5G技术在医学影像学教学中的应用场景研究

岳梅 张叶江

医学影像学专业的目标是培养具有临床医学和医学影像学基本理论知识、能在医疗机构从事医学影像成像、诊断、治疗等方面工作的医学高级专门人才。截止到2012 年全国已有115 所本科院校开设了医学影像学专业，且仍在在逐年增多。医学影像技术已在临床广泛应用，医学影像学的教学也非常重要。但目前各院校办学水平参差不齐，教学过程中也会出现各种问题[1]。教育部在2018 年发布的《教育信息化2.0 行动计划》中明确指出：加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设。适应5G 网络技术发展，服务全时域、全空域、全受众的智能学习新要求。作为未来IT 技术的基础设施，5G 将与云计算、AR/VR、4K/8K 视频传输等技术一起，深刻改变医学影像学教育形态。各医学院校要借5G 之东风，革除传统教学弊端，实现教学水平和科研水平双提升。

1 影像医学教学中存在的问题

现代医学影像经历了 X 射线（1895—1940），放射学（20 世纪 50—60）和现代医学影像（70 年代初至90 年代）三个阶段[2]。医学影像检查已与心电图、体格检查、血液检查一起，成为四大常规体检项目。作为医学影像学发展的重要阵地，各医学院校的影像学课程教学也取得了显著进步，但仍然存在部分问题，表现为：

1.1 涉及学科众多,课程内容枯燥。

医学影像学属于医学、工程学和计算机技术的交叉学科，涉及物理、数学、化学多门理论学科。医学影像学的发展受益于现代计算机技术的突飞猛进，其与图像处理，计算机视觉，模式识别技术的结合产生了一个新的计算机技术分支——医学图像处理。医学影像设备硬件结构复杂，数据采集、数据处理及图像处理的过程比较深奥，需较强的空间想象和思维能力[3]。由于课时有限，任课老师只能以点带面，挑重点进行讲授。各门理论课程知识点分散，学生难以系统地掌握医学影像学的相关知识。

1.2 教材内容过时，教学设施陈旧。

以普通 X 线设备的原理教学为例，《医学影像成像学原理》、《医学影像设备学》等传统教材已经跟不上现代医学技术的需求，然而不少院校仍依赖这种书本进行教学[1]。超声诊断仪器等医学影像设备价格昂贵，普通医学院校无足够教学经费，配置的教学设备的质量和数量无法满足实际教学需求。因此，在讲解各类成像设备的原理和结构组成时，教师只能借助一些静态图片进行说明。由于教学条件限制,学生对当前临床医学中常用的大型数字化的设备认识不足，理论与实践结合的能力也有欠缺。

1.3 优质资源失衡，教学依赖面授。

由于历史原因及经济发展水平的差异，我国医学影像学优质教学资源分布失衡严重，具体表现为东部地区与西部地区区域间分布不均衡、发达城区和贫困农村城乡间分布不均衡、顶尖名校和普通高校校际间分布不均衡。由于经济条件和技术条件限制，医学影像学前沿知识共享困难。医学影像学教学仍依赖于传统课堂面授，教学过程管理则依靠学生到教室签到为主，学生不到教室会影响正常的教学活动开展，部分在职学习学生由于各种原因无法正常上课。无设备、无教师、无资源已成为教育公平的拦路虎，教育不公平已成为长期迫切解决又难以解决的顽疾。

2 5G 技术与其他新技术特点分析

教育教学的实施过程本质上就是信息的传递与交流的过程。因此，信息技术的发展与应用也会从根本上影响教育的形态。当前，5G 技术和云计算、增强现实/虚拟现实（AR/VR）和4K/8K 视频编码技术正快速发展，并加快应用落地。分析上述技术的优势和特征，有利于正确理解其应用场景。

2.1 5G 技术特点分析

5G（the Fifth Generation Network）是指第五代移动通信网络。5G 按传输速率、可靠性以及大规模连接三个方向划分成增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低时延通 信（Ultra-Reliable Low latency Communications，URLLC）、海量机器类通信（massive Machine Type Communications，mMTC）三大应用场景。5G 采用大规模天线（64T6R）、多发多收（Missive MIMO）、超密组网等最新无线通信技术，覆盖范围比4G 网络更广，网络可获得性更强[4]。5G 下行理论峰值速率可达20 Gbps，上行峰值速率达10 Gbps，用户速率可达100Mbps-1Gbps，能够支持虚拟现实等极致业务体验。另外，5G 传输时延可降低到毫秒量级[5]，可满足远程医疗等对时延和可靠性要求极高的业务需求。

2.2 其他新技术特点分析

当前，云计算、增强现实/虚拟现实（AR/VR）和4K/8K 电视技术等技术研究正方兴未艾，它们将会和5G 技术一起，催生一系列能深刻改变医学影像学教学的应用场景。

2.2.1 云计算（Cloud Computing）是与信息技术、软件、互联网相关的一种服务，这种计算资源共享池叫做“云”。云计算的核心是可以将海量的计算机资源协调在一起，通过软件实现自动化管理。通过这项技术，可以在很短的时间内（几秒种）完成对数以万计的数据的处理，从而达到强大的网络服务[6]。简单而言，云计算就是一种提供资源的网络，使用者可以随时获取“云”上的资源。通常，它的服务类型分为三类，即基础设施即服务（Infrastructure as a Service，IaaS）、平台即服务（Platform as a Service，PaaS）和软件即服务（Software as a Service,SaaS）

2.2.2 增强现实/虚拟现实（Augmented Reality/Virtual Reality，AR/VR）也被称为扩增现实，是促使真实世界信息和虚拟世界信息内容之间综合在一起的较新的技术内容。AR 的三大技术要点是三维注册（跟踪注册技术）、虚拟现实融合显示和人机交互。AR 能显著提高信息索取的效率、实用性及交互性[7]。虚拟现实技术VR 又称灵境技术，囊括了计算机、电子信息、仿真技术于一体，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。AR 广义上是VR 的扩展。通过大量的实验表明，AR/VR 能促进教育发展，提升学生的注意力和学习兴趣，让学生获得极强的沉浸感，显著提高学习效果[8]。

2.2.3 4K/8K 电视技术 国际电信联盟（International Telecommunication Union，即ITU）于2012 年8 月23 日发布了超高清电视（Ultra HDTV）的国际标准：ITU-R Recommendation BT.2020。其中，超高清4K 水平清晰度3840，垂直清晰度2 160，宽高比16：9，单帧画面达830 万像素；而超高清8K 水平清晰度7 680，垂直清晰度4 320，宽高比16：9，单帧画面达3 320 万像素。画质作为电视的核心要素，4K/8K 从本质上提升了电视的表现力，让用户能够感受到前所未有的视觉盛宴。但是，4K/8K 视频对码率和分辨率的要求远远高于传统标清及高清视频，这对网接入带宽提出了极高的要求，需要新一轮的网络技术升级才能满足需求。下表列举了各类视频业务对码率及接入带宽的要求（见表1）：

需要指出的是，无论是云计算，AR/VR，还是4K/8K 传输技术，对网络带宽及时延要求都极高，而5G 的应用出现恰逢其时。5G 能完美适配上述技术对网络带宽和传输时延的要求，可谓天作之合。

3 5G 在医学影像教学中的应用场景研究

5G网络将凭借其“大带宽、低时延、大连接”等优势，将实现“信息随心至，万物触手及”的壮丽景象。作为未来IT 技术的基础设施，将与云计算、AR/VR、4K/8K 等技术一起在教学全生命周期管理、还原真实案例教学场景和促进优质资源共享等方面发挥重要作用，重塑传统医学影像学教学模式。

3.1 5G+云计算助力O2O 教学，实现教学全生命周期管理

3.1.1 更加智能的知识触达方式。借助5G 网络和云计算等技术，重新整合医学院校优质教育资源，学校将变成新型的学习中心[11]。5G 技术背景下，获取医学影像的教育资源将更加快速和便利。医学影像学教育资源将实现数字化，以视频、音频、多媒体课件、电子文档等方式储存在云端，医学生可通过手机屏、电脑屏和电视屏等智慧媒介，借助超高速、低时延的5G 网络，快速访问云端丰富的医学资源。人工智能技术（AI）将根据学生搜寻内容，智能推荐医学资讯、文献、慕课（MOOC）等资源，实现所想即所见，所见即所得。

3.1.2 实现教学全生命周期管理。教师可使用现代教育技术手段，精心设计与提炼学习资源，充分利用立体化教学资源[10]。5G技术背景下，可有效延长医学影像课程时间长度和跨度。学生可以通过PAD、手机终端等智慧媒介，提前进行访问学习云端资源，并带着问题进入课堂学习。如此，建立与形成由课前疑问、课上讨论、互动教学、课堂作业、课堂实验等要素相互贯通的全生命周期课堂教学法。通过线上自主学习+线下课堂教学的O2O 教学模式，搭建起师生高效互动平台，提升学生的学习兴趣和学习效率，也为学生未来的终身学习和持续增值夯实基础。

3.2 5G+增强现实/虚拟现实技术（AR/VR），还原真实案例教学场景。

5G+AR/VR 教学是一种多人同步、实时互动、让参与者置身于虚实结合的教学方式,是以后教学领域的发展方向。对于实验环节，学生们在 AR 设备的帮助下，能以不同的视角看到老师操作虚拟化的实验器材，在现实世界共同打造虚拟世界。医学影像学教学会用到大量真实案例。在满足患者隐私保护和相关法律规定的前提下，教师可以通过超高速低时延的5G 网络，快速访问PACS 等医学影像系统，寻找合适的病案作为课堂案例。利用AR/VR 技术、全息投影技术等高科技，真实还原各类影像设备检查场景，给人身临其境的感觉，提升影像医学生理论与实践相结合的能力。

3.3 5G+4K/8K 打破时空限制，促进优质教育资源均衡分布.

以“高清摄像头+5G 网络+4K/8K”构成的远程教学系统将会广泛使用。校际之间的授课可以实时直播，形成教师与课程资源共享的“课程联盟”[11]。以优质现场教学课堂点为中心，可辐射到全国各地医学院校的影像专业学生，跨学校、跨地区、多层次的“超级大课”将会成为现实。5G 远程教学将极大延伸优质医学影像教育资源的覆盖半径，实现优质教育资源下沉。5G 远程教学可以解决顶尖医学院校与普通医学院校优质教育资源不均的问题，实现跨区域跨校际优质资源共享，普通医学院学生也能接触到最优质的教育资源[12]，贫困地区的高质量教育成为可能。

4 结语

医学影像学是一门理论与实践紧密结合的学科。高校课堂具有开放性强、知识面广、教师水平高等特点，历来走在信息技术运用的前沿阵地。作为未来IT 技术的基础设施，5G 将与云计算、AR/VR、4K/8K 等技术一起，在学生自主学习、影像学实践教学和实现优质资源共享等方面发挥重要作用，彻底颠覆传统医学影像学教学模式，对医学影像学的教学和发展起到重要作用。各医学院校应立足自身核心竞争优势，紧跟5G 及相关技术发展趋势，提前研究抢先布局，积极与中国移动等领头羊企业合作，打造5G智慧校园，实现医学教育数字化、信息化和智能化[13]。不断提升学校信息化学习环境建设与应用水平，提高师生信息技术应用能力和创新能力。

表1 8K、4K、高清、标清视频编码及码率比较表[9]