石安杰作者

掘金3.5万亿美元市场,9类应用场景将在医院率先落地【5G+医疗健康专题报告】

前言

颠覆式创新之父克里斯坦森说过,商业社会的颠覆式创新动力主要来自3个方面:技术创新、商业模式创新和价值网络重构5G作为移动通信领域的技术创新,是一项通用型技术,将全面构筑商业社会数字化转型的关键基础设施,从线上到线下,从平台到生态,推动世界数字经济迈入新阶段。

目前,5G正处于技术标准形成期和产业应用试验期,全球都把5G作为国家经济数字化转型的关键战略举措。中国抢先入局,积极推动5G在各行各业的落地应用,医疗健康成为重要应用领域之一。

2013年,工信部、发改委和科技部共同建立了IMT-2020(5G)推进组,推进5G标准的制定和商用的落地。2017年3月的《政府工作报告》提出要加快发展5G这一新兴行业。随后,工信部制定了《5G发展指导文件》,为5G在医疗健康、交通运输、智慧城市等行业的应用指明了发展道路。

2019年,作为5G的预商用之年,医疗机构和企业都在积极拥抱5G5G+医疗健康的应用试验已经在部分医院开展。

动脉网·蛋壳研究院抓住契机,通过对5G设备供应商、电信运营商、医院以及医疗设备企业的调研访谈,制作了《2019 5G+医疗健康专题报告》,试图全面、客观、真实地展现5G在医疗健康领域的应用情况。

通过本报告您将了解到:

5G在医疗健康领域的发展事记

5G+医疗健康的应用场景

5G在医院的部署细节

5G+医疗健康未来的发展前景

郑州大学第一附属医院等国内三甲医院是如何拥抱5G

进化:5G带来革命性变化

5G的概念

基于移动通信的演变轨迹,每一代系统都可以通过其关键技术和提供的服务来进行定义,1G以FDMA技术为主,提供的是语音服务;2G以TDMA技术为主,在语音服务基础上,新增了短信等低速数据服务;3G则以CDMA技术为基础,提供语音、短信、音频等服务;到了4G时代,OFDMA成为其技术基础,在3G服务基础上,新增直播、游戏等各种移动宽带服务。

未来的5G时代,面对的是多样化、特异性的需求场景,很难单纯依靠某一技术来满足所有场景的应用需求。5G融合了毫米波、微基站、网络切片、波束赋形等一系列先进的通信技术,能够为语音、音视频、游戏、VR/AR、人工智能物联网、机器人等在各行各业的应用提供移动网络支撑,推动整个社会经济向数字化转型。

根据每一代移动通信系统所产生的数据量,我们大致可以分为数据萌芽、数据扩容和数据爆发三个阶段。1G、2G时代主要是语音、短信业务,产生数据量小,对通信速率没什么要求,是数据开始萌芽的阶段。到了3G时代,新增了上网、电邮、QQ聊天等业务,数据量开始增加,对速率有一定的要求,用户峰值速率达到2Mbps至数十Mbps。

而4G时代,更是有了电影、直播、微信等业务,这必须建立在高速率的基础上,用户峰值速率可以达到100Mbps至1Gbps,数据量将进一步扩容。5G能够为高清视频、物联网、VR/AR、机器人等提供移动通信支撑,将广泛应用到智慧交通、移动医疗、云游戏、智能家居、工业自动化等行业,其所产生的数据量将呈现指数级增长,用户峰值速率可达到10Gbps,届时将是数据爆发的大时代。

为了进一步厘清5G到底是什么,下面我们将从显著特征、性能指标以及关键技术三大方面加以阐述。


  • 显著特征

eMBB(增强移动宽带)

eMBB针对的是大流量移动宽带业务,诸如3D/超高清视频、高清语音、云办公、云游戏等,能够满足深度感知、极致数据速率、极致用户移动性等要求。

URLLC(超高可靠低时延通信)

URLLC能够实现通信的稳定可靠,大幅降低通信主体之间的时延,能够应用到移动医疗、工业自动化、自动驾驶等,能够实现高安全性、超高可靠性和超低时延性。

mMTC(海量机器通信)

mMTC主要针对大规模物联网业务,能够满足大量人与人、人与物、物与物之间的通信,比如智慧交通、智能家居、智慧城市等,能够满足深度覆盖、超高密度、超低能耗等要求。

  • 性能指标

5G用户的峰值速率可以达到10Gbps,是4G的100倍;移动性超过500km/h,而4G的移动性只有350km/s;在时延方面,5G可以缩减到4G的1/10,即在1ms以内;5G在每平方公里范围内可以连接100万多个通信主体,4G通常只能实现1万个主体连接;另外,5G的使用寿命也在4G的10倍以上。通过多个指标的综合比较,可以看出5G的性能实现了革命性的飞跃。

  • 关键技术

5G之所以能够为各大行业技术应用提供通信保障,得益于其背后一系列关键技术的支撑。如高频率的毫米波,其带宽高,传输的信息量大。网络切片可以根据不同的应用场景要求设置多个独立或共享的通信网络。还有端到端的技术,可以不用再通过第三方基站而直接实现设备与设备之间的数据传输,从而降低时延。

因此,不管从5G的新特征,还是从其基于的关键技术,其所展现出来的性能指标都是以往几代移动通信系统所无法匹及的。那么,5G又是通过怎样的架构来实现其应用价值的呢。

5G的架构体系

5G的架构体系从下到上依次分为终端层、网络层、平台层以及应用层四个层级。

终端层

终端层主要是信息的发出端和接受端,它们既是信息采集的工具,也是信息应用所依附的载体。通过传感设备、可穿戴设备、感应设备等智能终端实现信息的采集和展示。包括机器人、智能手机、医疗器械、工业硬件等设备。

网络层

网络层是信息的传输媒介,是充分体现5G优越性的环节。通过分配于不同应用场景的独立网络或共享网络,实时高速、高可靠超低时延地实现通信主体间的信息传输。

平台层

平台层主要是实现信息的存储、运算和分析,起着承上启下的过渡作用,以边缘计算人工智能、云存储等新技术,将散乱无序的信息进行分析处理,为前端的应用输出有价值的信息。

应用层

应用层是5G价值的集中体现,根据三大显著特征可以支撑不同的应用场景。eMBB主要应用于超高清视频、高清语音、云游戏等场景,能够实现高速率通信。

mMTC主要应用于智能交通、智慧城市、VR/AR等场景,能够连接海量主体,满足彼此之间的通信需求。URLLC则主要应用于移动医疗、工业自动化、自动驾驶等场景,能够保证信息传输的安全和低时延。

从整个5G的架构体系看出,大规模天线、毫米波、网络切片等关键技术支撑起整个5G通信网络的高效运行,而且5G能够与边缘计算大数据雾计算等其他新技术实现有效融合,提升信息的价值,为前端的应用提供技术保障。

5G进程的关键节点

ITU(国际电信联盟)和3GPP(第三代合作伙伴计划)都对5G的实施制定了详细的推进计划。它们将实施进程分为3个阶段:5G研究、5G标准化和5G产品研发。

ITU在2013年就提出了对5G进行标准前期研究,3GPP在2015年提出了Rel-13标准,旨在为5G的出现做前期标准试探。而我国则在2015年的“十三五规划”中明确提出,中国要积极推进5G建设并在2020年发布5G通用产品。

我国的5G进程主要分为4各方面:

  • 技术试验:主要涉及3个阶段,依次完成关键技术验证、技术解决方案验证和相关系统验证。

  • 标准制定:在2018年底完成R15标准制定,在2019年完成R16标准建立。

  • 网络建设:在2018年下半年完成部分5G试验网络建设,2019年及以后开始逐渐推广5G网络建设。

  • 推广应用:计划在2019年下半年下发5G牌照,并从2020年开始在全国大中城市进行5G商用发布。

通过与ITU、3GPP在5G建设进程方面的对比,我国在5G的建设推进方面走在世界前列,未来将能够为各行业展开5G应用带来规划保障。那么,5G在医疗健康领域的应用如何,能够在疾病预防、诊断、治疗、康复等方面带来哪些创新性变化,我们需要进一步分析探讨。

赋能:5G为医疗健康带来福音

5G为医疗健康带来了什么

5G的优越性能可以使其在智慧交通、医疗健康、工业互联网、城市管理、智慧环保等各大行业的应用。正如前面所述,在传输速率方面,5G的用户峰值速率可以达到10Gpbs,在平常情况下也能实现1Gbps,能够满足大量信息的传输。

在降低时延方面,5G物理层支持不同的子载波间隔,大的频域子载波间隔配置,以缩短时域调度时延,通过Minislot的调度方式,降低调度时延。

在提升可靠性方面,PDCP 层引入了复制功能,将同一个承载映射到不同的逻辑信道,物理层采用不同载波发送,保证传输可靠性。

根据2018年中国信息通信研究院和IMT-2020 (5G)推进组主办的“绽放杯”5G应用征集大赛,通过对300余个参赛项目的梳理和分析,发现不管是在发展阶段,还是在市场前景方面,5G在医疗健康领域的应用都位于前列。

5G在医疗健康不同的应用场景,其性能特性发挥作用有所不同,主要应用在远程监测类、远程会诊和指导类、远程操控类。在远程监测类、远程会诊和指导类,可以充分利用5G的高带宽,来实现生命体征数据、影像诊断结果、生化血液分析结果、电子病历等资料的高速传输。

在远程会诊、远程诊断等过程中,可以满足专家与基层医生、专家与患者之间的高清视频对话,有利于会诊和诊断的高效进行,同时由于5G的高可靠性,可以保证电子病历、影像诊断等资料传输的安全性,防止数据泄露,充分保证换证的个人隐私。

在远程操控类,为了最大程度发挥5G网络高带宽和低时延的性能,在面对上行数据发送中,UE采用可配置调度方式,直接在预先分配资源上发送数据,缩小时延,而且物理层专用控制信道也采用冗余方式,保证传输可靠性。在移动急救、远程手术过程中,可以保证医生对前端情况的实时动态掌控,可以为急救医生或前端机器人提供准确指导和操控。

同时需要连接生命体征监护仪、心电图机、除颤监护仪、血液分析仪等诸多设备,保证各类连接主体进行正常通信,在提高效率的同时尽可能的减少医疗安全事故的发生。

因此,对于远程监测类、远程会诊和指导类医疗场景,5G网络为其带来高带宽和高可靠性体验,而对于移动急救和远程操控类医疗场景,5G除了能够带来高带宽、高可靠性体验外,还能带来超低时延和超大连接数量通信效果。

5G在医疗健康领域应用情况大事记

目前,5G在医疗健康领域尚处于试验测试阶段,中国移动、中国联通、中国电信三大运营商通过在部分医院部署5G网络环境,尝试其在医疗场景的应用方式、应用流程、应用效果等。动脉网·蛋壳研究院通过调研访谈和文献研究相结合的方式,整理出目前已经部署5G试验网络的医院及相关应用情况。

2019年1月3日,安徽电信、中国科学技术大学附属第一医院及相关厂家联合成立的智慧医院5G实验室正式挂牌,实验室的成立标志着中国科学技术大学附属第一医院将率先在省内开展5G+医疗试验,根据公布的合作内容,参与方将共同在智慧手术室、智慧病区、智慧后勤、远程医疗等场景开展应用。

2019年2月24日,北京移动携手华为完成了中日友好医院5G室内数字化系统部署,为移动查房、移动护理、移动检测、移动会诊等应用提供了5G网络环境。

2019年2月26日,成都市第三人民医院超声专家周鸿主任通过5G与近百公里以外的蒲江县人民医院医生共同为病人进行了一场远程超声会诊。在本次远程会诊中,周主任与县医院医生之间能够实现高清、流畅的视频语音实时沟通,基于5G的高带宽,使得远程超声诊断系统与近端超声检查图像质量高度一致,极大提高了会诊的准确率

2019年3月,河南移动在郑州大学第一附属医院完成5G试验基站部署,而且华为Wireless X Labs也参与了此次试验部署。相关5G基站将主要为远程会诊、远程B超、移动查房机器人等医疗场景提供服务。

2019年3月16日,中国人民解放军总医院在中国移动及华为公司5G网络技术支持下,成功实施了全国首例基于5G的帕金森病“脑起搏器”远程手术。中国人民解放军总医院第一医学中心及海南医院神经外科凌至培主任在三亚市,在5G网络环境下,对北京解放军总医院的手术器械进行精确度以微米计的操控,成功将“脑起搏器”的电极植入一名帕金森病患者脑部的最佳靶点。

2019年4月3日,由广东省人民医院心外科郭惠明医生团队通过5G技术远程指导高州市人民医院心外科何勇医生团队进行胸腔镜下房间隔缺损补片修补术。此次远程手术指导在高带宽低延迟5G网络通信环境下进行高清手术影像传输,实现广州-高州两地低延时直播。

5G网络部署地域看,只在北京、四川、河南、安徽、广东等少数几个省进行了局部试验,这为后期在全国医院部署5G打造样板。且从合作的医院看,全部都是所在省份的龙头三甲医院,主要是因为这些医院基础设施完备、医疗设备先进、专家资源丰富等,能够为5G试验提供强大的技术和人才保障。

除了已经部署5G网络环境的医院外,还有部分医院已经与三大电信运营商签订了合作协议,诸如广东省人民医院、武汉大学中南医院、南昌大学第一附属医院、浙江大学医学院附属邵逸夫医院、深圳市人民医院、武汉协和医院、青岛大学附属医院等,这些医院也在积极为部署5G网络做准备,未来会有越来越多的医院向5G智慧医院迈进。

国内电信运营商在医院积极部署5G,国际电信巨头也在部分医院建设了5G网络,包括AT&T、Nokia、Vodafone(沃达丰)等。如AT&T与拉什大学医疗中心合作,帮助芝加哥医院进行5G网络建设,该项目在2019年1月开始启动,旨在将芝加哥医院打造成为全美第一家支持5G功能的智慧医院。同时,AT&T还与VITAS 医疗中心开展合作,针对临终患者,将5G与VR/AR相结合,试图利用沉浸式技术的移动解决方案帮助减少临终患者的慢性疼痛和焦虑。

Nokia与芬兰奥卢大学合作启动OYS TestLab项目,这是一个基于5G网络环境的医疗试验项目,主要是运用在移动急救场景中,通过为救护车和急诊部门之间的实时数据提供通信支持,医院能够监控运送中的患者,根据患者的患病情况提供相应的远程急救指导,同时可以做好急救相关专家和医疗设备的前期准备,实现医生与患者的精准匹配。

Vodafone与巴塞罗那的Clínic医院合作开展基于5G的远程手术试验,支持Antonio Lacy博士为离医院约五公里外的一名患有肠肿瘤的病人执行全球首个5G动力远程控制手术。Vodafone5G网络在Clínic医院率先实践,可能推动该医院成为西班牙首家5G智慧医院。

5G如何在医院部署

5G在医院的部署是一项复杂的系统工程,需要经过一系列的科学论证,选择合适的医院、恰当的方式、合理的部署区域、符合条件的科室等,只有通过通信设备供应商、电信运营商、医疗器械供应商以及医院的共同协作,才能推进5G在医院的应用试验。

网络建设路径

目前,5G通信网络建设有新建和改造两种方式。新建即是根据5G的通信要求建设一个全新技术和架构的5GNR,而无须破坏现有的网络基础设施。5GNR是一个新的无线接口,它将支持革命性的数据传输量、容量和效率提升。

第一,其在6 GHz以上频率的毫米波通信,获得了更多的新频谱资源。根据3GPP关于第一版5GNR标准( Release 15),其定义的全球频谱范围已经到了52.6GHz,并在100GHz范围内寻求更多频谱,极大地拓展了通信的容量。在应用端,毫米波要求匹配与之相适应的通信设备,需要新的技术和产品架构设计,这也将为医疗设备的设计研发带来新的挑战。

第二,5GNR大规模天线基站普遍采用波束赋形技术,基站可以通过波束迅速找到有通信需求的终端设备,然后通过业务波束信号在通信设备之间建立信息交互业务。

第三,5GNR使用CP-OFDM的波形并能适配灵活可变的参数集,可以将不同等级和时延的业务复用在一起,并允许毫米波频段采用更大的子载波间隔,能够在同一时间传输更多信息量。

第四,5GNR的核心网络设计灵活、智能以及可重配,让运营商能够动态优化对某一业务或区域的网络参数配置,满足不同业务类型对通信网络的需求,提高用户体验的同时降低网络的运营成本。

改造主要是基于4G移动网络宽带的提升,是LTE Advanced Pro Release 14的演进版,通过对LTE Advanced Pro进行再次改造升级来满足5G的通信要求,它是3GPP在2015年举行的PCG第35次会议上正式确定的LTE新标准。

LTE Advanced Pro Release 14的许多功能都能够满足5G网络的通信要求,如一致的用户体验、无缝切换、低成本高覆盖以及低功率广域应用对较长电池寿命的要求等。

通过比较两种建设路径,新建5G网络可以不用考虑现有网络的兼容性,采用毫米波、波束赋形、网络切片等全新技术,可以很好的实现高速率、高可靠、低延时以及海量通信等。

但是,新建网络体系意味着大量通信设备,特别是微基站的建设投入,这需要耗费大量资金。改造4G网络虽然无需投入新设备和新基站,在现有无线基础设施之上进行相应的软件升级,可以节约建设成本。但整个网络体系还是沿用原来的架构和技术,这也制约了通信的效率和质量。

根据我们对相关医院的调研访谈,目前进行5G网络试验都是采用新建5GNR的方式,以确保在真实水平的5G网络环境下,能够为医疗带来哪些方面的实质性变化和效率的提升程度。

网络部署流程

在医院进行5G网络部署是一个复杂的系统工程,需要经过签订协议、勘察选址、网路建设、网络调试、场景应用等环节,才能实现5G+医疗健康的落地应用。

5G+医疗健康试验的初期,医院都是保持开放容纳的心态,欢迎国内有实力的通信设备供应商、电信运营商前来洽谈合作,在医院部署5G网络,为相关医疗场景的应用搭建基础设施。

而电信运营商也会和通信设备供应商合作,共同为标的医院建设5G网络。作为试验期,一般会选择医院的部分区域或部分科室作为5G的试验区,电信运营商会根据医院的基础条件和参与意愿,进行选址规划

比如,中国科技大学附属第一医院就拿出一整栋楼宇作为5G试验区域,由安徽电信负责5G通信网络建设。工程的施工难度主要取决于部署区域的范围和建筑结构,5G网络设施主要包括室外的基站建设和室内的微基站安装。

通常情况下,室内站的建设数量远远多于室外站的数量,为了达到最好的通信效果,可能在每个楼层都要安装一定数量的微基站。在整个网络基础设施建设好后,就需要对5G网络进行一系列调试,检验网络通信质量是否达到相关应用要求。

在达到要求后,就可以将相关医疗场景(如远程监测、移动护理、远程诊断等)置于5G网络环境中开展,并与以前的通信效果进行对比评估,将相关结果反馈给电信运营商,便于做进一步的改进。

据相关专家介绍。医院部署5G网络属于重大工程,建设周期一般不会超过2个月,有些医院的5G网络建设甚至在一个月内就能完成。

主要参与主体

参与医院5G网络部署的主要有四大主体:

  • 5G通信设备商主要负责设备的供应和相关网络的建设,主要包括天线、射频模块、小微基站等设备和传输网、承载网、核心网的建设,这些企业处于整个5G产业链的上游。

  • 5G运营商主要负责医院相关5G设备的安装、运营以及维护等工作,而且承担了整个5G网络的建设投资,通常都是几百万元的投资,其中室内站的投资超过2/3。

  • 医院主要是提供5G试验所需的场地、医务人员及患者,为那些置于5G环境的医疗场景试验提供必要的人力、物力和财力支持。

  • 医疗器械厂商根据5G的通信要求,对相关医疗设备进行升级改造,包括多功能检测仪、心电图机、超声仪、可穿戴设备等。

5G的高带宽、低时延和海量连接,可以实现生命体征数据、影像检查资料、电子病历等大量医疗数据的快速传输,可以实现医生与医生、医生与患者的高清视频通话,可以实时全面展现患者的生命状态,后方专家可以精准指导一线医生对患者实施急救。

5G的不同性能可以满足不同医疗场景的通信要求,部分医院已经通过与通信设备商、电信运营商等合作在医院部署5G通信网络,推动移动医疗事业的发展。

那么,5G+医疗健康到底有哪些应用场景,5G又是如何满足这些应用场景需求的,接下来我们将详细叙述5G在具体医疗场景中应用。

落地:5G+医疗健康的应用场景剖析

在医疗健康领域,并不是所有的场景都需要5G5G也没有完美到可以支撑所有的应用场景。我们根据前期的调研,结合相关文献,发现只有那些涉及大量数据传输、需要高清视频、对信息传输时延要求短的医疗场景,5G才能充分发挥其所具备的优势。

5G+医疗健康的应用场景概览

本报告主要梳理了无线监测、远程诊断、远程会诊、移动查房、虚拟示教培训、移动急救、导航定位、远程机器人超声以及远程机器人手术九大应用场景,并从通信宽带、通信时延、通信数量(通信主体的连接数量)三个维度绘制了5G+医疗健康场景应用图谱。

远程监测类

这类应用对通信带宽要求不高,只是涉及到血压、血糖、血氧饱和度、心率等生命体征数据的传输,其带宽在3Mbps基本上就能满足信息传输需求。其对通信时延也没有高要求,100ms左右的延迟不会造成对相关治疗的影响。而且主要是生命体征监护仪、可穿戴智能设备、输液袋、护士等之间的信息互通,连接数量较小。

远程会诊和指导类

这些应用对通信带宽有一定的要求,涉及到生化分析结果、影像检查结果、电子病历等大量资料的传输,其带宽通常在3Mbps~15Mbps之间。在远程会诊和VR/AR等虚拟示教培训场景,需要较低时延才能挺高会诊效率和培训效果,其时延需在20ms~100ms。因为涉及到检查检验资料,需要连接相应的检验科、影像科的部门,还需要连接专家、基层医生、护士、患者的群体,连接数量相对较多。

远程操控类

远程机器人超声和远程手术需要超高清画面,医生才能够精确地进行操作,因此要求带宽在15Mbps甚至需要达到1Gbps,才能满足相关的操作要求。在整个过程中需要实时同步,才能保证操作的安全性,对时延要求通常是在1ms以内。特别是远程手术,可能需要同时连接生命监测仪、心电图机、除颤监护仪、高清视频设备等,其连接主体数量较多。

应用场景需求分析及5G解决方案

我们根据通信带宽、通信时延和通信数量三个指标将十大应用场景分为远程监测和护理类、远程会诊和指导类、远程操控类三个类别。那么,每个应用场景的需求是什么,5G又是通过什么方案来满足需求的,我们将逐类剖析。

无线监测

无线监测是指通过生命体征监测仪或可穿戴智能设备对患者的血压、血糖、心率等进行实时、持续的监测,并将这些体征数据通过无线通信的方式传输给医护人员。无线监测主要是针对术后患者和突发性疾病患者,术后患者在康复过程中容易出现术后并发症,病情变化风险大,需要实时动态对其进行监测。

突发性疾病患者特别是冠心病和脑卒中患者,通过无线监测可以实时掌握其活动情况,发生异常情况可以第一时间展开急救。无线监测需要持续、实时、动态的反映被监测者的生命体征情况,能够将分析处理过的数据传送到医护人员显示终端,以便实时掌控其情况。特别是针对突发性疾病患者,无线监测的报警时间直接影响患者的抢救相应时间。

根据看医界公布的相关数据,2016年我国TOP10三甲医院平均床位数在4900张左右。相应床位的体征监测设备、穿戴设备、传感设备、接收设备等的连接数量将超过1万个。

在现有网络条件下,每平方公里的最大连接数在1万个以下,未来随着医院床位数的进一步增加,连接的设备数量将成倍提升,必须有更先进的网络技术才能满足。5G的Massive MIMO技术具有更高的频谱使用效率,提高空间复用率,每平方公里的连接数量可以达到100万个,从而实现超大容量连接。

除了对设备、患者生命体征的监测,还可以实现对部分设备的控制。比如在无线输液监测中,基于5G网络的无线输液管理系统,可以通过输液监测器等物联网设备,对患者的输液进度进行实时动态监测,由于5G的低时延性,如果发生跑针或输液快结束时,能够快速向护士报警,护士能够第一时间前来处理,避免医疗事故的发生。

远程诊断

远程诊断是指利用通信网络系统,邀请方医疗机构通过向受邀方医疗机构提供病患临床及CR、DR影像资料,由受邀方出具诊断报告。包括远程影像诊断、远程心电诊断、远程超声诊断、远程病理诊断等。

在整个诊断过程中,由邀请方将相关检查检验资料上传到远程医疗平台,三甲医院专家通过移动端从远程医疗平台获取相关资料以及根据这些资料出具诊断报告,再将这些报告回传到远程医疗平台供邀请方和患者使用。

远程诊断中电子病历、诊断结果等的传输速率在200Kbps,现有网络基本上能够满足。但是CR、DR、MRI等影像资料和B超资料的通信速率要求在13Mbps,而现有网络的速率在10Mbps,导致影像资料的传输时间过长,要耗费专家几分钟时间才能完成下载,影响了诊断工作效率。

5G相比传统的基础通信设施,其传输速率能够达到1Gbps,能够以更高上传和下载速率为数据传输带来便利性。医疗专家不管是在办公室,还是在外出差,都可以享受极速下载,随时查看患者资料。

而且5G的高可靠性还能保证在院外传输医疗数据,避免出现被盗取的危险,保护患者的隐私安全。

远程会诊

远程会诊是指借助通信网络,邀请方和受邀方通过远程视频系统共享医学资料,对患者的病情进行会诊诊治。同远程诊断类似,远程会诊也需要通过远程医疗平台实时上传患者的影像报告、血液分析报告、电子病历等数据,专家从远程医疗平台实时下载查看相关资料,为基层医生提供诊断指导,提高他们的疾病诊断水平,能够真正实现大病不出县,患者留基层。

远程会诊过程中,主要涉及到高清视频通话和资料共享。在现有网络条件下,可以配置1080P的高清视频设备。但未来随着4K等超高清视频设备的应用,其传输速率在20Mbps,现有网络将无法满足。

5G的数据传输速率能够达到1Gbps,为基层医生、专家、患者之间进行超高清视频通话提供技术保障,而且专家在视频过程中,还能实现秒速下载患者资料。同时5G的低时延性保证了彼此之间通话的实时性,不会感觉到通话延迟,提供了沟通的顺畅性和高效性。

移动查房

移动查房是指医生在查房过程中使用手持移动终端通过无线网络联接医疗信息系统,实现电子病历的实时输入、查询或修改,以及医疗检查报告快速调阅的一种查房形式。

虽然目前的网络条件已经实现了医生与患者的在线交流,移动设备上也集成了在线查询生命体征数据、心电图等功能,但却存在医疗数据量大、传输不稳定、数据易泄露等风险,难以实现相关资料的实时采集和实时传输。

5G网络的相关性能能够较好地解决相关痛点,高宽带可以有效解决医疗数据传输量大(比如CT影像、超声影像、CR/DR影像等)、传输不稳定的情况,高可靠性可以有效避免相关数据在传输过程中的泄漏问题。另外,医生可以一边查房一边实时下载或查阅患者资料,为下一步诊疗决策做准备。

虚拟示教培训

虚拟示教培训是指青年医生借助VR/AR设备,在培训专家的远程或现场指导下,进行相关的医学治疗操作,特别是手术虚拟示教培训成为医院提升青年医生技能的重要手段。

AR/VR手术培训属于强交互应用场景,用户可通过交互设备与虚拟手术环境或者现实环境进行互动,使接受培训者能够感受到虚拟环境的变化,沉浸感更强。

强交互VR/AR对带宽和时延提出了双需求,沉浸感的提升依赖于画质分辨率、渲染和交互处理速度、数据传输速度的全面提高,特别是数据的传输速度的提高对强交互VR/AR的体验效果尤为重要。

根据VR/AR的四个发展阶段,对数据的传输速率和传输时延要求在逐步提高,传输速率从25Mbps提高到1Gbps,传输时延从40ms缩短到10ms。现有的通信网络条件无法满足相应要求,经常使得佩戴者出现人体眩晕现象,导致舒适性和获取性较差。

5G的速率一般都在1Gbps,高峰值甚至可以达到10Gbps,而其时延通常在10ms以内,能够很好地满足AR/VR手术培训要求,营造高度沉浸式体验环境。

移动急救

移动急救是指急救人员、救护车、应急指挥中心和医院之间通过相互沟通协作开展的医疗急救服务。急救是和时间赛跑,急救业务的响应时间长短影响着患者存活率高低。

根据国际急救经验,除颤每推迟1分钟,患者存活率降低7%~10%,急救响应时间在4分钟内,患者的存活率将在50%以上,响应时间在4~6分钟后,人体重要器官将出现不可逆伤害,患者存活率将降低到10%以下。

信息采集、数据处理和传输效率成为移动急救面临的主要难题。在急救现场,救援人员需要对患者进行初步检查,并将相关检查结果实时传送到应急指挥中心和医院。同时需要根据患者的伤病情况,医院专家通过移动设备提供远程指导,救援人员实施初步救治,为后续的医院治疗打下基础。在运输过程中,还需要将患者生命体征数据、电子病历信息等上传到远程系统,便于专家第一时间掌握患者相关情况。

现在使用的1080P高清视频设备,对于患者受伤情况呈现的清晰度还不够,医疗专家通过视频设备无法查看到细微的受伤部位。未来通过4K超高清设备,医疗专家能够对受伤情况进行更细微的观察,以便更好地指导一线人员进行精准施救,避免出现救治不当的情况发生。同时急救人员需要与指挥中心、专家保持视频通话,需要低时延才能保证实时性和同步性,这就更需要5G提供的超低时延性能。

导航定位

为用户提供导航定位服务,主要包括院内导航和城市导航。

院内导航就是就诊指引,指根据患者的需要实时显示挂号处、就诊室、检查检验室、缴费处等信息,并为其制定到达路线,缩短患者找寻时间,提高患者就诊体验。

目前的院内导航主要依靠GPS定位,定位精度不高,无法满足室内定位需求,要实现精准的室内导航,需要几米甚至1米以下的定位精度,甚至还要能够分辨楼层。面向5G的高精度融合定位技术能够准确地识别用户所处的环境,并结合实际情况选取合适的定位系统。

“融合定位”是5G高精度定位的主要趋势,室内环境采取Wi-Fi融合带内信号、PDR的方式,存在超宽带(UWB)的环境优先采用UWB方式。

另外一种导航是面向用户的城市导航。目前的GPS导航系统,是一种2D平面下的定位和路线指引,未考虑周边环境对导航的影像。

未来,导航系统可以在跟踪设备上实现音视频的同步传输,除了对位置和方向进行指引,还能通过影像的分析对导航进行纠正,防止突发情况的出现。例如达闼科技的导盲头盔,通过对周围声音和图像(建筑、汽车、路障等)的采集,上传云端进行AI计算分析,然后将分析结果转化为声音指令,引导盲人在城市中穿行。

导盲头盔系统与AI技术相结合,能够实现AI导航,其数据传输速率要求在30Mbps,传输时延在20ms以内。现有网络无法满足上述条件,而5G的高带宽和低时延能够实现。

远程机器人超声

远程机器人超声是基于通信、传感器和机器人技术,由医疗专家根据患者端的视频和力反馈信息,远程操控机器人开展的超声检查医疗服务。该类超声检查无需指派专业医生到现场,只需护士提供设备仪器安置工作即可,主要由医疗专家在远程操控完成。

远程机器人超声涉及到操作摇杆控制信号和力反馈触觉信号两路视频信号,还包括医生视频、患者视频、B超探头影像等。在现有网络环境下,分别率只能够达到1080P,超声影像的清晰度仍需要进一步提高,为医生诊断提供更好的参考数据。

当分辨率达到4K时,超声影像能够更清晰地展示检查部位的情况,医生观察效果更佳。这些都需要高带宽、低时延的网络做保障,才能较好地解决机械臂的灵敏度自适应、操作指令的实时传输、超高清视频语音的实时传输以及B超影像的动态传输等问题,这些正好是5G性能优越性的集中体现。

远程机器人手术

同远程机器人超声类似,远程手术也是基于通信、传感器和机器人技术,由医疗专家根据手术室的视频和反馈信息,远程操控机器人开展手术治疗服务。

虽然目前部分医院已经引进了手术机器人(如达芬奇手术机器人),但是目前的通信设施无法满足其大量数据的传输速率和传输低时延要求,不适宜开展远程机器人手术治疗。

远程机器人手术过程中医生需要佩戴3D眼镜等设备,实时观察手术现场画面,相应的设备要求数据传输速率在25Mbps,才能够保证将手术现场情况全方位展现在医生眼前。

同时,手术过程中,医生操控机械臂进行手术作业,其传输速率要求在20Mbps,传输时延低于10ms。且整个过程还涉及到不同类型数据的传输,如生命体征数据、心电图数据、除颤监护仪数据、血液供应数据等等,需要20Mbps以上的传输速率。

5G的高带宽能够满足各类数据的传输和能够满足超高清视频要求,而且其低时延性能够确保现场机械臂运行与医生端的操控是高度同步的,不会因延迟而导致医疗专家出现误判情况,提高手术的成功率。

通过前面相关应用场景的分析我们发现,它们对5G网络提出了5大需求:

  • (1)连续网络覆盖,院内外无线网络实现无缝广域覆盖,满足医疗业务的可移动性需求。

  • (2)大带宽通信,如远程会诊要求传输速率达到20Mbps,虚拟示教培训要求传输速率达到25Mbps等。

  • (3)海量机器类通信,如无线监测需要5G的Massive MIMO技术才能满足其需求。

  • (4)导航定位能力,小于10 米的室内定位精度,满足患者定位管理需求。

  • (5)低时延通信,如远程机器人手术,要求数据传输时延低于10ms。

各大应用场景落地时间路径

虽然5G在各大医疗应用场景都能发挥作用,但是每个场景所依赖的5G关键性能有所不同,为了保证相关医疗活动能够顺利开展,医生的介入程度、设备投入数量也不一样。另外,由于每个应用场景针对的疾病治疗环节不同,会产生不同程度的医疗安全风险。

动脉网·蛋壳研究院根据对相关人士的访谈,从5G性能复杂度、医生介入程度、设备投入数量、医疗安全风险4个维度,对上述9大应用场景的落地难度做了综合评价(较低用★表示,适中用★★表示,较高★★★表示)

5G性能复杂度

主要基于每个应用场景对5GeMBB、URLLC以及mMTC三大关键性能的依赖程度。根据5G网络建设推进计划,将首先满足eMBB性能要求,后续再逐步完善相关设施,满足URLLC和mMTC性能要求。因此,主要依赖eMBB的应用场景,其复杂度较低;对eMBB和URLLC依赖较强的应用场景,其复杂度适中;对eMBB、URLLC和mMTC都有要求的,其复杂度较高。

医生介入程度

有的应用场景只需护士介入就能完成,医生无需介入;有的应用场景需要医生介入,提供诊疗指导和诊断结果;还有的医疗场景需要医生深度介入,进行远程操作。

设备投入数量

设备投入主要是指各个应用场景投入的通信设备和医疗设备,有的只需要简单投入高清视讯设备,有的需要投入高清视讯设备、生命监测仪、PDA终端等简单设备,投入量适中。还有部分场景除了上述设备外,需要投入心电图机、除颤监护仪、血液分析仪、手术器械等,其设备投入量相对较高。

医疗安全风险

医疗安全风险主要跟医疗行为和医生介入程度密切相关,只需要护士介入的应用场景,其安全风险较低。需要医生介入但无需对患者身体进行侵入操作的场景,其安全风险适中。需要医生远程操控,对患者身体侵入的场景,安全风险较高,需要谨慎实施。

根据上表,我们可以看出无线监测、远程会诊、远程诊断、移动查房等应用场景,它们主要的主要需求是解决医疗数据传输数量和传输速率的问题,设备的投入数量主要是高清视讯设备、PDA的少量设备,而且医疗安全风险较低,将成为5G率先落地应用的场景。

而导航定位、虚拟示教培训对延迟性要求较高,而移动急救和远程机器人超声对时延要求也较高,但由于其前方有一线医务人员在场或是以非侵入方式接触患者,其安全风险可控,会成为5G下一个阶段的落地场景。

而远程手术,除了对高带宽、低时延都有较高要求外,因为医生是远程在线操控机器人进行手术,存在较大的安全隐患,目前还没有出台相应的操作规范指导意见,一旦出现医疗事故,较难界定责任主体,其落地时间有待相应政策标准的出台。

案例:打造5G+医疗健康的标准范本

面对5G在医疗健康领域的应用场景,医院都以积极的态度和行动去拥抱5G。但正如前面所述,各类应用场景对5G性能、医生介入程度、医疗设备投入量以及医疗安全风险要求存在差异,使得它们的落地时间各不相同。

那么,5G在医院具体是怎么落地的,我们将以郑州大学第一附属医院和中国科学技术大学附属第一医院为例进行阐述,看看它们是如何打造5G+医疗健康的标准范本。

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华为机构

华为成立于1987年,是全球领先的ICT(信息与通信)基础设施和智能终端提供商。华为的主要业务分布在无线、网络、软件、服务器、云计算、人工智能与大数据、安全、智能终端等领域,发布了5G端到端解决方案、智简网络、软件平台、面向行业的云解决方案、EI企业智能平台、新一代FusionServer V5服务器、HUAWEI Mate等系列智能手机、麒麟系列AI芯片等产品。目前华为拥有18万员工,36所联合创新中心,14所研究院/所/室,业务遍及170多个国家和地区。

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达闼科技机构

达闼科技在云端融合智能、高速安全网络、以及安全智能终端和机器人控制技术等领域进行了深入研发。提出并构建了结合人工辅助和机器学习的云端融合认知计算平台(HARI)。达闼科技正在部署一个全球覆盖的高速安全骨干网(VBN);打造了云端智能控制终端“DATA”系列产品。达闼科技实现了移动内联网云服务(MCS),为下一代企业移动信息化提供了关键的“云网端”安全架构。 全球首个机器人运营商,服务机器人产业,从产业链的各个角度切入,提供从人工智能解决方案到机器人核心的零部件的全产业链技术支持。

自动驾驶技术技术

从 20 世纪 80 年代首次成功演示以来(Dickmanns & Mysliwetz (1992); Dickmanns & Graefe (1988); Thorpe et al. (1988)),自动驾驶汽车领域已经取得了巨大进展。尽管有了这些进展,但在任意复杂环境中实现完全自动驾驶导航仍被认为还需要数十年的发展。原因有两个:首先,在复杂的动态环境中运行的自动驾驶系统需要人工智能归纳不可预测的情境,从而进行实时推论。第二,信息性决策需要准确的感知,目前大部分已有的计算机视觉系统有一定的错误率,这是自动驾驶导航所无法接受的。

感知技术

知觉或感知是外界刺激作用于感官时,脑对外界的整体的看法和理解,为我们对外界的感官信息进行组织和解释。在认知科学中,也可看作一组程序,包括获取信息、理解信息、筛选信息、组织信息。与感觉不同,知觉反映的是由对象的各样属性及关系构成的整体。

调度技术

调度在计算机中是分配工作所需资源的方法。资源可以指虚拟的计算资源,如线程、进程或数据流;也可以指硬件资源,如处理器、网络连接或扩展卡。 进行调度工作的程序叫做调度器。调度器通常的实现使得所有计算资源都处于忙碌状态,允许多位用户有效地同时共享系统资源,或达到指定的服务质量。 see planning for more details

重构技术

代码重构(英语:Code refactoring)指对软件代码做任何更动以增加可读性或者简化结构而不影响输出结果。 软件重构需要借助工具完成,重构工具能够修改代码同时修改所有引用该代码的地方。在极限编程的方法学中,重构需要单元测试来支持。

人工智能技术

在学术研究领域,人工智能通常指能够感知周围环境并采取行动以实现最优的可能结果的智能体(intelligent agent)

参数技术

在数学和统计学裡,参数(英语:parameter)是使用通用变量来建立函数和变量之间关系(当这种关系很难用方程来阐述时)的一个数量。

规划技术

人工智能领域的「规划」通常是指智能体执行的任务/动作的自动规划和调度,其目的是进行资源的优化。常见的规划方法包括经典规划(Classical Planning)、分层任务网络(HTN)和 logistics 规划。

边缘计算技术

边缘运算(英语:Edge computing),又译为边缘计算,是一种分散式运算的架构,将应用程序、数据资料与服务的运算,由网络中心节点,移往网络逻辑上的边缘节点来处理。边缘运算将原本完全由中心节点处理大型服务加以分解,切割成更小与更容易管理的部分,分散到边缘节点去处理。边缘节点更接近于用户终端装置,可以加快资料的处理与传送速度,减少延迟。在这种架构下,资料的分析与知识的产生,更接近于数据资料的来源,因此更适合处理大数据。

室内定位技术

在室内环境无法使用卫星定位时,使用室内定位技术作为卫星定位的辅助定位,解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题。最终定位物体当前所处的位置。

准确率技术

分类模型的正确预测所占的比例。在多类别分类中,准确率的定义为:正确的预测数/样本总数。 在二元分类中,准确率的定义为:(真正例数+真负例数)/样本总数

映射技术

映射指的是具有某种特殊结构的函数,或泛指类函数思想的范畴论中的态射。 逻辑和图论中也有一些不太常规的用法。其数学定义为:两个非空集合A与B间存在着对应关系f,而且对于A中的每一个元素x,B中总有有唯一的一个元素y与它对应,就这种对应为从A到B的映射,记作f:A→B。其中,y称为元素x在映射f下的象,记作:y=f(x)。x称为y关于映射f的原象*。*集合A中所有元素的象的集合称为映射f的值域,记作f(A)。同样的,在机器学习中,映射就是输入与输出之间的对应关系。

逻辑技术

人工智能领域用逻辑来理解智能推理问题;它可以提供用于分析编程语言的技术,也可用作分析、表征知识或编程的工具。目前人们常用的逻辑分支有命题逻辑(Propositional Logic )以及一阶逻辑(FOL)等谓词逻辑。

大数据技术技术

大数据,又称为巨量资料,指的是传统数据处理应用软件不足以处理它们的大或复杂的数据集的术语。

雾计算技术

雾计算或雾联网,是使用最终用户终端设备或连接最终用户设备的边缘设备,以分布式协作架构进行数据存储,或进行分布式网络数据包传输通信,或相关分布式控制或管理。雾计算是由思科在2014年所提出的概念,为云计算的延伸,这个架构可以将计算需求分层次、分区域处理,以化解可能出现的网络塞车现象。

查询技术

一般来说,查询是询问的一种形式。它在不同的学科里涵义有所不同。在信息检索领域,查询指的是数据库和信息系统对信息检索的精确要求

定位技术技术

通常是指机器人领域的定位技术,see SLAM for details

物联网技术技术

物联网(英语:Internet of Things,缩写IoT)是互联网、传统电信网等信息承载体,让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。物联网一般为无线网,而由于每个人周围的设备可以达到一千至五千个,所以物联网可能要包含500兆至一千兆个物体。在物联网上,每个人都可以应用电子标签将真实的物体上网联结,在物联网上都可以查出它们的具体位置。通过物联网可以用中心计算机对机器、设备、人员进行集中管理、控制,也可以对家庭设备、汽车进行遥控,以及搜索位置、防止物品被盗等,类似自动化操控系统,同时通过收集这些小事的数据,最后可以聚集成大数据,包含重新设计道路以减少车祸、都市更新、灾害预测与犯罪防治、流行病控制等等社会的重大改变,实现物和物相联。

5G技术

第五代移动通信系统(5th generation mobile networks),简称5G,是4G系统后的延伸。美国时间2018年6月13日,圣地牙哥3GPP会议订下第一个国际5G标准。由于物理波段的限制,5G 的网络也将会与其他通信技术并用,包含长距离的其他传统电信波段。

沉浸式技术技术

沉浸式技术是指模糊了物理世界和模拟世界之间的界限,从而产生沉浸感的技术。沉浸式技术能够将现实和虚拟混合;在一些使用术语“沉浸式计算”是有效的混合现实作为用户界面的代名词。

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