5G+VR技术在未来远程医疗场景中的应用研究_蔡敏惠.pdf

电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|179通信技术及基础设施建设5G+VR技术在未来远程医疗场景中的应用研究蔡敏惠长讯通信服务有限公司，广东广州510507摘要：随着5G时代的到来，很多新的技术被运用到了远程医疗领域，帮助解决了地区间的不平衡问题。同时，VR技术在近几年逐渐发展起来，由于其用户体验的浸入感，若能将其运用于远程医学，将会给医疗产业带来新的生机。然而，目前我国的远程医学网络尚待进一步完善。因此，本文针对5GSA组网模式、网络切片技术、移动边缘计算技术等进行了深入的探讨，给出了5G医疗专用网络体系的结构方案，并设计了基于5G+VR的远程医疗方案，为高网络品质要求的虚拟现实技术在医疗领域的应用奠定了坚实的基础。关键词：5G；VR技术；远程医疗中图分类号:TN929.5 文献标志码:A DOI:10.19772/ki.2096-4455.2022.11.041 0引言2019年6月6日，中国联通、中国移动、中国电信获得了5G商用牌照，我国正式进入5G商用部署阶段，现代社会人们对移动设备的依赖性很强，人们拥有的移动设备的数目也在激增，5G通过提高传输速率、增大带宽、毫米波、大规模多输入多输出MIMO、小基站、3D波束成形等技术，支持更多的设备接入云端，带来一个万物可互联的时代。5G商用后，移动互联网和物联网成了非常热门的话题，像4K/8K超高清视频、虚拟现实、自动驾驶、移动医疗、工业自动化这样的应用越来越多，也对5G通信网络提出了更高速率、更大带宽、更小时延等要求，这些新兴5G相关产业呈现出的巨大商机，也给5G的蓬勃发展提供了来自社会各方面的动力1。1相关概述1.15G技术简介 在过去的几十年间，移动通信经历了一次又一次的更新迭代。第一代移动通信技术即1G，主要采用的是模拟调频技术和频分多址（FDMA）技术，它的作用只是简单地提供语音服务，也就是让相隔异地的人们能够打电话交流，由于技术简单，它的信号时常不稳定，信号覆盖的范围也不够广，而且通话的保密性也很难保障。在1G诞生不久，人们就已经决定要研发第二代移动通信技术，即2G。从2G开始，移动通信由模拟技术转为数字技术，大多数国家在2G数字语音时代部署了全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM），GSM使用了将时分多址（TDMA）和FDMA混合的技术，使系统能够支持的用户数有了大幅度的增加，且除了语音通话的功能外，还能传输数据。人们开始对使用手机上网有了需求，但2G的传输速率很低，因此，第三代移动通信技术（3G）在21世纪初进入人们的视野。3G是一种蜂窝移动通信技术，它基于一种分组交换的网络，速度快、容量大，为推广3G在全球的普及，国家之间形成了第三代合作伙伴计划（3GPP），并颁布了WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000三个通信标准，随着苹果公司推出iPhone手机，谷歌公司发布安卓系统，智能手机开始全面普及，3G的数据传输速率和频谱利用率迫切需要升级。第四代移动通信技术（4G）是基于IP协议的高速移动通信网络，相比3G，它的突出特点就是数据传输的速度更快，容量更大。无线宽带是4G发展的焦点，它让手机在对图片、音视频、文件的浏览、下载上拥有了和电脑一样的传输质量。5G是移动通信系统的又一次飞跃，是4G的延伸和增dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术180|强，或许以前的移动通信技术的发展给人们带来的改变多是社交方式上的，人们只需要操作手机就能与远在千里外的人进行各种通信，但5G的商用在可以预见的未来是能够改变整个社会的2。1.2MEC移动边缘计算（MEC），又被称为多接入边缘计算，是支撑5G面向低时延高可靠场景的一项重要技术，是5G网络规划里不可缺少的内容，目前在全球范围内，MEC都是5G领域的热门话题。MEC是将云平台从核心网迁移到接入网边缘，减少数据的传输转发来节约数据处理时间和成本，它的实现方法是在用户侧的网络边缘部署网络服务，把大量的数据处理任务落实到靠近数据源头的网络边缘。依托MEC的分流、计算等作用，大幅度削弱了业务产生的数据流对传输网与核心网的带宽占用，也大幅度提升了网络的计算性能，5G时代所涌现的一系列要求低时延和高计算能力的业务从而有了技术基础。云计算是一种集中式的服务，在进行边缘运算前，必须将使用者或边缘装置所产生的资料传送至云端进行处理与分析，由于许多终端设备无法完成对资料的复杂处理与分析，因此只能通过云端处理后的有效资讯来维持营运。“云端”是一个远程的中央处理平台，它需要很长的一段时间才能生成数据，比如，可佩戴式摄像机的实时直播延迟为50ms。但对于实时性要求较高的大多数应用，其时延均需在10ms之内。5G自身的数据传输速度可以有效地降低延迟，同时也可以有效地降低数据流的压力，缩短响应时间。事实上，并不是所有的数据都要通过云端平台来处理，因为边缘节点（路由器或者是距离边缘设备最近的基站），可以利用这些数据进行过滤、运算等操作，这些数据都是由边缘节点来完成的。数据的运算可以按照一定的顺序进行，这样就能合理地分配网络的资源，在完成后，可以将数据发送给边缘节点，完成一些运算，而如果是边缘节点无法处理的，则可以通过云端平台来完成。随着云计算技术的发展，云计算对能耗的要求也越来越高，同时，大规模的边缘计算技术也将为企业节约能源，减轻网络通信的压力3。5G移动边缘计算是一种应用于医疗领域的多层边缘运算系统，它在基站侧、基站汇聚侧、核心网边缘等位置灵活配置，面向智能医疗各项业务，为智慧医疗提供更高带宽、更低时延的网络承载。MEC能够加快医院内部网数据的传输，通过边缘节点处理和转发需求较小的数据，并能为第三方医疗机构提供虚拟的承载网络服务。25G医疗行业专网整体架构方案 我国的大部分医院已经开通了智慧医疗服务平台，拥有了医院信息系统（HIS）、电子病历系统（EMR）、医学影像存档与通信系统（PACS）等智能化系统，远程医疗体系架构的完善离不开医院的信息化建设。考虑到现阶段大部分医院并未搭建远程手术、远程会诊等远程医疗系统网络，本次规划将基于5G的医疗行业专网划分为局域专网、广域专网和动态专网。局域专用网是指在医院内实现数据传输的内网；广域专网是医院与医院间通信的一种特殊通道，它可以为各院间的医疗数据共享、远程医疗等提供网络服务；动态专用网可以让非住院的患者和医院建立动态的联系，提供实时的 SLA保障网络，主要是为家庭医护人员、医疗协作车辆或在院外发生的突发事件提供医疗服务。5G医疗行业专网通过有线与无线接入全面覆盖全国各区域的医疗服务机构，上到大城市中心医院，下到基层乡镇卫生室，这是本文研究的远程医疗方案能够实施的基本条件。3基于5G+VR的远程医疗方案设计3.1基于5G+VR的远程手术方案由于医疗资源分配的不均，很多位于医疗资源贫瘠地区的人们在需要手术治疗时，当地的医疗条件和医务人员水平有限，往往手术无法进行，导致病人病情恶化。目前我国的医疗资源都向大城市倾斜，而病人去往大城市就医需要支付的 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术|181通信技术及基础设施建设人力物力成本巨大，很多病人也因此放弃治疗。5G技术与VR技术为远程手术的实施提供了技术支撑，本文设计的远程手术方案若能落到实处，只要在5G医疗专网覆盖的范围内，病人都可以在较简单的医疗环境下让更专业的医生为其手术4。传统手术室医生与病人同处手术室中，医生观察病灶，手持手术刀或其他医疗器械对病人进行手术操作。而基于5G与VR技术的远程手术，病人位于本地手术室，采集设备采集病人的各项生理参数并投射到另一端的远程手术室的虚拟病人上，医生根据虚拟病人的体征制定手术方案，操纵医疗器械进行手术。图 1远程手术方案本文的远程手术如图1所示，由显示装置、手术状态采集装置、数据传送装置、数据存储装置、监护装置、VR终端装置、手术室装置、服务器与网络资源提供的云端平台构成。其具体实现方法是：在进行远程操作前，将患者的电子病历通过当地医院的医疗信息系统传送至远程医院，由专家进行分析，确定最佳的手术方案。手术期间，远端手术室的患者做好了手术的准备，当地手术室的医生佩戴VR设备，通过全景摄像头进行远距离的全方位监控，采集到超过12K的高清影像，然后通过远程医疗中心的数据传输，通过远程医疗中心的监控系统，将患者的数据实时传输。当地的医院，通过接收系统收集到的医学数据和影像，然后传输到VR设备上，VR设备就会建立一个虚拟的环境和一个虚拟的病人，让医生有一种以第一人称的感觉，通过特殊的仪器或者虚拟仪器，对虚拟患者进行操作，或者远程操作。VR设备捕捉到了医生的手术，并将其发送给了远程手术室，而机器人则会利用同样的仪器，对患者进行同样的手术。在完成手术后，患者的各种数据都会被实时地反馈给医生，这就是反复的传递数据，实时更新虚拟患者的模型，然后由医生进行下一步的处理。3.2基于5G+VR的远程会诊方案 按照传统的治疗方式，患者要到医院和医生进行面对面的交流，然后由医生来决定治疗，而远程会诊则是让患者在不同的地方接受医生的诊断。在远程医疗领域，远程会诊是一项很重要的业务，它通常是让患者和医生进行高清晰度的视频会议。通过VR技术进行远程会诊，不同于单纯的视频会议，医生可以通过VR头显，观察患者所在的诊室，通过VR技术，可以和患者进行多种互动，从而做出正确的判断。有些疑难杂症患者，要想制定出最佳的治疗方案，就必须要有来自世界各地的专家，通过远程会诊来解决5。图 2远程会诊方案传统的医学诊断是由患者与医师进行面对面的交流，医生通过对患者进行观察、询问，甚至在某些情况下，还要借助仪器，来判断患者的情况，并做出相应的处理。在远程会诊的时候，医生和患者之间是有一定的联系的，一般情况下，患者都是在本地医院的私人诊室里，由远端的医生根据患者的病情来判断，然后再做决定，而如果是比较复杂的患者，则需要多家医院的专家会诊，这就导致了远程会诊的难度要大得多。本论文所述的远程会诊通过如图2的系统结构来实现由显示单元、数据传送单元、数据存储单元、虚拟现实终端装置、服务器与网络资源提供的云端平台组成。其具体实现方法是：在进行远程会诊时，将dianzi yuanqijian yu xinxijishu 电 子 元 器 件 与 信 息 技 术182|患者的电子病历从当地医院的医疗信息系统中传送给各个医生，由12名医生根据病历进行初步的判断。在会诊期间，医生佩戴VR设备，通过全景摄像头对患者所在的诊室进行实时拍摄，并将其压缩后的图像传输到云端，然后传输到各个医院端，解码后上传至VR设备，设备运用相关技术让医生进入虚拟诊室，参与诊疗。除了能以一种第一视角的方式，与患者进行交流，还可以在网上进行沟通，进行分析。3.3基于5G+VR的远程探视方案 由于新型冠状病毒的高传染性，使医务工作者和家庭成员与受感染的人有很大的接触风险，因此，远程访问成为一个热点问题。创维 VR在去年就和中国移动云南分公司联手，组建了“5G 8K新冠肺炎 ICU远程诊断与监控”项目，开发了基于5G网络和8K VR技术的远程探视新方案，利用5G技术和8K VR技术进行远程访问，让患者的家属能安全地在隔离病房外探望患者，同时也能让医护人员尽可能少地与病人接触，降低交叉感染风险，助力防疫工作的开展。在远程医疗中，远程探视一直被人们所忽略，但是在大型医院，却需要建立远程探视系统。从病人的角度来看，无论是传染性疾病还是重症病人，都要严格的限制与外界的联系，从病人的角度来看，有的病人要住在很远的地方，而病人的家人却是不方便的。因此，远程探视是一种非常需要的技术。一般而言，家属要与病人共处一室，通过5G和VR技术，不需要家属亲自登门拜访，只需带着VR头显，就能直接去病房探望，甚至在必要的时候，还能与患者进行交流。本论文所述的远程探视是由显示单元、数据传输单元、数据存储单元、监护单元、VR终端单元、服务器与网络资源提供的云计算平台组成，如图3所示。其具体实现方法是：在远程探视