1 引言

第5代移动通信技术（5G）是一种新型移动通信网络和我国战略性新兴产业，为各行业的新一轮创新发展奠定了传输基础。医学作为最能体现前沿科技和保障民生的重要领域，依托5G技术的成熟和落地，在移动应用、数据共享、技术创新、物联网开发等多个方面有着极为丰富的应用场景。国际电信联盟（ITU）定义了5G的三大并行技术架构，也是显著区别于4G的技术优势，即增强移动宽带（eMBB）、超高可靠低时延通信（uRLLC）和海量机器类通信（mMTC）。当这些特点分别与医疗实践的不同环节结合，可呈现出令人憧憬未来医疗卫生服务的前景。本研究旨在讨论5G的技术革新可能对未来医学实践的一些影响，并以复旦大学附属华山医院基于5G框架的神经学科智慧诊疗体系为例，阐述具体的应用价值。

2 5G通信助力远程医疗

5G通信能够提供更快、更好的移动网络连接，并为现有移动设备提供更多的应用。5G通信的增强移动宽带相对4G通信而言有着颠覆性的改变。5G通信的设计峰值速率可达到10~20 Gbit/s，是4G通信的10倍以上，可满足高清视频、虚拟现实等大数据量传输。在全球新型冠状病毒流行期间，远程医疗的使用出现了前所未有的增长，最明显的形式是基于远程会议系统的网上门诊、网络多学科会诊 （MDT）和使用各类网络会议程序开展的工作和学术会议。这些线上会议，参会人数从几人至几万人不等，部分会议时长可持续数日。根据不完全统计，2019年至今视频会议的使用在全球增长超过1000%[1-2]，同时线上会议不再局限于某个固定地点，而4G或其他移动网络无法保证通信质量。在最近的1项调查中，约42%的受访者表示对大型网上会议的沟通质量存在顾虑，尤其是当大型会议开展交互活动时，通信延迟和网络稳定性的问题变得极具挑战性[3]。5G通信在连接性、带宽和延迟速度方面的改善能缓解上述大部分的问题。未来5G通信基于增强移动宽带的进一步应用是可预期的，但还需要对智能手机和终端设备进行改进，使其更适应医疗领域的应用。 

复旦大学附属华山医院于2019年年初与上海联通在各院区实现了5G网络覆盖，并开通了视频会诊、远程门诊、空中医院等多个门户应用。在神经内科与神经外科等重点学科，仅2019年上半年就实现2万余人次的云门诊服务和数千小时的视频会诊。在后续的反馈调查中，患者的满意度超过95%，这一结果超出了预期。因为视频/远程门诊具有先天的短板，即医生无法对患者进行系统的体格检查。但是，这一短板似乎被高带宽所提供的高清视频流和高速影像资料传输所弥补。国外曾开展过类似研究， 证实远程医疗系统在多媒体的支持下，可以部分替代神经系统体格检查，并辅助医生诊断[4-5]。另外， 在2020年上海世博会期间，华山医院还展示了基于5G网络的全息影像诊室，通过该技术，患者可以身临其境地和医生进行交流，医生也能在诊室内通过“近距离”观察患者的动作、表情、反应等做出相应诊断。

3 神经医学远程手术探索

在医学和神经外科领域，正逐步探索远程和增强现实手术。中枢神经系统是人类最为复杂的器官， 而神经外科手术，也是外科学各亚专科中最具挑战性的。 

传统神经外科手术方式是先根据核磁共振、CT等影像学资料，判断病症的确切部位，以此制定手术方案。以切除脑肿瘤为例，为确保全面暴露病灶，手术的切口往往相对较大，但即便如此，手术医生由于无法看到全部病灶及周围组织，手术过程中存在损伤深部重要血管、神经的风险；但如果过于 “谨慎”，又可能造成术野暴露不全、肿瘤残留、止血困难等。另外，患有神经系统疾病的患者不乏急需手术的患者，其中典型的例子就是缺血性脑卒中的取栓术和颅内动脉瘤破裂后的介入或开颅手术。 多项临床研究证明，及时取栓对急性缺血性脑卒中患者的益处，呈现明显的时间依赖性[6]。Goyal等人在2016年的荟萃分析中指出，手术每 延迟4 min，每100名患者中就会增加1例重残，也验证了“时间就是大脑”的说法[7]。然而，我国是人口大国，目前虽然已有超过11000名 注册神经外科医生，但平均每10万人口仅0.86名神经外科医生，位列世界52/162[8]。另外，具备复杂手术经验的神经外科医生大多集中在东部沿海以及各省会城市。当这些患者急需手术时，有手术能力的医生并不一定能及时赶到。因此，远程手术这一概念，一经提出就备受关注。 

然而，远程手术的实现并不容易。2001年9月7日，纽约的一个医疗团队通过远程操作“宙斯” （ZEUS）机器人系统，为7 000 km外的一位法国女患者实施了胆囊切除术。这是世界首例远程手术，被誉为林德伯格手术（像当年的飞行员林德伯格一样，实现了对大西洋的地理跨越）。该手术虽然仅用时45 min，但为了保持网络的稳定性和低时延，架设了一条跨越大西洋的高带宽的光纤电缆，相关基础设施支出达1 100万美元[1]。现今在5G网络超高可靠低时延通信的环境下，实现远程手术已经不需要如此大的投入，同时可保障远程手术的网络需求。根据外科医生与机器人的相互作用，可将远程手术大致分为：①监督控制，在这种模式下，医生提前设置手术程序，而后交给机器人自主执行；②共享控制，即外科医生和机器人共享对手术器械的控制；③远程手控，外科医生通过远程连接控制手术室内的机器臂进行手术[9]。目前，由于硬件等条件的限制，还缺乏适合神经外科远程手术的机器人系统。目前名声在外的达芬奇手术系统由于其 设计的限制，影响了它们在神经外科的应用。但是利用5G通信技术 开展远程神经外科手术在未来很有可能会实现突破，例如西门子公司在2019年以超过10亿美元的价格收购了Corindus血管机器人公司的技术，该技术团队已经可以在猪身上开展远程神经介入手术[10]。 

在国内，不少医疗机构也在尝试利用5G网络开展远程手术。例如，北京医疗团队为3 000 km以外 的患者开展深部电刺激手术；以及利用国产TiRobot系统远程开展胸腰椎椎弓根螺钉植入操作等。复旦大学附属华山医院也于2021年在上海为远在西藏的医疗队实施5G神经导航颅内肿瘤切除术，并取得了良好疗效。当然，这些并不是真正完整的远程手术，而是利用5G网络来处理相关的成像数据，并创建导航或者轨迹数据，手术本身还是需要现场医生完成的。但这些是最终实现5G远程实时手术的基础和必经之路。见图1。

以复旦大学附属华山医院的5G架构神经导航手术系统为例，系统含有影像数据三维重建、三维数据可视化、病灶自动标注、手术规划及导航、增强现实等功能模块。具体包括：

（1）影像数据预处理：在5G网络支持下，患者CT和磁共振数据以平均500 Mbps的速度传入云工作站，进行预处理和自动、半自动分割，得到肿瘤等病灶和重要血管、神经的标注，由轮廓线重构病灶和其他组织的表面模型，使用体绘制和面绘制混合绘制脑部三维模型，提供多角度、多深度和任意剖面的显示。 

（2）术前规划：基于预处理绘制结果，通过对模型的多角度观察，进行手术路线设计。 

（3）移动终端回传：将手术方案及预处理模型以同样速率回传至医生移动终端或头戴式终端，以增强现实的方式进行投射，并可同时开展定位、导航等操作。 

（4）远程监督与术中指导： 在远程使用场景中，专家可在异地通过不超过1 ms的低时延网络通 信，共享术前规划和模型数据，并可以实时监督手术的开展，在关键手术步骤进行指导操作。 

目前，该系统已在超过300例颅脑手术患者中应用。全院影像数据传输上行速率平均103.7 Mbps，下行速率为1 009.9 Mbps，传输速度是4G环境下的9倍。远程导航应用中， 影像时延不超过20 ms，是4G环境下的1/5。

4 临床精细化管理

医院智能化诊疗、精细化运营、精准化服务等方面的需求有突破性提升，根据医院临床需求，逐步向耗材管理、医疗质量控制等方面有序延伸。 

利用5G海量机器类通信的特点，可以提供机器之间的连接，以创建物联网。具体而言，在5G网络中，可以提供大量设备的连接。 这不仅仅包括手机与电脑的连接， 还包括之前人们从未想过可连接的对象和设备。这些设备偶尔向彼此和网络中的用户传输数据， 被形象地称为“机器与机器之间 的对话”。未来，5G的根本能力将体现在能够托管数十亿台间歇连接到网络的互联设备，而不会降低网络速度，这就是众所周知的物联网的本质。民用联网设备包括家用电器、智能灯、无人机等。在医疗领域，基于物联网概念打造的植入式医疗传感器和智慧病房/手术室等正逐渐吸引人们的注意。例如， 神经外科治疗脑积水的常用术式之一为脑室腹腔分流术，需要在皮下植入压力阀以调节脑脊液的流量。 流量过低或过高都会对患者造成损害。传统分流阀工作状态的评估和调整需要患者面诊医生，并用特殊的工具（通常为磁性调节器）进行。而最新一代的分流阀（如正在申请上市的Vivonics分流流量计） 嵌入了芯片等硬件，可向医生远程发送压力阀的设置、运行状态（是否有堵塞、感染等）。5G通信支持的物联网允许将这些信息发送给医生或其他联网设备，以简化随访和影像检查等工作。 

神经重症监护病房（NICU） 和手术室是数据特别集中的区域， 这里集中了大量的监护设备、精密器械、贵重耗材，用于救治重症和需要手术的患者。这里也是未来海量机器类通信最能发挥其潜力的场所之一。例如，神经外科医生或神经重症监护医生可以通过5G网络从NICU的监护仪连续读取测量参数，如果达到某一阈值，会立即通过电子设备向他们发出警报，降低患者发生不良事件的风险。手术室管理员可以通过物联网，随时了解各手术房间患者转运、耗材使用、 物资储备、消毒灭菌情况等，压缩手术室空置时间，提高使用效率。 日本学者在2018年曾提出智能网络手术室（SCOT）的概念，计划将神经外科手术室内的所有设备和机器联网和整合，将它们无线连接起来，将所有数据沿同一时间轴对齐，并设计人工智能算法，在手术的每一刻，通过访问不同的设备， 即导航、显微镜、麻醉机等，实时 监测手术并发症或预测手术是否预期顺利结束。

 复旦大学附属华山医院从2021年开始进行智慧手术室建设，目前手 术室已实现5G网络覆盖，10间手术室配备超高清手术摄像机和5G网络手术直播设备，累计开展5G手术直播和教学超过2 000 h。同时，正在完善手术室器械储备实现动态化管理，可以针对后续手术智能调配，构建安全保障体系，为医护规范与安全保障提供有利条件。

5 总结与展望

总体而言，随着5G时代的到来，5G通信技术对于医疗行业已经产生了一定的影响。5G通信技术带来网络层的全面提升，很大程度上满足了医疗实时性、高效性以及稳定性的需求，为临床医学创新应用，包括远程会诊、远程手术、精细化管理等带来了新的契机与活力，丰富的应用形式拓展了医疗模式与手段，提供了更多的选择空间。 

未来，5G移动通信不仅代表着对现有4G移动通信的改进，更将成为一个稳定和高效率的平台，而基于这个平台所开发的新应用，对于常规医疗服务和神经医学的影响将是颠覆性的。虽然5G架构下神经医学的全面应用还处于探索研究阶段，还需要不断推进相关配套技术和设备的同步开发，以持续推动5G架构下的神经学科智慧诊疗应用创新。目前，国内不少医疗机构已经开展了多种5G医疗应用场景。复旦大学附属华山医院作为国家神经疾病医学中心、神经系统疾病诊疗规范的重要制定者和新技术的创行者，将携手跨学科团队，走在医学数字化和互联网医疗的前沿。

参考文献

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