5G技術研究及其在遠程醫療、遠程手術中的應用

王圣易

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 應用背景

工業和信息化部發布《信息通信行業發展規劃2016—2020年》,翻開了我國運營商大規模建設第五代移動通信(5G)網絡的篇章。雖然當前對于5G傳輸速率的定義依然沒有明確的標準,但是相較于第四代移動通信(4G),有一個數量級的提升。在理想情況下,5G的峰值速率可由4G的300 Mibit/s提升至10 Gibit/s～20 Gibit/s。不僅是速度的提升,5G還有三大應用場景:增強型移動寬帶、大規模機器通信、超可靠和低延遲通信。

2 增強型移動寬帶

增強型移動寬帶場景相對于4G而言,大幅度提升了基礎速率。增強型移動寬帶方案主要面向超清視頻、虛擬現實、增強現實、高速移動上網等大流量移動寬帶應用業務,具有帶寬大、延時不敏感、動態突發性等特點。相較于分時長期演進系統,增強型移動寬帶接入速率能提高數十倍以上,系統容量能提高近百倍,這對無線網絡的性能提出了極大挑戰。為了解決已有技術無法滿足增強型移動寬帶場景性能指標的問題,引入毫米波、大規模天線等技術,結合異構網絡來實現性能的提升。

毫米波技術可以有效增大帶寬,從而成倍提高用戶體驗速率。毫米波頻譜如圖1所示。根據波長公式,電磁波速度為300 000 km/s,所對應毫米波頻段為30 GHz～300 GHz,相應波長為1～10 mm。與微波相比,毫米波的帶寬更大,方向性更強,能夠為用戶帶來更高的體驗速率,極大緩解頻譜資源緊張的現狀。同時,毫米波的波長較短,在大規模天線中結合毫米波技術,可以有效減小天線元素的體積。當然,受制于傳播路徑損耗,毫米波相對高的頻段也會導致更大的路徑損耗,最終造成傳輸距離的大幅度縮短。因此,毫米波很難支持基站與距離較遠的用戶進行高速率信息傳輸,并且由于毫米波的穿透能力差,在非視距傳播及惡劣天氣條件下,性能會受到很大影響。

圖1 毫米波頻譜

大規模天線技術如圖2所示,指在基站端采用大規模天線陣列同時服務大量的終端。與傳統多天線系統相比,大規模天線技術可以提供更高的譜效和能效,并在高可靠性方面提供一定的支持。配置大規模天線陣列的基站可以通過混合波束成形,使多個天線元素朝同一方向共同收發?；旌喜ㄊ尚芜^程如下:首先進行數字波束成形,形成一定數量的射頻鏈;然后進行模擬波束成形,形成成形波束。采用混合波束成形的基站不僅可以為用戶提供更高的天線增益,而且可以通過預編碼技術的支持,為更多用戶同時服務。相較于傳統系統,大規模天線技術具有高能效、高譜效的優點。

圖2 大規模天線技術

3 大規模機器通信

大規模機器通信目前廣泛應用于大規模物聯網開發。作為5G新拓展出的場景,大規模機器通信重點是解決傳統移動通信無法很好支持的海量物聯網連接問題。大規模機器通信支持1 km2高達一百萬臺設備的連接密度,比4G高出十倍以上。憑借這種能力,5G可以提供支持龐大的蜂窩連接傳感器所需的基礎網絡設施。

4 超可靠和低延遲通信

超可靠和低延遲通信場景的主要目標是減小延遲,與上一代網絡的區別不僅是速率的差異,更是低延遲。延遲由4G的10～50 ms減小到理論值1 ms。5G網絡可以將4G網絡下的延遲減小至人類感知不到的范圍,所以到5G應用的成熟階段,行業應用將從大帶寬的特點向低延遲、高可靠性的方向拓展。由此,超可靠和低延遲通信預計將廣泛應用于智能網聯汽車、智能制造、遠程醫療等場合,典型應用場景的業務需求見表1。

相較于4G,5G將對各領域的體驗速度、數據傳輸速度和密度、端到端延時、便攜性和移動性、頻譜效率、能效等至少提升一個數量級?？紤]到更強大的基礎網絡能力會產生一些特殊領域的應用,可以想象在5G大規模建設完成后,很可能會出現新的突破性應用,成為經濟增長的新引擎。

5 5G在遠程醫療中的應用

遠程醫療指通過特定的技術,充分發揮大醫院或?？漆t療中心的醫療技術和醫療設備優勢,對醫療條件較差的邊遠地區、海島或艦船上的傷病員進行遠距離診斷、治療和咨詢。

隨著國民經濟的不斷發展,我國各地區之間的差異越來越明顯,不同地區的發展差異勢必會導致醫療條件的不平衡。有些城市地處發達地區,各類公立及私立醫院數量繁多,三甲醫院數不勝數,這類地區很容易成為周邊及偏遠地區求醫問藥的主要目的地。地處欠發達地區的城市、鄉鎮、鄉村,醫療資源極度貧乏,無論是醫師還是醫療條件都無法和發達地區相提并論。遠程醫療可以在一定程度上打破這種地區的不公平。

由于無線通信網絡的傳輸能力不足,特別是分配到鄉鎮及鄉村的覆蓋不全,導致網絡傳輸速率低、延遲大,效果不理想。在遠程醫療所必須具備的音視頻傳輸能力上的欠缺,嚴重影響醫師遠程醫療的診斷效率和診斷精確度。隨著5G的大規模應用,遠程醫療能在高傳輸速率及超低延遲的環境中為醫師和患者提供無障礙的溝通條件,大幅度提升患者的問診體驗,多人多學科的線上會診也能成為常態。

2020年9月,全球首個5G+全息遠程診療系統正式在江蘇泰州發布。在十幾分鐘的5G+全息遠程診療過程中,通過利用5G的大帶寬、低延遲等特點,結合全息影像技術,工作人員將位于海南三亞的全息影像直接投射至泰州現場,針對患者的癥狀進行了準確判斷,同時通過全息投影互動,解答遠程患者關于帕金森病癥的疑問?，F場互動效果顯示,5G+全息遠程診療已經無限接近醫師與患者面對面的診療體驗。

隨著我國海軍走向深藍的發展,逐步體現出大量醫療保障需求,如吉布提基地、南沙島礁、遠洋艦艇等。這類遠洋醫療資源配置難度較高,針對遠離后方醫療保障體統的環境,利用5G穩定且低延遲的高速傳輸網絡,通過遠程遙控方式,可以協助前方外科醫師完成急診手術,降低醫療保障團隊中對于高年資外科醫師專業類別和數量的需求。

6 遠遙機器人

一個典型的遠遙機器人操作系統由五個部分組成,分別為操作者、主機器人、從機器人、環境、通信網絡組,主機器人對應觸覺接口,從機器人又稱遠端工作機器人。遠遙機器人操作系統的原理如圖3所示,不僅極大拓展了人類在危險、惡劣環境中的作業能力,而且也為現代遠程醫療及智慧醫療系統提供了更多選擇。當然,網絡的引入在給遠遙操作帶來便利的同時,也給控制設計和分析帶來新的挑戰,特別是隨著通信網絡的引入,加之機器人系統自身及作業環境的復雜性,控制受到相當大的影響。

2019年,電氣與電子工程師協會成員使用UR3機器人和虛擬現實技術,通過高速穩定的傳輸網絡,在實驗室中實現了遠程控制。試驗結果顯示,通過控制回路設置,UR3機器人能夠準確復制人手的運動。試驗人員能夠巧妙地操縱遠遙機器人輕輕撫摸長毛絨玩具,并能執行一些實際醫療任務。為了進一步測試系統的可用性,研究人員向70多名測試用戶演示了這一基于虛擬現實技術的遠遙機器人系統,如圖4所示。在其中的一個測試環節中,近端與遠端兩處相距約10 km。

圖4 基于虛擬現實技術的遠遙機器人系統

這一系統存在的問題是,如果人手動作很快,每個關節所需的速度超過這些關節所能提供的最大速度,那么遠端手臂就會落后于所需復制的動作。另外,由于每個關節都有不同的速度限制,因此產生的軌跡會略微變形,在一些方向上發生劇烈變化后,快速移動時會呈現圓形。當然,以上問題在大多數情況下是可以接受的,并且達到了可操作的水平。

7 5G在遠程手術中的作用

5G 網絡商用化是我國遠程手術進入現代化的標志,5G低延遲、高帶寬、高移動性的特點恰好能夠滿足遠程手術實時性、高效性、穩定性的需求,從而推進國內遠程手術的研究熱潮。

2021年10月,內蒙古自治區腫瘤醫院微創介入科在醫院5G中心成功為位于赤峰市松山區醫院的肝臟腫瘤患者實施了5G+機器人遠程腫瘤介入手術。醫師在5G網絡連線下,通過可視化屏幕,用鼠標和鍵盤遠程控制松山區醫院計算機斷層掃描室的穿刺機器人機械臂系統,快速且精準定位到患者的肝臟病灶,隨后,松山區醫院醫師協助完成最后的穿刺步驟,手術順利完成。這一手術的實施是在穿刺機器人輔助下進行的,是我國首例5G遠程穿刺機器人輔助介入手術。在5G日漸成熟的當下,萬里之外的專家可以使用手術機器人完成手術,為優質醫療資源再分配提供了新的可能。

2022年6月,采用上海微創醫療機器人公司自主研發的圖邁腔鏡手術機器人,通過新疆克州人民醫院與江蘇省人民醫院的5G網絡連線,由新疆克州人民醫院醫師團隊順利完成兩臺泌尿外科超遠程5G機器人手術。這兩例手術橫跨近5 000 km,是完全由我國外科醫生采用我國自主研發的技術,實現迄今為止世界上距離最遠的5G遠程機器人手術。5G與機器人技術完美融合,展現了我國在5G超遠程手術領域的突破和領先,從而實現優質醫療資源下沉,彌補我國不同地區醫療資源分配不均的不足。

5G可以將整個網絡的傳輸延遲大大減小,傳輸速率也在4G的基礎上有了飛躍式發展,但是5G應用于遠程手術依舊面臨了一些不足。

(1) 網絡安全問題。網絡安全性及信息保密性是遠程手術推廣必不可少的重要環節。雖然在網絡性能上有了發展,但是5G畢竟是一種無線網絡通信,依舊會面臨安全性的挑戰。如果缺乏一定的保護機制,那么在手術過程中可能會經歷不可預測的外部攻擊,導致網絡傳輸的不穩定及隱私、機密信息的泄露,更可怕的結果是網絡無法承受外部攻擊導致癱瘓,此時如果手術處于進行中,后果將不堪設想。

(2) 隱私保護問題。5G遠程醫療必然需要將手術關鍵信息,如音視頻、病人影像學信息等放入公網傳輸,即使使用虛擬專用網絡等保密技術,依舊無法完全避免可能出現的隱私泄露風險。

(3) 網絡覆蓋率問題。雖然我國已經開展了多年5G基礎設施大規模建設,但是我國幅員遼闊,欠發達地區的5G網絡覆蓋依舊不完善,這勢必會限制遠程醫療的發展和普及。

8 結束語

5G的推出是通信行業的一次技術變革,在大規模組網的前提下,為不同行業提供了全新的接入模式,很可能會產生全新的現象級應用。雖然當今5G依舊面臨著一些不足,部分地區的基礎設施建設也亟待加強,但是隨著網絡覆蓋率的提高,更多的場景將會和5G形成新的連接,5G的不斷成熟也會推動5G產業全面規范發展,5G醫療行業的規范化將得到進一步完善。