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BOB官网中国信通院葛涵涛等:5G在智慧医疗领域的应用与发展
来源:未知 时间:2021-02-19 08:54

  2019年6月,工业和信息化部向三大电信运营商和中国广电发放了5G商用牌照,标志着我国正式进入了5G时代。工业和信息化部最新统计显示,截止到2020年6月底,我国5G基站累计超40 万个;截止到2020年7月底,5G终端连接数已达8800 万。据中国信息通信研究院在国内部分重点城市5G网络实测,当前5G用户平均下行数据速率已超500 Mbit/s[1]。

  5G智慧医疗是指结合5G技术,利用有限的人力资源和医疗仪器设备,发挥医院的医疗技术优势,对患者的诊断、急救和护理等应用场景提供实时、远程、高移动性、数字化的医疗服务,并促进医疗信息化上升到智慧医疗,进一步提升医疗效率和诊断水平,提高医院的运营效率,降低医院的运营成本,促进医疗资源共享下沉等一系列问题[2]。

  当前,我国医疗领域仍存在优质医疗资源区域分布不均衡、医疗人才稀缺等问题。患者通常愿意选择大城市的甲等医院或专科医院就诊,造成大医院人满为患、中小城市的医院却相对空置。当智慧医疗与5G技术相结合,5G的高速率、低时延、高可靠等特性将成为推动我国医疗及健康产业发展的重要抓手之一。智慧医疗及医疗健康领域也将直接受益于5G网络和技术,并且随着5G与AIoT的深度融合,将发掘出更多智慧医疗、智慧健康的应用场景,使高清视频远程会诊、远程手术、紧急救援、AI辅助诊断、远程医疗教学等新业务的应用落地变为可能,为智慧医疗的发展带来新的机遇。2020年年初爆发的新冠疫情也对5G的应用和普及起到了推动作用,5G结合4K/8K、AR/VR等技术助力各地医疗机构抗击疫情。

  国家各大部委陆续发布智慧医疗建设相关指导性政策。2018年4月,国家卫生健康委员会发布了《全国医院信息化建设标准与规范(试行)》[3],针对目前我国医院信息化建设现状,对未来5 ~ 10年全国医院信息化应用发展提出了建设要求。同期,国务院办公厅印发的《关于促进“互联网+医疗健康”发展的意见》[4]指出,发展“互联网+”医疗服务、公共卫生服务、家庭医生签约服务、药品供应保障服务、医疗保障结算服务、医学教育和科普服务、人工智能应用服务等,加快实现医疗健康信息互通共享,健全“互联网+医疗健康”标准体系,提升医疗机构基础设施保障能力。

  当前,我国新基建的快速推动也促进了5G与智慧医疗的广泛融合。2020年3月中旬,国家发展和改革委员会与工业和信息化部联合印发《关于组织实施2020年新型基础设施建设工程(宽带网络和5G领域)的通知》[5],发布了7项5G创新应用提升工程。首先强调“面向重大公共卫生突发事件的5G智慧医疗系统建设”,并从6个维度提出了具体的建设指标要求。据不完全统计,截止到2019年年底我国开展“5G+医疗”的医院已达300余家。

  除国家部委机关外,北京、上海、浙江、重庆等地方省市也陆续发布相关政策,对5G医疗应用的落地形成了有力的政策支撑,推动了各地的5G医疗应用示范项目建设,满足医院的信息化升级、应急救援、院间协同、远程医疗等应用场景的需求;推动了基于5G网络的各类医疗应用试点示范,例如远程诊疗、远程急救、远程超声、远程慢病管理、远程教学等,在临床过程中积累经验和相应数据,为规模应用做好准备。

  医院及相关设施作为5G智慧医疗的主要承载单位和运营方,在智慧医院的设计、建造和运营的过程中,以“端、边、管、云+应用”为技术架构,将医院及院区的各类仪器设备、系统、云平台形成合力,通过感知、计算、应用等技术生态,以实现多元化的功能。智慧医疗技术架构进一步可以分为感知层、传输层、平台层(数据中台和业务中台)及应用层4部分(见图1)。

  由智慧医疗体系中不同应用场景的各种传感器、仪器、终端和车辆等组成,针对不同医疗场景及监测对象的需求,对相关数据和信息进行采集。随着AIoT、5G的快速发展和对感知层的融合,感知层相关传感装置和终端设备在计算能力、传输能力方面有显著提升,感知层具备更强大的边缘计算能力和传输能力,不仅具备对数据、信息的持续、快速的采集能力,还具备更强大的实时数据分析和业务处理能力,典型代表产品有无线医疗设备、医用机器人、医护类手持终端设备等。

  在实现智慧医疗体系中,不同应用场景的各种传感器、终端设备等所获取的数据向平台层的传输。传输层因为应用场景差异较大,分为室内、室外、高速运动过程及中低速运动过程等,各种通信技术对应不同的应用场景和需求。随着5G的快速发展,以5G技术为基础,为智慧医疗提供了高速、高可靠、低时延、安全稳定的接入网络,实现了智慧医疗不同应用场景的信息交互和传输。

  随着5G网络的商用,5G网络重点应用的紧急救援、省际病患运输、远程诊疗等场景将产生海量数据,平台层对数据的承载、存储、分析面临很大的压力,数据中台的作用变得更加重要。数据中台将成为医院实现数字化转型的重要基础,核心是打破医院内部的组织壁垒和信息孤岛,构建面向医院运营、管理的数据平台,重构医院的信息化结构体系和业务架构。通过多源数据的采集、汇总能力的构建、医院数据仓库体系的建设、基于医院不同科室业务特征的数据建模能力、数据分析能力以及数据可视化能力等,构成医院的数据中台,为智慧医院业务中台的运营提供可靠、稳定的数据支撑。

  AIoT+5G与智慧医疗结合后,实现多样化、定制化、人性化服务的集中体现。根据5G的三大业务特征及切片网络、大规模MIMO等技术特点可支撑不同的应用场景,例如紧急救援、远程手术、医疗设备监管等。

  5G时代,网络组网架构变得更加灵活、功能更加开放、业务应用极大丰富,催生了智慧医疗的诸多场景。随着医院内外无线网络的全面覆盖,连接网络的场景关联到了越来越多的仪器设备,数据流量也千倍增长。但随之而来的问题是,各种联网设备种类越来越杂,

  医院的网络体系分为外网和内网两部分,外网主要由Web端门户、APP、微信公众号等组成,内网由医院HIS系统、PACS、RIS和办公等业务系统组成,为了安全起见,两部分物理隔离或通过网闸进行连接[7]。因为移动智能设备会带来医疗信息泄露风险,这就需要建立多重安全防御机制,并结合主动防御体系形成医院信息安全的最后防线,包括主机微隔离、端设备的管控、防止对Web端的后门入侵以及通过锁定运行环境防护智能设备等手段来保障智慧医院的信息安全和数据安全。

  在医疗健康领域,5G网络所具备的大带宽、高速率、高可靠、低时延、边缘计算、Massive MIMO和网络切片等5G关键技术,为智慧医疗的众多应用场景提供了可行性。国际电信联盟无线G应用的三大业务类型,包括增强移动宽带(eMBB)、海量机器类通信(mMTC)、超高可靠低时延通信(uRLLC)。eMBB适用于对带宽需求较高的业务场景,mMTC适用于对连接密度要求高的业务场景,uRLLC适用于对时延极其敏感的业务场景[6]。

  5G技术与智慧医疗融合后,衍生出的应用场景主要分为3类:一是基于新型智能终端的远程操控类场景,包括机器人远程手术等;二是基于高清视频、影像的远程指导和诊疗类场景,包括远程查房、远程会诊、远程急救指导、远程教学和远程超声诊断等;三是基于医疗健康传感器和设备数据的远程监控类场景,包括患者实时定位、远程输液监控、慢病远程监控等。5G技术在智慧医疗领域三大应用场景的分类参见表1。

  在5G的三大使用场景中,优先商用的是增强移动带宽(eMBB)。eMBB主要围绕个人应用,侧重多媒体类应用场景,对于带宽有极高需求的、超大流量的移动宽带业务,主要用于连续广域覆盖和热点高容量场景。在广域覆盖场景下,支持实现用户体验速率达100 Mbit/s、移动性500 km/h;在热点高容量场景下,用户体验速率达1 Gbit/s,小区峰值速率达20 Gbit/s,流量密度达10 Tbit/s/km2。此类使用场景是5G网络建设初期的核心业务类型。

  eMBB在5G智慧医疗领域的主要应用场景包括病患急救转运过程中的信息传递。在急救车运输病患的过程中,可以通过5G网络将患者的体征信息、高清视频和图像实时传送到定点医院或医疗智慧中心,某些患者信息,如检查必须是实时、动态、高清的,一旦在传输过程中出现画面卡顿或丢失,均有可能造成漏诊和误诊。基于5G高速率和低时延的特性,将急诊部分工作关口前移,力争实现上车即入院,争取到宝贵的救治时间。

  对于来不及转运必须进行就地急救或手术的患者,可以通过5G网络将移动急救记录仪、移动急救设备、移动工作站进行连接,实时传输高清音视频、多媒体病历、急救地图等。还可以在现场搭建临时急救站,通过架设高清、全景视角的摄像系统,将现场的影像数据实时无损地传送到千里之外的医院急救中心。急救中心的专家可以通过远程会诊平台或佩戴AR眼镜或VR头盔等设备了解病人信息,为现场救护人员提供实时指导。

  2019年5月,由中国移动(成都)产业研究院自主研发的5G应急救援系统在四川省人民医院急救中心正式投入临床应用,既为急救车加装了医疗急救的助推器,同时也依靠5G网络的高速率特性,实现对货仓内重要物资包括疫苗、毒株等在转运过程中的实时监测。

  2020年1月,四川省卫生健康委将5G+双千兆网络技术首次应用于新型冠状病毒感染肺炎的临床诊治。四川大学华西医院和成都市公共卫生临床医疗中心的多位专家一起,进行了肺炎急重症患者的远程会诊并为患者的治疗提出了指导意见。此次远程诊疗,充分利用了5G网络大带宽、低时延的技术特性,在新冠疫情防控的关键时期,让医护人员的诊治变得更加高效便捷。

  大规模机器类通信(mMTC),即低功耗、大连接,支持连接数密度100 万/km2,针对连接密度较高、连接规模较大的物联网业务领域,适用场景为所需连接的终端或传感器数量大,但每个终端或传感器所需传输的数据量较少,且对时延要求较低的场景,真正实现万物互联。

  mMTC场景分为医院建筑物内场景和医院建筑物外场景。三甲医院一般有门诊楼、住院楼、行政办公楼、后勤保障中心等基本楼宇,这些建筑物内有数千种医疗仪器设备、大量医护人员电子终端设备,医院和各科室对以上医疗设备的位置追踪、使用监管存在实际需求。医院建筑物外场景包括院区出入口、急救车停车位、社会车辆停车位、路灯、井盖等。为了提高医院运营效率,提升安全应对水平,对室内外场景的监测和数据采集可以通过5G的统一接入方式,打通室内的Wi-Fi网络或专网环境,实现医院的数据中台对医疗设备、医疗器械的统一管理,实现对所有设备的数据联网。通过制定具备边缘计算能力的医疗物联网解决方案,把非核心数据和需求传输到云端进行处理,将部分应用场景的计算需求通过边缘网关在本地计算进行处理,大大降低对带宽的占用(见图2)。

  医院内的医疗废物是重要的潜在污染源,对医疗垃圾桶的存放、称重、清运和处置等环节进行有效监管和追踪的重要性不言而喻,尤其是对污染性废物、损伤性废物、药物性废物和化学性废物的追踪。通过与5G结合,可以将上述4类废物的处置过程进行全程监测和数据采集,通过打通医院、医疗废物处置中心、环保部门3方的数据管理平台,对医疗废物的管理和处置实现可视化、规范化管理,数据更加规范、准确、统一,并能够对医疗废物的意外泄露、非法倾倒等行为进行及时发现和处置。

  超高可靠低时延通信(uRLLC)主要针对时延、可靠性等要求极高的场景,这类场景是为机器到机器(M2M)的实时通信而设计的。uRLLC低时延、高可靠的通信技术,能够让生活变得更高效、更便捷、更安全、更智能,尤其是在医疗领域具备更广泛的应用前景。

  uRLLC在智慧医疗领域的典型应用场景包括院内无线监护、远程监测和远程手术等。无线监护收集大量病患生命体征信息,在管理后台进行统一监管,提升了现有ICU病房医护人员的效率。远程手术包括远程B超等对于监测技术有较高要求,能有效消除远程监测医生与患者间的物理距离,实现远在千里之外的实时监测和手术。BOB官网中国信通院葛涵涛等:5G在智慧医疗领域的应用与发展另外,在交通条件落后或路况不佳的医疗应用场景,无人机结合5G技术可以部分解决关键货物的配送问题,某些无人机的飞行半径达到了120 km,时速达到了100 km/h,能够为偏远或陆路交通不便到达的诊所提供血液、药品的配送服务。

  在抗击新冠疫情期间,无人机系统作为疫情防控的措施之一被广泛应用。各种类型的无人机充分发挥了高速、灵活、跨地形作业的特点。实现了包括定点区域巡逻、疫情宣传喊话、消杀、防控检测等工作,为抗疫提供了有力的支持。

  5G的通信模组进一步成熟之后,结合边缘计算应用,无人机的飞行控制、高清图像和视频等各种数据和信息的进一步整合将成为可能,无人机可以飞抵疫情爆发地,及时将实景传送到千里之外的疾病管控中心。

  国内大部分医疗机构都已经使用信息系统进行诊疗管理,提升诊疗效率,降低患者等待时间。随着5G和相关技术的发展,更多的医疗健康领域不断涉及,更多的用户场景成为现实,更多的仪器设备相互关联,5G技术在医疗领域全面应用还面临一系列的问题和挑战。

  医疗领域的众多应用场景对网络的覆盖范围、稳定性要求极高。5G网络的建设速度很快,虽然在北京等一线城市已经实现五环内室外信号覆盖,但是因为智慧医疗的主要应用场景是在室内,如果仅仅是对现有建筑物内部的3G/4G室分系统进行升级,很难完成5G信号的室内完全覆盖。这需要运营商根据医院的不同建筑结构、不同科室的功能分区,重新布设5G室分系统,并在医院的院区内架设5G皮基站,或通过共享杆等方式,实现医院室内、室外5G信号全覆盖。

  当5G与医院和医疗体系融合之后,新的医疗应用场景出现,与之对应的是新的终端设备和仪器的互联互通。要建立完善仪器设备的质量标准体系、技术标准体系、数据标准体系、接口标准体系等,需要通过逐步完善5G智慧医疗、5G智慧医院相关的技术标准体系,才能有效地对新式医疗健康终端设备、仪器进行检测和质量把关,才能加快5G技术与医疗行业的相互融合。

  医疗工作涉及到人民群众的海量健康数据、诊疗数据、用药数据,加强智慧医院、智慧医疗领域的数据监管是保护患者隐私的重中之重,建立健全智慧医疗领域的安全监管体系,才能确保智慧医疗的可持续发展。

  智慧医疗作为5G的重要应用领域,发展前景广阔。智慧医疗与5G的结合,将加速远程医疗的发展和落地,有利于优质医疗资源向地方医院、隔离区或交通不畅的地方输出,有效缓解地方医院或诊所尖端医疗人才和高端医疗仪器不足的现状。同时,获取不同健康应用场景的数据,对实现互联互通,推动智慧医疗、智慧医院、智慧健康领域的云化,起着至关重要的作用。随着运营商对5G网络建设的加快,智慧医疗、远程医疗等将充分发挥其移动、实时、多样化的特点,以临床需求为导向,解决具体问题,在临床过程中积极发现新的应用场景,并推出更多试点示范应用,通过将5G+智慧医疗的试点逐步放大,逐渐丰富和完善5G智慧医疗的应用场景,让5G与医疗融合在一起,为广大人民求医问诊提供便利,为我国医疗健康卫生事业的快速发展作出贡献。

  [4] 国务院办公厅. 《关于促进“互联网+医疗健康”发展的意见》国办发〔2018〕26号[R], 2018.

  [5] 国家发改委, 工业和信息化部. 关于组织实施2020年新型基础设施建设工程(宽带网络和5G领域)的通知[Z], 2020.

  中国信息通信研究院泰尔终端实验室战略规划研究部副主任,IoT行业首席研究员,主要从事AIoT+5G领域研究以及智能家居、智慧社区和智慧园区领域的行业研究。

  《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标,信息社会政策探究的思想库”,聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、国家/产业/企业战略,发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等,推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展,引导国家技术战略选择与产业政策制定,搭建产、学、研、用的高端学术交流平台。

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