李 瑾 景意新

（1.中國(guó)電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510663；2.威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著人口的急劇增加，以及人們對(duì)健康關(guān)注度的日益提升，傳統(tǒng)的醫(yī)療保健已無法滿足每個(gè)人的需求。近年來，盡管我國(guó)在醫(yī)療健康領(lǐng)域擁有越發(fā)完善的基礎(chǔ)設(shè)施和尖端技術(shù)，但并不是每個(gè)人都能獲得或負(fù)擔(dān)得起高水平的醫(yī)療服務(wù)。智慧健康產(chǎn)業(yè)的目標(biāo)之一是幫助用戶掌握他們的健康狀況并保持他們的健康意識(shí)。智慧健康與醫(yī)療保健產(chǎn)業(yè)結(jié)合，可以使用戶能夠自行應(yīng)對(duì)一些緊急情況。它強(qiáng)調(diào)健康管理、提前預(yù)防，助力最大限度地利用可用資源，且有助于對(duì)患者進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并降低患者的治療成本。通過遠(yuǎn)程問診、遠(yuǎn)程治療，還可以幫助醫(yī)生在沒有任何地理障礙的情況下拓展他們的服務(wù)范圍。隨著智慧城市的發(fā)展趨勢(shì)不斷顯著，有效的智慧健康及醫(yī)療保健系統(tǒng)可提升人們的健康生活體驗(yàn)。

智慧健康及醫(yī)療保健產(chǎn)業(yè)的一大特點(diǎn)是運(yùn)用互聯(lián)技術(shù)，即指任何可以遠(yuǎn)程操作的數(shù)字醫(yī)療健康解決方案，具有持續(xù)監(jiān)測(cè)健康、緊急檢測(cè)和自動(dòng)提醒等適合使用者不同需求的附加服務(wù)?；ヂ?lián)健康技術(shù)主要側(cè)重于通過實(shí)現(xiàn)自我健康監(jiān)測(cè)和護(hù)理并輔以遠(yuǎn)程問診及護(hù)理來提高醫(yī)療保健質(zhì)量和效率。

近年來，物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，極大程度上促進(jìn)大健康產(chǎn)業(yè)的智慧化轉(zhuǎn)型，并可以降低醫(yī)療設(shè)備的成本?？旖莘€(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)是保障物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的基本要求，5G 網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)智慧健康物聯(lián)的廣泛應(yīng)用層面將發(fā)揮重要作用。在5G 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，智慧醫(yī)療是最重要的應(yīng)用之一。

在智慧醫(yī)療保健中，物聯(lián)網(wǎng)可以改善多種應(yīng)用，包括醫(yī)院的資產(chǎn)管理、行為變化監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、治療依從性監(jiān)測(cè)、輔助生活、更智能的藥物治療和遠(yuǎn)程醫(yī)療，這些應(yīng)用將在不久的將來的醫(yī)療保健產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮重要作用。近年來，醫(yī)療健康領(lǐng)域也開發(fā)出了許多用于集成移動(dòng)通信、電子健康和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用程序。如通過儀器電子記錄的健康數(shù)據(jù)，在便攜式設(shè)備中分析檢查健康狀況的應(yīng)用程序；用于評(píng)估和飲食檢查的智能健康應(yīng)用程序；通過引入基于移動(dòng)網(wǎng)關(guān)的 IoT 應(yīng)用程序，用于移動(dòng)健康環(huán)境中的智能輔助；在由傳感器組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，使用可穿戴設(shè)備進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和醫(yī)療檢查。物聯(lián)網(wǎng)也是構(gòu)建電子健康平臺(tái)時(shí)搜集和提供健康數(shù)據(jù)，用于健康分析及提前進(jìn)行醫(yī)療干預(yù)的重要途徑。

在 5G 網(wǎng)絡(luò)中，機(jī)器對(duì)機(jī)器 （M2M）通信和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）有望成為實(shí)現(xiàn)智慧健康及醫(yī)療保健的主要支柱技術(shù)。上述技術(shù)將面臨兩個(gè)主要挑戰(zhàn)：

1）首先是大量終端導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)超密集（例如，每平方千米內(nèi)大約有106個(gè)連接。IoT和M2M的應(yīng)用需具備決超密集化和可擴(kuò)展性問題的解決方案。

2）其次是由于依賴于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用的性質(zhì)（例如，特定情況下所需的最短電池壽命為10年）。

關(guān)于 5G 網(wǎng)絡(luò)部署和商業(yè)化的研究始于2014年，現(xiàn)階段已完成基本部署。除了網(wǎng)絡(luò)密集化和對(duì)大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的支持外，5G網(wǎng)絡(luò)有望提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。5G網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮靈活和通用性，以支持新的應(yīng)用程序，這不僅需要高數(shù)據(jù)速率，還有其他要求：包括大規(guī)模連接、密集部署、可靠性、低延遲、高能效和遠(yuǎn)程通信能力（用于支持基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧健康和醫(yī)療保健的應(yīng)用程序）。

1 物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療健康服務(wù)

物聯(lián)網(wǎng)有望增強(qiáng)各類醫(yī)健康援助服務(wù)，其中每項(xiàng)服務(wù)都會(huì)提供醫(yī)療保健解決方案的組合。但是，醫(yī)療保健和物聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療保健服務(wù)沒有標(biāo)準(zhǔn)定義。在少數(shù)情況下，服務(wù)相對(duì)不能與特定解決方案或應(yīng)用程序分離開來。

1.1 環(huán)境輔助生活

環(huán)境輔助生活是綜合技術(shù)和社會(huì)環(huán)境，旨在為提高人們的生活質(zhì)量。環(huán)境輔助生活的重要應(yīng)用是以一種有益而安全的方式為老年人居住的地方進(jìn)行適老化改造。環(huán)境輔助生活管理部門提供自治服務(wù)，并在出現(xiàn)任何問題時(shí)提供遠(yuǎn)程協(xié)助。

1.2 藥物不良反應(yīng)預(yù)防

藥物不良反應(yīng)是由于使用醫(yī)生開出的藥物而發(fā)生的反應(yīng)。通常，其是由于使用不尋常藥量的結(jié)果，或者可能是兩種或多種處方混合使用的結(jié)果。雖然藥物不良反應(yīng)大體上是通用的，不過建議結(jié)合患者個(gè)人特質(zhì)和病例制定解決方案。建立基于物聯(lián)網(wǎng)的藥物不良反應(yīng)判定提醒系統(tǒng)，通過授權(quán)的工具軟件掃描條形碼或NFC 技術(shù)，在藥品信息及患者的過敏史等必要信息均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的前提下，使患者可以自行篩選藥物，預(yù)防藥物不良反應(yīng)的發(fā)生。

1.3 社區(qū)健康服務(wù)平臺(tái)

社區(qū)健康服務(wù)平臺(tái)以建立本地網(wǎng)絡(luò)的理念為基礎(chǔ)。在智慧城市的概念中，需要建立一個(gè)依賴于整個(gè)城市醫(yī)療中心、農(nóng)村地區(qū)或住宅區(qū)的智慧健康物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其中社區(qū)健康服務(wù)平臺(tái)是不可或缺的。社區(qū)健康服務(wù)平臺(tái)的架構(gòu)就像“虛擬醫(yī)療保健中心”的基本單元。

1.4 可穿戴設(shè)備訪問

可穿戴設(shè)備訪問已針對(duì)不同的醫(yī)療用途發(fā)明了許多對(duì)健康無干擾的傳感器，適用于依賴 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)療健康服務(wù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也可接入物聯(lián)網(wǎng)，并提供相同的服務(wù)。此外，可穿戴設(shè)備（如智能服裝、智能手表和智能眼鏡等）可能各自具備適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的必要組件，然而從不同可穿戴設(shè)備的傳感器和接口中提取數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，是一項(xiàng)具有極大的挑戰(zhàn)的工作，而可穿戴設(shè)備訪服務(wù)可以解決這個(gè)問題。例如設(shè)計(jì)一個(gè)基于可穿戴設(shè)備訪的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模型，使其適用于不同移動(dòng)設(shè)備（如智能手表和智能手機(jī)）中的大量醫(yī)療健康應(yīng)用程序，從而通過某個(gè)移動(dòng)設(shè)備作為一個(gè)端口進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、統(tǒng)一傳輸和分析。

2 5G通信場(chǎng)景及需求

成功部署智慧健康及醫(yī)療保健系統(tǒng)的關(guān)鍵要求如圖1所示?；谶@些特點(diǎn)，智慧健康及醫(yī)療保健需要5G網(wǎng)絡(luò)來保障其部署及應(yīng)用。

圖1 智慧健康及醫(yī)療保健系統(tǒng)的特性

2.1 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶

這種情況的基本要求是高水平的吞吐量和卓越的流量。 例如，在城市的一般地區(qū)和郊區(qū)，用戶體驗(yàn)的數(shù)據(jù)速率為100 Mbps，在熱點(diǎn)地區(qū)，高達(dá)1 Gbps；最高數(shù)據(jù)速率為20 Gbps；并且，容量相當(dāng)于10 Mbps/m2。 該方案的主要目的是提高網(wǎng)絡(luò)中的流量容量和數(shù)據(jù)速率。

2.2 大規(guī)模機(jī)器類型通信

該場(chǎng)景與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器到機(jī)器通信和IoT通信有關(guān)。 與此方案相關(guān)的主要目標(biāo)是能耗和連接密度。例如，連接密度等于每平方米106個(gè)設(shè)備并且能耗應(yīng)該比4G網(wǎng)絡(luò)提高100 倍，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備需要的電池壽命為10年。

2.3 低延遲和高可靠性的通信

該場(chǎng)景與超可靠的通信和觸覺互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序有關(guān)，例如遠(yuǎn)程手術(shù)和無人駕駛的車聯(lián)網(wǎng)（如救護(hù)車）通信。這種場(chǎng)景的主要要求是高可靠性和低延遲。例如，有模型所需的中斷概率大約等于10-7 ，并且端到端延遲為 1 ms。

2.4 無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)

無線區(qū)域網(wǎng)絡(luò)是5G網(wǎng)絡(luò)的最后一種設(shè)置。此方案的主要目標(biāo)是為與人口稀少的偏遠(yuǎn)地區(qū)提供新的應(yīng)用程序。該場(chǎng)景的主要要求是與直徑大于50公里的小區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)距離通信。

3 實(shí)現(xiàn) 5G 網(wǎng)絡(luò)要求的重要技術(shù)趨勢(shì)

3.1 設(shè)備到設(shè)備（D2D）通信

D2D通信是5G網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要趨勢(shì)。所述技術(shù)可用于兩種不同的方法：第一種方式是一個(gè)終端與其他終端以增強(qiáng)基站和終端之間的通信特性的方式協(xié)作；第二種方法是一個(gè)終端直接與另一個(gè)終端通信，而不包括基站。設(shè)備到設(shè)備的通信可以提高信道可靠性，提升系統(tǒng)吞吐量，降低運(yùn)營(yíng)成本和能源消耗。D2D中的直接通信允許多個(gè)D2D鏈路同時(shí)共享相同的帶寬，從而增加系統(tǒng)流量的容量。此外，通過直接通信方法（與通過基站的通信相比）可以提高信噪比，因此可以使傳輸功率最小化，從達(dá)到而節(jié)省能耗或拓寬鏈路容量。最后，通過D2D直接通信也可以減少無線電鏈路的延遲。

3.2 人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)

無線網(wǎng)絡(luò)中的智慧健康及醫(yī)療保健應(yīng)用仍處于初級(jí)階段，并正在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助下逐步發(fā)展，以使網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)更加智能。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、拓?fù)浜蛡鞑ツＰ鸵约?G網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性可能很復(fù)雜。因此，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)可以在協(xié)助和管理網(wǎng)絡(luò)中的不同資源方面發(fā)揮重要作用，從而使網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)更加智能，進(jìn)而運(yùn)用到智慧健康及醫(yī)療保健的應(yīng)用中。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)可以通過以下三種不同的方式部署在網(wǎng)絡(luò)中：

1）對(duì)于快速?zèng)Q策和低計(jì)算能力，人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以嵌入到網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)終端設(shè)備中。

2）對(duì)于低延遲的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)邊緣的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)引擎可以在執(zhí)行實(shí)時(shí)計(jì)算和快速?zèng)Q策方面發(fā)揮重要作用。

3）對(duì)于醫(yī)療數(shù)據(jù)分析所需的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和大量計(jì)算，可以將人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)嵌入到集中式系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

4 開放性的問題和挑戰(zhàn)

除了上文提到的優(yōu)勢(shì)之外，在將IoT和5G通信應(yīng)用于智慧健康及醫(yī)療保健方面還存在許多挑戰(zhàn)和待研究解決的問題。表1介紹了特征、優(yōu)勢(shì)和未來的研究方向。

表1 未來研究面臨的挑戰(zhàn)

5 結(jié)論

綜上所述，5G通信將在智慧健康及醫(yī)療保健和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。從功能和經(jīng)濟(jì)角度來看，智慧健康及醫(yī)療保健和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用在5G通信的普及方面也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在本文中，我們從不同的角度突出了各種應(yīng)用，并在智慧健康及醫(yī)療保健的范圍、頻率、功率使用和數(shù)據(jù)速率方面比較了短距離和遠(yuǎn)程通信技術(shù)。此外，針對(duì)5G通信的不同需求（即增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、海量機(jī)器類通信、低時(shí)延和高可靠性通信、無線局域網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)），考慮了不同的場(chǎng)景，呈現(xiàn)了不同的技術(shù)。最后，我們提出了應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)及5G通信的智慧健康及醫(yī)療保健產(chǎn)業(yè)存在的開放性問題和未來研究方向。由于智慧醫(yī)療健康的獨(dú)特特性，未來還需進(jìn)行大量研究工作，希望本文能夠?yàn)橹腔劢】导搬t(yī)療保健領(lǐng)域的從業(yè)人員提供啟發(fā)。