5G技术在超声医学课程教学中的应用场景研究

岳梅 张叶江

超声医学专业的目标是培养具有临床医学和超声医学的基础理论知识，能在医疗机构从事超声医学成像、诊断、治疗、研究等方面工作的专门人才。常见的超声诊断技术包括A 型法、B 型法、M 型法、多普勒超声法等。当前，超声医学已从单纯的辅助检查，发展到诊断与治疗并重[1]。超声医学也成为临床医学本科生培养的重点内容之一。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[2]。2019 年6 月6 日，工信部向中国移动等四家电信运营企业发放了5G 商用牌照，中国进入了5G 元年。5G 技术将会对超声医学课程教学带来巨大影响，各医学院校应提前研究抢先布局，以期在未来超声医学课程教学改革中实现教学水平和科研水平双提升。

1 超声医学课程教学存在问题

以1958 年上海市第六人民医院周永昌等与汕头超声仪器研究所姚锦钟共同研制了我国第一台超声诊断仪作为标志[3]，我国超声医学发展至今已有60 多年的历史。目前，超声医学已在疾病预防、诊断和治疗中广泛应用。与此同时，超声医学课程教学也取得了显著进步，但仍然存在一些突出矛盾，具体表现如下。

1.1 课时安排严重不足，课堂教学不够深入

超声医学是声学、医学、光学及电子学相结合的学科，研究对象是高于可听声频率的声学技术在医学领域中的应用，包括超声诊断学、超声治疗学和生物医学超声工程，具有医、理、工三结合的特点。但由于医学生学习科目较多，超声医学教学课程总体课时安排有限，一般6 个学时左右，主要内容仅包含超声基础知识、前沿进展、腹部、心血管、妇产科及小器官等[4]。由于超声医学设备硬件结构复杂，数据采集、数据处理及图像处理均比较复杂，需较强的空间想象和思维能力。在讲解超声成像原理时，老师往往是以点带面，仅挑重点进行讲授，知识点相对分散，导致学生对超声医学的了解比较片面，难以系统地掌握超声医学的相关知识。

1.2 理论与实践相分离，学生动手能力不足

随着信息技术不断发展，超声诊断技术也越来越趋向智能化和信息化[5]。在超声医学课程教学中，使用的超声医学设备价格相对昂贵。由于部分医学院校办学经费有限，实验室配置的超声诊断设备陈旧，无法满足最新的教学需求，仅能够进行基础性的实验。超声教学中授课教师只能借助一些静态图片来对超声诊断设备的工作原理进行说明，而已在临床医学广泛应用的新型设备则鲜有触及。众所周知，超声检查的手法十分关键，但手法需要大量实践才能逐步掌握。由于条件限制，超声课程教学时学生缺乏足够的实际操作机会，导致走到工作岗位上时动手能力明显不足，会出现漏诊或误诊，容易引发医患纠纷。

1.3 课堂教学方式传统，优质资源共享困难

由于经济发展水平及历史积淀存在较大差异，导致我国超声医学的优质教学资源分布不均，主要集中在北京、上海等几所顶尖医学院校。近年来兴起的远程教学系统本应成为打破时空距离、实现优质超声教学资源共享的解决之道，但由于公网传输带宽低和时延大，远程传播时会频繁出现视频卡顿、图像和音频不同步等现象，教学感知较差；而专网成本费用较高，部分院校办学经费本来就捉襟见肘，在开通专网时就望而却步。超声医学课程教学目前仍依赖于师生面对面讲授，教学过程管理则以学生到教室签到为主，学生不到教室上课时，正常的教学活动就会受到影响。部分参加继续学习的学生由于各种原因无法正常参加现场授课，会缺失部分课程内容。另外，长期的教育资源失衡会导致教育不公平，国家医疗扶贫的好政策落实也会大打折扣，不利于整个社会和谐发展。

2 5G 及相关技术与超声教学契合点分析

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，是继4G 之后的移动通信技术的重大突破。按传输速率、可靠性以及大规模连接三个方向，5G 网络主要有增强型移动宽带（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。对普通用户而言，5G 最大的特点是网络覆盖更好，体验速率更高。按照技术标准规定，5G 的峰值速率可达20 Gbps，广覆盖场景下用户体验速率可达100 Mbps 以上，而热点高容量场景下用户体验速率更可达1 Gbps 以上。另外，URLLC 高可靠低时延场景支持的单向空口时延最低为1 ms，连接可靠性达99.999%[6]。

2.2 4K/8K 技术特点分析

4K/8K 技术是最新的超高清视频编码技术，由国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）于2012 年发布。其中，超高清4 K 水平清晰度3 840，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。画质的提升，带来的是对码率和分辨率的要求远远高于传统标清及高清视频，这对网络的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应用需求。表1 列举了各类视频业务对码率及接入带宽的要求[7]。

5G 技术的高速率和低时延的优势，将能满足远程教学等4K/8K 超高清视频传输要求，实现视频不卡顿、画面与音频信息同步播放，用户感知将获得极大提升。可以预见，5G+4K/8K 技术将会融合发展，对超声课程教学模式产生巨大影响。

3 5G 技术在超声医学课程教学中的应用场景研究

4G 改变生活，5G 改变社会。“信息随心至，万物触手及”将会是5G 技术应用的生动体现。作为未来IT 技术的基础设施，5G 网络将凭借其“大带宽、低时延、大连接”等优势，与4K/8K等技术一起，在实现超声医学O2O 课程教学、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，重构超声医学课程教学模式。

3.1 5G+泛在学习网络，实现超声O2O 课程教学

5G 时 代，4A 学 习 模 式（Anybody，Anytime，Anywhere，Anydevice，4A），即任何人任何时间任何地点都可以通过任何设备访问网络进行学习的模式，将得以实现。由于5G 网络具有大带宽和低时延的优势，超声医学教育资源的获取将更加方便快捷。超声医学教育资源将实现数字化，以视频、音频、多媒体课件等形式存储在云端，医学生可通过手机屏、电脑屏和电视屏等智慧媒介，快速访问云端丰富的医学资源。人工智能技术（Artificial Intelligence，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[8-9]。授课教师可将精心设计与提炼的课程背景、复习和预习等资料提前放到云端，学生访问学习后带着疑问进入课堂学习。如此，建立与形成由课前疑问、课堂讨论、课堂测验等要素相互贯通的全生命周期课堂教学法。5G+泛在的学习网络充分利用了课前课后时间，能有效延长超声医学教学时长。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，也能增强学生终身学习能力[10]。

3.2 5G+PACS 还原真实案例，提升超声实践教学效果

超声医学课程教学中，临床实践操作是必不可少的[11]。需要在学生在熟识理论基础和超声诊断思路的基础上，强化超声医学教育中的临床实践操作能力。这个过程中，需要让学生接触大量的真实诊断案例，一个重要方法是在教学中引入PACS 影像系统。PACS 系统即影像归档和通讯系统（Picture Archiving and Communication System，PACS），是医学图像的获取、显示、存贮、传送和管理的综合系统[12]。在符合法律规定和隐私保护的前提下，借助5 G 网络技术，教师在教室中即可查阅PACS 系统中的影像资料、临床病史及实验室检查等丰富的医学信息，学生能看到大量生动的真实诊断案例，可以对比静止图像及动态图像的差异，看到最清晰的图像细节。与传统PPT 上的案例图片相比，教学效果将会有明显提升。这种方式可以加深学生对临床理论课及其超声医学的认识，培养超声图像的综合诊断能力，将临床理论知识与超声医学实践融会贯通，能提高学生的学习热情及调动主观能动性[13]。5G+PACS 还原真实案例教学模式，能在一定程度上缓解由于超声诊断设备价格昂贵导致的实践教学缺失的问题。

3.3 5G+4 K/8K 远程教学，超级大课实现资源共享

视频教学可以能够有效突破空间和时间的限制，如视频教学可以从多方位了解具体的解剖结构，使得医学教学的内容精简化，提高学生的学习主动性，激发学生的兴趣爱好[14-15]，以“高清摄像头+5G 网络+4K/8K”为主要设备构成的远程教学系统，将会广泛应用在跨地区、跨学校的“超级大课”中。校际之间的授课可以实时直播，形成顶尖名师与优质课程资源共享的“课程联盟”。利用信息技术可以实现多地、多教师共上讨论课的情形，即所谓“多中心协同教学”[16]。基于远程会诊平台的超声医学授课模式，不仅让学生能够更加清晰地认识疾病的超声声像图表现，还可以更加直观地了解超声检查的操作流程，特别是超声新技术的操作流程[17]。5G 远程教学将极大延伸优质超声医学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，普通医学院学生也能接触到最优质的教育资源[18]，深入贫困地区的高质量教育成为可能，真正实现一块屏幕改变的命运。

4 结语

正如前文所言，超声医学是一门需要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。各医学院校，尤其是西部相对落后的医学院校，更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，打造5G 智慧校园，实现医学教育数字化、信息化和智能化[19]。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