希望本文能夠為智慧健康及醫療保健領域的從業人員提供啟發。