基于5G技術(shù)的智慧醫(yī)療應(yīng)用仿真技術(shù)探析

周 巍

（中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057)

0 引言

5G 技術(shù)是第五代移動(dòng)通信技術(shù)的簡(jiǎn)稱，從2019年6月國(guó)家頒發(fā)牌照至今，5G技術(shù)在各行各業(yè)得到了深入的應(yīng)用。5G 技術(shù)相較于4G 技術(shù)，速度提高10~100 倍，峰值速度高達(dá)10Gbit/s，而端到端延遲縮小到ms 級(jí)，流量密度增加1000 倍，使連接性提高10~100倍，同時(shí)，為確保500km/h 的最佳用戶體驗(yàn)，頻譜效率提高了5~10倍。5G技術(shù)的出現(xiàn)和普及使通信技術(shù)突破既定模式，讓用戶得到前所未有的使用體驗(yàn)，使人與物、人與人之間的距離進(jìn)一步拉近，拉開(kāi)了人與萬(wàn)物共融時(shí)代的帷幕[1]。

智慧醫(yī)療則是當(dāng)前醫(yī)療服務(wù)事業(yè)發(fā)展中所提出的新型醫(yī)療模式，是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及云計(jì)算技術(shù)融入醫(yī)療服務(wù)之中，構(gòu)建出以患者數(shù)據(jù)為核心的醫(yī)療服務(wù)平臺(tái)[2]。將5G技術(shù)和智慧醫(yī)療技術(shù)相結(jié)合，能依托5G 技術(shù)的高帶寬、高速率、低時(shí)延特性，為智慧醫(yī)療提供強(qiáng)大的連接能力，且連接不受地理位置和距離遠(yuǎn)近的限制，以及能將醫(yī)療數(shù)據(jù)、視頻、圖像等進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，保障智慧醫(yī)療工作順利進(jìn)行。

目前已經(jīng)有很多學(xué)者、企業(yè)、運(yùn)營(yíng)商或行業(yè)工作者等開(kāi)始關(guān)注和研究5G 技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[3-6]。 2019年，廣東省人民醫(yī)院攜手運(yùn)營(yíng)商和企業(yè)，共同打造國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的5G 應(yīng)用示范醫(yī)院，在遠(yuǎn)程醫(yī)療影像、遠(yuǎn)程醫(yī)療、醫(yī)療數(shù)字化服務(wù)提升及大數(shù)據(jù)等方面開(kāi)展合作[7]。同年，中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院與中國(guó)移動(dòng)和華為合作，成功完成全國(guó)首例基于5G 技術(shù)的遠(yuǎn)程人體手術(shù)——帕金森病“腦起搏器”植入手術(shù)[8]。2023年2月，浙大邵逸夫醫(yī)院普外科團(tuán)隊(duì)在中國(guó)電信5G定制網(wǎng)絡(luò)及我國(guó)國(guó)產(chǎn)原研手術(shù)機(jī)器人圖邁的基礎(chǔ)上，完成我國(guó)首例5G超遠(yuǎn)程機(jī)器人肝膽手術(shù)，在杭州機(jī)器人手術(shù)中心成功為新疆阿拉爾患者實(shí)施了膽囊切除術(shù)[9]。雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)始探索5G 技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，但現(xiàn)階段在智慧醫(yī)療中應(yīng)用5G 技術(shù)也還存在一定問(wèn)題，如由于政策規(guī)定限制，或醫(yī)院間的壁壘，應(yīng)用還存在落地難的問(wèn)題；同時(shí)技術(shù)發(fā)展和建設(shè)還處于實(shí)驗(yàn)階段，還不夠成熟，再加上人民對(duì)新型技術(shù)的應(yīng)用還抱有顧慮，還存在接受度不高問(wèn)題；隨著人民對(duì)信息安全、隱私等的關(guān)注，還擔(dān)心信息泄露等問(wèn)題，等。因此還需要相關(guān)行業(yè)、企業(yè)、研究者等共同努力探索出適合我國(guó)國(guó)情的5G智慧醫(yī)療建設(shè)模式。因此，有必要對(duì)5G 技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行研究。

本文主要研究5G 技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，尤其是基于5G 技術(shù)的智慧醫(yī)療應(yīng)用仿真技術(shù)。現(xiàn)有5G 技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)部署中，需要耗費(fèi)人力、物力和財(cái)力，建設(shè)還需要時(shí)間周期，部署后業(yè)務(wù)測(cè)試、方案驗(yàn)證、方案調(diào)整等都很麻煩，針對(duì)建設(shè)過(guò)程中存在的建設(shè)周期長(zhǎng)、業(yè)務(wù)調(diào)試周期長(zhǎng)、方案驗(yàn)證難、維修調(diào)整不方便、耗費(fèi)成本大等問(wèn)題，因此本文選用IUV 5G全網(wǎng)部署與優(yōu)化仿真教學(xué)系統(tǒng)軟件來(lái)仿真實(shí)現(xiàn)，探析了基于5G 技術(shù)的智慧醫(yī)療應(yīng)用仿真技術(shù)，為5G 技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 5G技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

5G 技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用有以下幾個(gè)方面：

1.1 遠(yuǎn)程會(huì)診

遠(yuǎn)程會(huì)診對(duì)傳送影像有特殊的需求，通常需要1080P和超過(guò)30FPS的實(shí)時(shí)視頻傳輸，而4G網(wǎng)絡(luò)帶寬和傳輸速率都不能滿足需求，會(huì)導(dǎo)致遠(yuǎn)程會(huì)診出現(xiàn)卡頓或延時(shí)的現(xiàn)象發(fā)生。5G 網(wǎng)絡(luò)的高速率、低延時(shí)特性，可實(shí)現(xiàn)4K/8K 遠(yuǎn)程診療，并可實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的高速傳送與共享，讓專家會(huì)診不受時(shí)間、地點(diǎn)等限制進(jìn)行會(huì)診，從而提升診斷的準(zhǔn)確度和指導(dǎo)的有效性，推動(dòng)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源的共享和下沉。在疫情大流行期間，5G 技術(shù)還被業(yè)界用于一系列高清視頻會(huì)議，用于遠(yuǎn)程咨詢、討論和會(huì)議等。

1.2 遠(yuǎn)程超聲

5G 技術(shù)的微秒延時(shí)特性，可讓資深醫(yī)師操控機(jī)器人手臂，實(shí)現(xiàn)對(duì)超音波的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1.3 遠(yuǎn)程手術(shù)

5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、高帶寬和低延遲，為遠(yuǎn)程手術(shù)提供了穩(wěn)定、可靠、安全的服務(wù)保障。通過(guò)5G的切片技術(shù)，配合智能終端或人工智能機(jī)器手臂等，讓專家遠(yuǎn)程完成在線手術(shù)，并讓專家手術(shù)過(guò)程中隨時(shí)掌握手術(shù)狀況及病人的情況。

1.4 應(yīng)急救援急救

應(yīng)急救援急救通過(guò)利用5G技術(shù)，將前端救護(hù)車、后端醫(yī)院以及一些智能設(shè)備結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)前端和后端的無(wú)縫連接，充分利用黃金搶救時(shí)間，保障病人的生命安全。同時(shí)還能在緊急救援過(guò)程中為救護(hù)車規(guī)劃最佳行駛路線，尋找最優(yōu)或最近醫(yī)院。

1.5 遠(yuǎn)程示教

遠(yuǎn)程示教，是指以直播和錄播的方式，在醫(yī)院開(kāi)展與手術(shù)有關(guān)的案例教學(xué)和訓(xùn)練。5G手術(shù)示教系統(tǒng)的主要功能有：手術(shù)影像采集，手術(shù)直播，手術(shù)指導(dǎo)，學(xué)生反饋，答疑解惑，手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的使用。

1.6 遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)

利用5G 的低時(shí)延和精確定位能力，能夠支撐可穿戴監(jiān)測(cè)設(shè)備在使用過(guò)程中，不斷地報(bào)告病人的位置信息，并對(duì)病人的生命體征信息進(jìn)行定時(shí)采集、處理和計(jì)算，并將其傳送給遠(yuǎn)端的監(jiān)控中心，以便遠(yuǎn)端的醫(yī)護(hù)人員能夠根據(jù)病人的當(dāng)前狀況，對(duì)病人的情況做出及時(shí)的判斷和治療。同時(shí)還能設(shè)置預(yù)警數(shù)據(jù)，對(duì)突發(fā)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和報(bào)警。

1.7 智慧導(dǎo)診

智慧導(dǎo)診目前主要有兩種形式，一種是人工智能機(jī)器人導(dǎo)診，一種是垂直大屏幕導(dǎo)診。通過(guò)在醫(yī)院設(shè)置智慧導(dǎo)診，能減少醫(yī)院志愿者或服務(wù)人員的工作量，甚至人數(shù)。智能導(dǎo)診系統(tǒng)包括：業(yè)務(wù)咨詢、掛號(hào)預(yù)約、健康教育、醫(yī)院導(dǎo)航、醫(yī)生排班咨詢。

1.8 智慧院區(qū)管理

實(shí)現(xiàn)對(duì)病人生命體征的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行安全管理，對(duì)醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行全壽命周期管理，是構(gòu)建智慧醫(yī)院的重要內(nèi)容。利用5G 技術(shù)的大連接，將醫(yī)院管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、醫(yī)護(hù)人員管理系統(tǒng)、病患人員管理系統(tǒng)等結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建智慧院區(qū)管理系統(tǒng)，提高醫(yī)院管理效率和患者就醫(yī)體驗(yàn)，減少醫(yī)患矛盾。

1.9 移動(dòng)醫(yī)護(hù)

移動(dòng)醫(yī)護(hù)是將醫(yī)師、護(hù)士的診斷、治療、護(hù)理等服務(wù)延伸到病人的病床前。醫(yī)護(hù)人員可以利用5G 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)影像數(shù)據(jù)和體征數(shù)據(jù)的移動(dòng)化采集和高速傳輸、移動(dòng)高清會(huì)診等功能，從而提升查房和護(hù)理服務(wù)的質(zhì)量和效率。

1.10 AI輔助醫(yī)療

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，AI逐步發(fā)展為一種在臨床上對(duì)疾病進(jìn)行診斷與鑒別的主要手段。5G智慧醫(yī)療解決方案以成像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用大數(shù)據(jù)+人工智能技術(shù)方案，建立AI輔助醫(yī)療，利用AI對(duì)醫(yī)學(xué)圖像與醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模與分析，并利用AI的強(qiáng)學(xué)習(xí)能力，AI根據(jù)海量病例和樣本，初步診斷問(wèn)題所在，為醫(yī)生診斷提供決策支持或參考，從而提高治療的效率與質(zhì)量。

2 基于5G技術(shù)的智慧醫(yī)療應(yīng)用仿真

由上可知，5G技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域有很多應(yīng)用，并隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用只會(huì)越來(lái)越多。但5G技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)實(shí)部署時(shí)會(huì)受人力、物力、財(cái)力、時(shí)間等限制，往往建設(shè)周期長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)困難，本文采用IUV-5G全網(wǎng)部署與優(yōu)化仿真教學(xué)系統(tǒng)軟件來(lái)仿真實(shí)現(xiàn)基于5G技術(shù)的智慧醫(yī)療應(yīng)用，為5G技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供實(shí)踐指導(dǎo)和理論參考。仿真中5G網(wǎng)絡(luò)采用獨(dú)立組網(wǎng)中的Option2組網(wǎng)方式，包含核心網(wǎng)，承載網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)三大部分，其中核心網(wǎng)為終端用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)和相應(yīng)管理功能；無(wú)線網(wǎng)以基站為主，能夠向終端用戶提供無(wú)線接入功能；承載網(wǎng)則負(fù)責(zé)承載數(shù)據(jù)的傳輸。智慧醫(yī)療仿真實(shí)現(xiàn)：5G生活體驗(yàn)館放在5G網(wǎng)絡(luò)中的1個(gè)小區(qū)下，具體如圖1所示。

圖1 仿真架構(gòu)圖

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與部署

仿真實(shí)現(xiàn)需要先對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃和部署，本仿真選擇仿真軟件中的“興城市”進(jìn)行5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃部署仿真實(shí)現(xiàn)。下面分別從核心網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)和承載網(wǎng)3個(gè)方面進(jìn)行規(guī)劃部署。

5G核心網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)部署架構(gòu)圖如圖2所示，核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了用戶面功能與控制面功能獨(dú)立，每個(gè)NF(Network Function: 網(wǎng)絡(luò)功能）可獨(dú)立擴(kuò)縮容，所有NF均需在NRF 進(jìn)行注冊(cè)，每個(gè)NF 可直接與其他NF 交互。5G無(wú)線網(wǎng)部分主要為終端用戶提供無(wú)線接入功能，以5G基站為主，基帶功能分布到CU和DU兩個(gè)物理設(shè)備上，CU 與核心網(wǎng)對(duì)接，又可進(jìn)一步細(xì)化為CUCP 和CUUP，CUCP 可通過(guò)F1-C 接口連接到DU，CUUP 可通過(guò)F1-U 連接到DU，彼此之間采用E1 接口，分別通過(guò)N2/N3接口與核心網(wǎng)網(wǎng)元相連接。5G承載網(wǎng)是為5G無(wú)線網(wǎng)和核心網(wǎng)提供網(wǎng)絡(luò)連接的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，用于傳送各種語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在興城市無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)設(shè)備之間部署的5G 承載網(wǎng)，由SPN 和OTN構(gòu)成，結(jié)構(gòu)采用環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 5G核心網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)部署架構(gòu)圖

規(guī)劃部署完以后還需要進(jìn)行設(shè)備配置和數(shù)據(jù)配置。在設(shè)備配置部分，先將各類網(wǎng)元拖放到合適的位置，然后相互之間進(jìn)行正確的連線，連線時(shí)要注意速率的匹配和端口的對(duì)應(yīng)，如承載網(wǎng)不同機(jī)房之間連接時(shí)，要先用LC-LC光纖將SPN設(shè)備與OTN設(shè)備進(jìn)行連接，然后再使用LC-FC 光纖將OTN 設(shè)備與ODF 設(shè)備進(jìn)行連接，在對(duì)端機(jī)房確是先將ODF 設(shè)備和OTN 設(shè)備進(jìn)行連接，然后OTN 設(shè)備再和SPN 連接；從無(wú)線側(cè)往核心網(wǎng)側(cè)走，端口速率選擇要由低到高。設(shè)備配置完成以后還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)配置，對(duì)各個(gè)網(wǎng)元進(jìn)行地址、路由、參數(shù)等配置，比如配置興城市2 區(qū)B 站點(diǎn)機(jī)房的源地址為192.168.1.1，興城市核心網(wǎng)SW1的目的地址為192.168.1.14，使用Ping工具進(jìn)行鏈路檢測(cè)，鏈路檢測(cè)結(jié)果成功，則表示承載網(wǎng)部分部署完成且成功，結(jié)果如圖3所示。同樣需要完成核心網(wǎng)側(cè)和無(wú)線側(cè)的數(shù)據(jù)配置，配置完成后，打開(kāi)業(yè)務(wù)調(diào)試界面，填寫終端數(shù)據(jù)和小區(qū)信息，選擇工程模式，進(jìn)行驗(yàn)證，完成工程模式下?lián)軠y(cè)成功，如圖4所示，至此，5G網(wǎng)絡(luò)部署成功且完成。

圖3 承載網(wǎng)驗(yàn)證界面

圖4 撥測(cè)成功界面

2.2 仿真站點(diǎn)選址和速率優(yōu)化

根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景可知興城市屬于CBD場(chǎng)景，商業(yè)發(fā)達(dá)，高樓錯(cuò)落，為保證網(wǎng)絡(luò)信號(hào)能夠覆蓋5G生活體驗(yàn)館且網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量良好，鐵塔類型選用樓頂鐵塔。如圖5所示，鐵塔所屬站點(diǎn)為興城市B 站點(diǎn)無(wú)線機(jī)房，塔高為10m，分為3個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)1的方位角為60°，下傾角為3°；扇區(qū)2 的方位角為180°，下傾角為3°；扇區(qū)3 的方位角為300°，下傾角為3°。由于5G 生活體驗(yàn)館位于扇區(qū)1的區(qū)域內(nèi)，所以在后續(xù)的無(wú)線網(wǎng)配置中，波束配置只需要配置小區(qū)1，并保證波束連續(xù)即可。

圖5 扇區(qū)部署圖

接下來(lái)對(duì)無(wú)線側(cè)物理信道及波束進(jìn)行配置，保證基礎(chǔ)上網(wǎng)業(yè)務(wù)。由上可知，5G生活體驗(yàn)館位于1小區(qū)的子波束1和子波束2的交界處，所以對(duì)小區(qū)1的子波束配置如圖6所示，在小區(qū)業(yè)務(wù)配置中添加3條波束，方位角分別為0°、40°和70°，下傾角均為0°，水平波寬為40，垂直波寬為30，并設(shè)置波束有效，波束顯示如圖7所示，由圖7可知，按照?qǐng)D6的波束配置，能保證小區(qū)1下各波束之間連續(xù)。

圖6 波束配置圖

圖7 波束顯示圖

配置完成后，切換至軟件基礎(chǔ)優(yōu)化界面，填寫終端設(shè)備信息后，將終端設(shè)備放置在5G生活體驗(yàn)館處，如圖8所示，可以得到此時(shí)上行速率在350mbps左右，下行速率在1200mbps 左右，可測(cè)得語(yǔ)言、視頻、直播業(yè)務(wù)均驗(yàn)證成功，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)優(yōu)化部分完成。

圖8 上、下行速率圖

2.3 基于5G技術(shù)的智慧醫(yī)療應(yīng)用仿真實(shí)現(xiàn)

5G 有三大類應(yīng)用場(chǎng)景，其中uRLLC(Ultra-Reliable Low-Latency Communications：超高可靠低時(shí)延通信）主要面向工業(yè)控制、遠(yuǎn)程醫(yī)療、自動(dòng)駕駛等對(duì)時(shí)延和可靠性具有極高要求的垂直應(yīng)用需求[10]，因此智慧醫(yī)療仿真場(chǎng)景選用uRLLC 場(chǎng)景。基礎(chǔ)優(yōu)化完成后，將軟件切換至網(wǎng)絡(luò)切片編排頁(yè)面，進(jìn)入5G生活體驗(yàn)館，設(shè)置業(yè)務(wù)SST為uRLLC，DN屬性為醫(yī)療本地云，其他設(shè)置保持如圖9所示，點(diǎn)擊開(kāi)始手術(shù)，開(kāi)始播放手術(shù)畫(huà)面，即成功開(kāi)始手術(shù)，播放過(guò)程如圖9和10所示。

圖9 手術(shù)成功頁(yè)面1

圖10 手術(shù)成功頁(yè)面2

3 結(jié)論

本文將5G技術(shù)應(yīng)用于智慧醫(yī)療領(lǐng)域，結(jié)合5G技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，配合互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等，協(xié)助醫(yī)療機(jī)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程會(huì)診、遠(yuǎn)程手術(shù)、醫(yī)學(xué)教學(xué)、遠(yuǎn)程查房等智慧醫(yī)療應(yīng)用，能促進(jìn)醫(yī)療信息和資源的共享和交換，提升醫(yī)療診斷水平，簡(jiǎn)化就醫(yī)看病流程，緩解醫(yī)患矛盾，促進(jìn)醫(yī)療行業(yè)改革。本文還仿真實(shí)現(xiàn)了5G 技術(shù)在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，通過(guò)探析基于5G 技術(shù)的智慧醫(yī)療應(yīng)用仿真技術(shù)，為現(xiàn)實(shí)部署提供理論支持和實(shí)踐參考。但5G智慧醫(yī)療現(xiàn)實(shí)運(yùn)用以及全國(guó)普及還有待完善，加快5G智慧醫(yī)療全覆蓋，全面提升智慧醫(yī)療服務(wù)效能仍是我們未來(lái)需要探索的方向。