5G通信在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀
【摘要】第五代（5G）移動(dòng)通信技術(shù)具有傳輸速度快、時(shí)延低、帶寬大、可靠性高、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，它正引領(lǐng)整個(gè)醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)行著一場(chǎng)深刻的變革【1】。雖然“5G+ 醫(yī)療”目前尚處于起步階段，但隨著 5G 技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的康復(fù)診療模式發(fā)生了變化，觸覺互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)在康復(fù)領(lǐng)域已嶄露頭角，這使得遠(yuǎn)程康復(fù)成為了可能。本文旨在對(duì) 5G 技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用及發(fā)展進(jìn)行綜述。
【關(guān)鍵詞】5G通信；遠(yuǎn)程醫(yī)療；應(yīng)急醫(yī)療；健康管理
The Development Status of 5G Communication in the Medical Field
Abstract? The fifth generation (5G) mobile communication technology has the characteristics of high transmission speed,low delay, large bandwidth, high reliability and wide coverage, which is leading a profound change in the whole medical field.Although 5G + Medical?is still in its infancy, with the development of 5G technology and advanced technologies such as?tactile internet, it has lead to the great change of traditional rehabilitation mode. Remote rehabilitation is on the way. This paper?aims to summarize the application and development of 5G technology in medical medicine.
Keywords??5G communication; Telemedicine?; Emergency medical treatment; Health management
1 5G技術(shù)的發(fā)展歷程、特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景
1．1 5G技術(shù)的發(fā)展歷程
從20世紀(jì)80年代，通訊起初使用的模擬信號(hào)，被稱為第一代移動(dòng)通訊技術(shù)，也就是1G，它只能用于電話【2】。到20世紀(jì)90年代歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI根據(jù)時(shí)分多址技術(shù)提出了全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(Global system for Mobile communications，GSM)通訊技術(shù)，也就是2G，之后美國(guó)發(fā)明碼分多址，也稱2．5G，但手機(jī)通訊只能用來打電話和發(fā)送簡(jiǎn)單文字【3】。再到21世紀(jì)初，第三代移動(dòng)通訊技術(shù)(3G)隨之而生，主要有cDMA2000，WCDMA，TD．SCDMA三大標(biāo)準(zhǔn)，手機(jī)進(jìn)入多媒體時(shí)代，可傳輸圖片和簡(jiǎn)單視頻。并且從2010年開始，第四代移動(dòng)通信技術(shù)(4G)逐步發(fā)展開來，主要有TD—LTE和FDD—LTE兩種制式，能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量音頻視頻圖像等。在4G時(shí)代，無線通信系統(tǒng)需要端到端的系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范【4】，3GPP(3rdGeneration Partnership Project)主導(dǎo)了LTE等標(biāo)準(zhǔn)，而目前5G的主要標(biāo)準(zhǔn)化工作也由3GPP完成。隨著5G發(fā)展的不斷推進(jìn)，目前5G被細(xì)分為兩個(gè)階段Release 15和Release 16，被稱作NewRadio(NR)【5】”。2015年，全球超過85％的人口使用GSM，2019年底，97％使用3GPP技術(shù)【6】，通訊技術(shù)發(fā)展十分迅速，通訊技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了社會(huì)現(xiàn)代化高速發(fā)展。
1．2 5G技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景
5G技術(shù)最直觀的特點(diǎn)就是通訊速率高，那么5G如何提高通訊速率呢?根據(jù)香農(nóng)信道容量公式:C=W
，其中C為信道容量，W為無線電信道寬度，s／N為信噪比。通過公式可見，信道容量與信道帶寬成正比，同時(shí)取決于系統(tǒng)信噪比以及編碼技術(shù)種類，而5G技術(shù)通過改變頻帶寬度和信噪比從而大大提高了通訊速率，速率較以往提高了至少數(shù)十倍【7】。此外5G的主要體系架構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)模式，采用了毫米波傳輸、微基站中轉(zhuǎn)覆蓋、多天線發(fā)射接收的全新架構(gòu)模
式，在各個(gè)階段都有了質(zhì)的飛躍。基于5G技術(shù)的特陛，國(guó)際無線標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)3GPP定義了5G技術(shù)的三大主要應(yīng)用場(chǎng)景：①增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶(EnhancedMobile Broadband，e MBB)，主要是提升基礎(chǔ)速率，它的峰值速率由4G的300Mb／s提升至20Gb／s；②大規(guī)模機(jī)器通信(Massive Machine Type communications，m?MTC)，目前廣泛應(yīng)用于大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)；③超可靠和低延遲通信(Ultra-Reliable and Low Latency communications，URLLC)，主要是降低延遲，延遲時(shí)間由4G的10～50ms降低到1ms。綜合對(duì)比4G網(wǎng)絡(luò)，5G將對(duì)應(yīng)用的體驗(yàn)速度、數(shù)據(jù)的傳輸速度和密度、端際延時(shí)、便攜性和移動(dòng)性、頻譜效率、能效、成本等各個(gè)方面提升1~2個(gè)數(shù)量級(jí)【8-9】。
2 5G在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用
2．1遠(yuǎn)程醫(yī)療
中國(guó)國(guó)土面積遼闊，人口眾多、分布不均衡，存在醫(yī)療資源部分地區(qū)相對(duì)稀缺和分配不均衡的現(xiàn)實(shí)問題。解決這一問題的有效方法之一就是遠(yuǎn)程醫(yī)療。當(dāng)前按遠(yuǎn)程醫(yī)療的具體應(yīng)用可以細(xì)分為遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程治療兩大階段。
2．1．1遠(yuǎn)程診斷
遠(yuǎn)程診斷發(fā)展至今已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步與突破，但是仍存在許多不足與需要改進(jìn)的地方。在當(dāng)前低傳輸速率、高延時(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，遠(yuǎn)程圖片、視頻、語(yǔ)音等信號(hào)的質(zhì)量不佳，而低質(zhì)量的遠(yuǎn)程信號(hào)將影響整個(gè)診療過程，從而影響醫(yī)生的診斷效率和診斷準(zhǔn)確度【10】。例如鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院與華為和中國(guó)移動(dòng)進(jìn)行的三方合作中，成功的完成了B超等多項(xiàng)5G遠(yuǎn)程診斷實(shí)驗(yàn)。借助5G技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)將本地端無線B超探頭作為操作柄，靈活操控異地端機(jī)械臂的功能，實(shí)現(xiàn)跨地域的遠(yuǎn)程診斷操作，使得醫(yī)療資源得到了充分的利用。這一檢查方案在4G時(shí)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(xué)第二附屬醫(yī)院聯(lián)合浙江移動(dòng)、華大基因和華為，也成功通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程B超觸感回傳，將圖像快速傳遞至后方醫(yī)院進(jìn)行快速診斷【ll】，極大地提高了診斷效率。相信在不久的將來，在5G技術(shù)的輔助下可以讓更多的優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源服務(wù)于更多的地區(qū)和更多的患者，從而使遠(yuǎn)程診斷真正打破地域的限制。
2．1．2遠(yuǎn)程治療
我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)由于偏僻的地理因素和經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后限制了當(dāng)?shù)氐尼t(yī)療衛(wèi)生事業(yè)發(fā)展【12】。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2017年基層醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)約933024個(gè)，其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)衛(wèi)生院36551個(gè)，村衛(wèi)生室632057，二者共占比71．7％【13】，醫(yī)療資源匱乏，醫(yī)療水平普遍較低。許多患者由于缺少專家、缺少經(jīng)驗(yàn)、缺少先進(jìn)的治療設(shè)備而導(dǎo)致治療不及時(shí)。結(jié)合5G技術(shù)的遠(yuǎn)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(jí)延遲更可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程治療，同時(shí)遠(yuǎn)程手術(shù)也將變成現(xiàn)實(shí)。此外，華中科技大學(xué)和奧本大學(xué)、南加州大學(xué)共同提出了基于5G技術(shù)的5G—Csys系統(tǒng)，不僅提出了用于遠(yuǎn)程手術(shù)，還提出了借助5G技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程情感安撫、遠(yuǎn)程診斷患者情緒診斷心理疾病的系統(tǒng)【14】。
2．2應(yīng)急醫(yī)療
在急救領(lǐng)域，很多學(xué)者將受傷后的4~6 min稱為“救命的黃金時(shí)問”，8 min以上的傷者救治成功率不足5％，可見應(yīng)急搶救分秒必爭(zhēng)【15】。搭載5G網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的急救通訊系統(tǒng)可以承擔(dān)聯(lián)絡(luò)、協(xié)調(diào)、指揮、調(diào)度等重任，并將院內(nèi)院外急救無縫銜接?，F(xiàn)階段，急救傷員乘救護(hù)車到醫(yī)院后才能進(jìn)行大規(guī)模生理參數(shù)采集，進(jìn)行相關(guān)化驗(yàn)、檢查和搶救治療等，而在5G平臺(tái)下，救護(hù)車車內(nèi)就能完成這些工作，大大縮短搶救準(zhǔn)備時(shí)間【16】。例如2019年4月召開的中國(guó)北京世園會(huì)，中國(guó)聯(lián)通首次利用5G技術(shù)開展遠(yuǎn)程醫(yī)療急救保障。此次5G應(yīng)急醫(yī)療保障應(yīng)用商業(yè)化探索，大大降低急救響應(yīng)時(shí)間，保障參會(huì)人員的生命安全。在5G技術(shù)的支持下，醫(yī)療機(jī)構(gòu)以及急救車可統(tǒng)一接人院前急救聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，讓急救醫(yī)療流程得到高效規(guī)劃，甚至借助5G技術(shù)的大寬帶低延時(shí)特性，現(xiàn)場(chǎng)就可以視頻遠(yuǎn)程緊急救助從而縮短急救響應(yīng)時(shí)間，為患者爭(zhēng)取更多時(shí)間，創(chuàng)造更大生機(jī)。
2．3健康管理
傳統(tǒng)健康管理需要前往醫(yī)院或者體檢機(jī)構(gòu)進(jìn)行健康檢測(cè)，借助可穿戴設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地健康管理。隨著互聯(lián)網(wǎng)+醫(yī)療的發(fā)展，可穿戴設(shè)備采集數(shù)據(jù)可通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至云端后臺(tái)，利用云端強(qiáng)大分析功能為人們提供個(gè)性化健康監(jiān)測(cè)管理【17】。目前廣泛應(yīng)用的可穿戴設(shè)備主要通過藍(lán)牙技術(shù)連接手機(jī)、PAD等終端APP實(shí)現(xiàn)健康數(shù)據(jù)的采集，再通過終端APP將采集的數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)或服務(wù)器，很難脫離手機(jī)、PAD等而獨(dú)立使用。利用5G毫米波、體積小、可設(shè)置多根天線的特點(diǎn)，借助5G獨(dú)有的MIM0技術(shù)，增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量將得到顯著提高，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、分析和反饋，是未來獨(dú)立聯(lián)網(wǎng)可穿戴設(shè)備穩(wěn)定通訊的最優(yōu)解【18】。理想情況下，所有動(dòng)態(tài)心電圖都因使用12導(dǎo)聯(lián)配置，但是由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)原因，多數(shù)使用EASI簡(jiǎn)化5導(dǎo)聯(lián)模擬12導(dǎo)聯(lián)【19】，所以無法與標(biāo)準(zhǔn)12導(dǎo)聯(lián)相互替代。
未來在5G技術(shù)的加持下，融合人工智能、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算技術(shù)等多種技術(shù)，智能可穿戴醫(yī)療設(shè)備將擁有自組織能力，架構(gòu)泛中心化，傳感器之間可互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算甚至是云計(jì)算【20】。從而使智能可穿戴設(shè)備向大規(guī)?；ヂ?lián)智能可穿戴發(fā)展，進(jìn)一步提升增強(qiáng)可穿戴醫(yī)療設(shè)備與患者的聯(lián)系，使健康管理更加普及化、自主化、個(gè)性化和智能化。
3結(jié)語(yǔ)
通過探討5G目前在醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用案例，進(jìn)一步挖掘了5G在醫(yī)療垂直領(lǐng)域應(yīng)用方向，結(jié)合臨床的需求可以看到5G醫(yī)療在遠(yuǎn)程醫(yī)療、應(yīng)急醫(yī)療、可穿戴醫(yī)療、移動(dòng)護(hù)理等領(lǐng)域廣闊的市場(chǎng)。目前在國(guó)家政策的推動(dòng)下、5G技術(shù)發(fā)展支持下以及廣闊的市場(chǎng)需求將為5G醫(yī)療帶來無限的發(fā)展機(jī)遇。當(dāng)然，機(jī)遇與挑戰(zhàn)是并存的，如今5G醫(yī)療的發(fā)展面臨著高成本問題，例如5G網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，5G網(wǎng)絡(luò)采用微基站構(gòu)建，單個(gè)基站覆蓋面積小，提高覆蓋面積需要大量增加基站的數(shù)量，基站的建設(shè)勢(shì)必增加大量的成本。此外，技術(shù)積累問題等在一定程度上限制了5G醫(yī)療的進(jìn)一步發(fā)展，例如電池技術(shù)的停滯不前限制了5G移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用范圍。當(dāng)然這些自身技術(shù)問題隨著5G技術(shù)的發(fā)展必然能夠完美的解決?，F(xiàn)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(duì)人體健康產(chǎn)生影響：意大利學(xué)者研究表明5G毫米波可提高皮膚溫度，改變基因表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞增殖和蛋白質(zhì)合成得氧化應(yīng)激、炎癥和代謝過程，可能對(duì)人體造成損傷【21】。對(duì)5G輻射安全控制，波蘭專家研究建議依照ALARA原則嚴(yán)格控制5G輻射劑量【22】。5G輻射安全有待進(jìn)一步研究。另一方面當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)接入醫(yī)院內(nèi)網(wǎng)時(shí)將會(huì)降低醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)安全性，導(dǎo)致患者敏感信息泄漏，從而造成醫(yī)患矛盾。另外在進(jìn)行5G遠(yuǎn)程手術(shù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的優(yōu)劣將可能會(huì)影響到患者的生命安全等。除此之外，5G醫(yī)療在臨床應(yīng)用的法律法規(guī)、行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)存在不完善、不健全等問題【23】，而現(xiàn)階段的5G醫(yī)療目前未獲得國(guó)家醫(yī)療器械注冊(cè)證，應(yīng)用均停留在實(shí)驗(yàn)階段，成熟的應(yīng)用落地仍然需要很長(zhǎng)的一段時(shí)間。
隨著各行業(yè)、運(yùn)營(yíng)商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對(duì)5G技術(shù)的推動(dòng)，必然能夠加速5G基礎(chǔ)技術(shù)的成熟，基礎(chǔ)技術(shù)成熟推動(dòng)產(chǎn)業(yè)全面規(guī)范發(fā)展，5G醫(yī)療行業(yè)規(guī)范也將得到進(jìn)一步完善。安全高效是醫(yī)療行業(yè)最重要的原則，在這一原則指導(dǎo)下，5G輻射安全必將是下一個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域。2019年6月，工信部向三大運(yùn)營(yíng)商和中國(guó)廣電頒發(fā)5G商用牌照，中國(guó)正式進(jìn)入了5G時(shí)代【24】。未來5G醫(yī)療必將發(fā)揮更大的作用，進(jìn)一步深化我國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)改革，推動(dòng)人類健康事業(yè)的發(fā)展。
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