5G 通信技术在远程医疗中的应用

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武汉肺炎疫情把远程医疗又推向大家的视线中来。远程医疗作为近年来热度最高的新兴科学之一,融合了医学、通信、信息等领域,对推动我国医疗卫生事业的发展具有重要的战略意义。远程医疗能有效改善医院医疗资源偏态分布的情况,并支持医学互动和会诊降低对时间和空间的要求。

5G系统的发展,大大缩短了患者到医院的距离。5G时代的到来,将远程医疗推动到更深层次的发展状态,除了远程视频会诊、面向个人患者和家庭患者的远程会诊和保健系统,远程外科手术亦成为领域内研究热点,移动健康医疗也将成为后续发展趋势中不可或缺的部分。

01 远程医疗

远程医疗是指通过现代通信讯技术,以双向传送数据、语音、图像等信息为手段,最终实现不受空间限制的远距离医疗服务;远程医疗是一种紧密集成了信号传输、通信技术以及医学专业技术的新型医疗服务。通过远程实现对医学信息的采集、传输、处理、存储和查询,对远程患者做出治疗、诊断、保健、会诊,复诊;对远程医务人员完成继续教育、咨询,授课等培训。

通过远程通信技术、全息成像技术可提供专业的医疗技术服务,充分发挥大型医联体技术和设备优势,为医疗卫生条件较差的地区提供医疗服务。远程医疗服务体系的构建是我国医疗卫生信息化工程建设的重要内容,让医学专家通过信息技术跨越地域、时空提供医疗技术指导。因此应充分利用现代信息化技术,构建远程医疗服务体系,打造医联体医疗服务平台,促进优质医疗资源的区域共享,具有划时代的意义。

远程医疗系统按照过程,核心成分为以下 3 个部分:(1)医疗服务的提供者,即具有丰富的医学资源和诊疗经验的大型医疗中心;(2)医疗服务的需求方,即当地不能满足一定医疗水平,或缺乏一定等级的医疗设备的医疗机构,也可能是家庭和个人患者;(3)连接(1)和(2)的通信网络和诊断、治疗设备。

伴随医疗行业的发展,目前临床上广泛使用的系统包括医疗服务系统(Hospital Service System,HSS)、医院信息系统(Hospital Information System,HIS)、实验室(检 验 科)信息系统(Laboratory Information System,LIS)以及图像存储传输体系(Picture Archiving andCommunication Systems,PACS),上述系统的核心功能是把在临床诊疗中收集到的各类数据信息(包括但不限于 CT、生化分析、超声、核磁共振、X 射线、显微仪等设备产生的医学影像),通过模拟、DICOM、网络等各种接口,将以上信息以数字化的形式实现海量存储。

当有需要的时候在满足授权的情况下可以快速调回使用,并且增加一些辅助诊断功能。由于医学影像信息字节较大,传输对网络带宽要求极高。即使采用 4G 通信网络传输,也会造成信息传输出现不连续、非同步、不清晰的情况,导致诊断效率降低,影响治疗方案的决策,远程会诊的质量显著降低。随着5G技术的发展,因数据传输质量导致的问题均可得到充分缓解。

02 5G通信技术

第五代移动通信技术(FifthGeneration of Mobile Phone Mobile Communications Standards,5G),也称为第五代移动电话行动通信标准,它是 4G 之后的延伸,理论下行速度为 10Gitb/s(相 当 于 下 载 速 度 达 到 1.25GB/s)。不仅能实现三维图像的高质量传输,从而为高速移动的用户提供高质量视频的服务,还能提供通信信息之外的数据采集、实时定位、远程诊疗等融合功能。

在设计理念上,传统的通信系统设计的核心目标是将信息编译码、点点之间的物理层面传输等技术,5G移动系统侧重于广泛的多点、多天线、多用户、多小区的相互协作、相互组网,深耕难点要点以大幅度提高通信系统的性能,其核心目标定位于提升室内无线网络的覆盖性能及其业务支撑能力;从物理实现上来说,5G 在传统通信技术的点到点物理传输的基础上,引入新的无线传输技术,实现包含多用户的区域网络的构建,极大地提高了通信网络的传输性能。

由于设计理念和物理实现上的革命性变更,5G通信技术具有以下几个特点:

(1)速度快: 5G系统的目标速率相比 4G 系统具有明显的优势,对于大范围高速移动的用户(通常是交通工具,如飞机、高铁、汽车等)数据速率相较4G 得到大幅提高;随着时代的发展,人们对于网络的需求和依赖性越来越高,特别是对产品的使用体验要求达到了史无前例的高度,产品只有提高信号传输速度才能得到广泛的推广和使用。

(2)频谱宽: 传统的 1G 至 4G 通信系统的工作频段主要集中在 3GHz 以下,故通信频谱资源十分拥挤;5G 技术很好的应用了传统技术闲置的高频段(如毫米波、厘米波频段)频谱,高频段频谱资源丰富,解决了目前频谱资源紧张的问题,同时实现了短距离、极高速稳定通信,支持传输容量和传输速率等方面的通信需求。高频段毫米波通信在硬件上以小型化的天线和设备为主,该类型设备优势主要在于具有较高的天线增益;同时也存在高频段无线电波穿透和绕射障碍物能力低、信号传输距离短、易受气候环境干扰等缺点。 我国目前正在积极开展高频段通信研究工作,高频段虽然频谱资源丰富,但仍需要统筹兼顾,进行科学规划,合理配置宝贵的频谱资源;虽然在现有研究水平下,高频段频谱的利用受到技术水平的制约,但光载无线组网、有线与无线宽带技术的融合等技术难点已经得到很好的攻克,这些领域的技术也得到了很好的推广应用。

(3)低时延: 本文我们讨论5G 网络在远程医疗种的应用,在远程医疗的实际应用中,对降低系统时延提出了较以往更高的要求。根据生物学统计数据可知,人与人的面对面交流感觉到时延和卡顿的阈值大约为 140ms。但在许多工业化领域,为了保障产品的质量和生产的效率,对网络延时提出了非常高的要求。例如在无人驾驶领域,信号传输的速度越快,时延越低,偏航等问题就可以更快纠正,更多交通事故就可避免;在远程医疗领域中,除了医生交流本身的时延,还产生了通信时延,通信时延越小,远程医疗效果越接近传统医疗;5G 通信系统对时延的要求限制到了1ms 以内,在远程医疗实际操作中,还可以对此方面提出更严格的要求和标准,故而 5G 通信网络在时延方面较之传统通信网络具备强力优势。

03 5G通信远程医疗的优势

基于5G 通信的远程医疗在传统医疗的基础上,融合了在多种模式下的小设备无线通信技术及高速移动通信技术,可以实现远程外科手术的操作、无线远程会诊、患者监护和实时随访、突发救援事件的指挥和决策等。5G 技术支持的远程医疗不仅融合了多媒体网络和无线通信技术,能支撑海量多媒体医疗数据的安全高速传输,还能进一步实现高端医疗资源的深度共享。随着远程医疗技术的发展,个人和家庭患者可以不受空间和时间限制地获得高质量的治疗和救助资源,而且在紧急事件如交通事故、自然灾害和远程战场的紧急救援中,也能发挥独特优势。

04 远程医疗中5G通信技术的应用

4.1远程手术 2018年12月18日,解放军总医院第一医学中心肝胆外二科主任刘荣主刀,利用5G网络,远程无线操控机器人床旁系统,为50 公里外福建医科大学孟超肝胆医院动物实验室内一只实验猪进行肝小叶切除手术。手术全程约 60min,术区无显性失血,这是世界首次 5G 远程外科手术测试。2019 年3 月 16 日,解放军总医院第一医学中心神经外科与位于三亚的解放军总医院海南医院神经外科,通过 5G 网络,跨越近 3000 公里,成功实施帕金森病“脑起搏器”植入术,这是全国首例基于 5G 的远程人体手术。随着 5G 通信技术的发展,外科医师的手臂可以延伸至千里之外,有利于优质医疗资源下沉,缩小分级诊疗差距,减轻患者经济负担。

4.2 远程视频会诊 5G 通信技术可提高信息交互的速度,真正实现患者实地面对医师与患者视频中面对医师同质化。通过视频传感器采集现场视频,医生可以看到高清晰度视频画面,结合症状和生命体征,远程评估患者的病情。医生可以通过提供诊断,制定治疗计划,指导后期康复。

4.3 远程医疗健康监护 在欧美发达国家,便携式可穿戴监测仪器目前已广泛应用于社区卫生服务中心,指导辖区内家庭成员的医疗保健工作。对于安装心脏起搏器的患者,当电池电量即将耗尽时,起搏器会通过改变自身工作节律发出信号,发出的异常信号可被心电图捕获,并将向相应监护中心发出告警;对糖尿病患者,血糖的自我监测极为重要。结合 5G 网络和穿戴设备的血糖监测系统,可以为糖尿病患者提供一定程度上的保健支持,对患者的血糖、饮食及药物进行监控;通过 5G 通信技术,个人可建立预警模块,将身体各项生理参数传送至医疗保健中心,实现即刻诊断与医疗干预。

4.4 突发应急事件指挥 当出现重大自然灾害、事故和战场救援时,实时和高质量的视频沟通,可以帮助急救人员和医务人员更迅速、更准确地做出更优临床决策,通过缩短诊断时间,最大限度挽救伤员的生命,发挥其独特的优势。

05结语

远程医疗是我国近年来大力推动的医疗改革的主流方向,一段时间内远程医疗建设将会被积极推进。5G通信技术与远程医疗的相结合,能够将个人移动健康系统对接入社区服务保障机构,下沉优质医疗资源,能够有效缓解地方医院的高端医学人才的匮乏和高端医疗设备不全的两大难题。

基层医院要抓住历史机遇,积极开展远程医疗,与具有高端医疗资源的大医院组成一种松散型的医疗联合体,把大医院作为高级人才于高济医疗器材的储备库和技术后盾,以调节医疗资源配置的不均衡,以成本较低、实现更迅速的方式缩小医疗水平的差距,推动基层医院向专、精、尖方向发展。利用远程医疗系统的会诊模块,基层医院的医务人员能更多参与上级医院举办的网上授课、病例讨论等,提高自身的专业技术水平;充分利用会诊机会,收集难点、要点问题积极向远程专家寻求帮助,从而促进基层医院专业技术水平的提高。

随着 5G 通信技术的迅速发展,远程医疗将深化移动性、多样性、实时性的特征,这将带来更大的经济效益和社会效益。可以充分解决高端医疗资源严重分布不均衡等问题,节省大量的人力物力,对深化我国医疗卫生事业改革,发展社区卫生服务具有深远影响。

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作者简介:

贾斐 中国信息通信研究院数据研究中心工程师

王雪梅 中国信息通信研究院数据研究中心工程师

汪卫国 中国信息通信研究院数据研究中心高级工程师

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