智慧健康及医疗保健产业发展的热点技术趋势：物联网及5G通信

李 瑾 景意新

（1.中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510663；2.威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

随着人口的急剧增加，以及人们对健康关注度的日益提升，传统的医疗保健已无法满足每个人的需求。近年来，尽管我国在医疗健康领域拥有越发完善的基础设施和尖端技术，但并不是每个人都能获得或负担得起高水平的医疗服务。智慧健康产业的目标之一是帮助用户掌握他们的健康状况并保持他们的健康意识。智慧健康与医疗保健产业结合，可以使用户能够自行应对一些紧急情况。它强调健康管理、提前预防，助力最大限度地利用可用资源，且有助于对患者进行远程监控，并降低患者的治疗成本。通过远程问诊、远程治疗，还可以帮助医生在没有任何地理障碍的情况下拓展他们的服务范围。随着智慧城市的发展趋势不断显著，有效的智慧健康及医疗保健系统可提升人们的健康生活体验。

智慧健康及医疗保健产业的一大特点是运用互联技术，即指任何可以远程操作的数字医疗健康解决方案，具有持续监测健康、紧急检测和自动提醒等适合使用者不同需求的附加服务。互联健康技术主要侧重于通过实现自我健康监测和护理并辅以远程问诊及护理来提高医疗保健质量和效率。

近年来，物联网的迅速发展，极大程度上促进大健康产业的智慧化转型，并可以降低医疗设备的成本。快捷稳定的网络是保障物联网实现的基本要求，5G 网络在实现智慧健康物联的广泛应用层面将发挥重要作用。在5G 网络的应用中，智慧医疗是最重要的应用之一。

在智慧医疗保健中，物联网可以改善多种应用，包括医院的资产管理、行为变化监测、远程监测、治疗依从性监测、辅助生活、更智能的药物治疗和远程医疗，这些应用将在不久的将来的医疗保健产业中发挥重要作用。近年来，医疗健康领域也开发出了许多用于集成移动通信、电子健康和网络服务的应用程序。如通过仪器电子记录的健康数据，在便携式设备中分析检查健康状况的应用程序；用于评估和饮食检查的智能健康应用程序；通过引入基于移动网关的 IoT 应用程序，用于移动健康环境中的智能辅助；在由传感器组成的无线网络中，使用可穿戴设备进行健康监测和医疗检查。物联网也是构建电子健康平台时搜集和提供健康数据，用于健康分析及提前进行医疗干预的重要途径。

在 5G 网络中，机器对机器 （M2M）通信和物联网（IoT）有望成为实现智慧健康及医疗保健的主要支柱技术。上述技术将面临两个主要挑战：

1）首先是大量终端导致网络超密集（例如，每平方千米内大约有106个连接。IoT和M2M的应用需具备决超密集化和可扩展性问题的解决方案。

2）其次是由于依赖于无线传感器网络的基于物联网的应用的性质（例如，特定情况下所需的最短电池寿命为10年）。

关于 5G 网络部署和商业化的研究始于2014年，现阶段已完成基本部署。除了网络密集化和对大量物联网设备的支持外，5G网络有望提供更高的数据传输速率。5G网络在设计时考虑灵活和通用性，以支持新的应用程序，这不仅需要高数据速率，还有其他要求：包括大规模连接、密集部署、可靠性、低延迟、高能效和远程通信能力（用于支持基于物联网的智慧健康和医疗保健的应用程序）。

1 物联网医疗健康服务

物联网有望增强各类医健康援助服务，其中每项服务都会提供医疗保健解决方案的组合。但是，医疗保健和物联网医疗保健服务没有标准定义。在少数情况下，服务相对不能与特定解决方案或应用程序分离开来。

1.1 环境辅助生活

环境辅助生活是综合技术和社会环境，旨在为提高人们的生活质量。环境辅助生活的重要应用是以一种有益而安全的方式为老年人居住的地方进行适老化改造。环境辅助生活管理部门提供自治服务，并在出现任何问题时提供远程协助。

1.2 药物不良反应预防

药物不良反应是由于使用医生开出的药物而发生的反应。通常，其是由于使用不寻常药量的结果，或者可能是两种或多种处方混合使用的结果。虽然药物不良反应大体上是通用的，不过建议结合患者个人特质和病例制定解决方案。建立基于物联网的药物不良反应判定提醒系统，通过授权的工具软件扫描条形码或NFC 技术，在药品信息及患者的过敏史等必要信息均实现数字化的前提下，使患者可以自行筛选药物，预防药物不良反应的发生。

1.3 社区健康服务平台

社区健康服务平台以建立本地网络的理念为基础。在智慧城市的概念中，需要建立一个依赖于整个城市医疗中心、农村地区或住宅区的智慧健康物联网系统，其中社区健康服务平台是不可或缺的。社区健康服务平台的架构就像“虚拟医疗保健中心”的基本单元。

1.4 可穿戴设备访问

可穿戴设备访问已针对不同的医疗用途发明了许多对健康无干扰的传感器，适用于依赖 无线传感器网络的医疗健康服务。无线传感器网络也可接入物联网，并提供相同的服务。此外，可穿戴设备（如智能服装、智能手表和智能眼镜等）可能各自具备适合物联网设计的必要组件，然而从不同可穿戴设备的传感器和接口中提取数据并进行分析，是一项具有极大的挑战的工作，而可穿戴设备访服务可以解决这个问题。例如设计一个基于可穿戴设备访的物联网应用模型，使其适用于不同移动设备（如智能手表和智能手机）中的大量医疗健康应用程序，从而通过某个移动设备作为一个端口进行数据收集、统一传输和分析。

2 5G通信场景及需求

成功部署智慧健康及医疗保健系统的关键要求如图1所示。基于这些特点，智慧健康及医疗保健需要5G网络来保障其部署及应用。

图1 智慧健康及医疗保健系统的特性

2.1 增强型移动宽带

这种情况的基本要求是高水平的吞吐量和卓越的流量。 例如，在城市的一般地区和郊区，用户体验的数据速率为100 Mbps，在热点地区，高达1 Gbps；最高数据速率为20 Gbps；并且，容量相当于10 Mbps/m2。 该方案的主要目的是提高网络中的流量容量和数据速率。

2.2 大规模机器类型通信

该场景与无线传感器网络、机器到机器通信和IoT通信有关。 与此方案相关的主要目标是能耗和连接密度。例如，连接密度等于每平方米106个设备并且能耗应该比4G网络提高100 倍，网络中的设备需要的电池寿命为10年。

2.3 低延迟和高可靠性的通信

该场景与超可靠的通信和触觉互联网应用程序有关，例如远程手术和无人驾驶的车联网（如救护车）通信。这种场景的主要要求是高可靠性和低延迟。例如，有模型所需的中断概率大约等于10-7 ，并且端到端延迟为 1 ms。

2.4 无线区域网络

无线区域网络是5G网络的最后一种设置。此方案的主要目标是为与人口稀少的偏远地区提供新的应用程序。该场景的主要要求是与直径大于50公里的小区进行长距离通信。

3 实现 5G 网络要求的重要技术趋势

3.1 设备到设备（D2D）通信

D2D通信是5G网络的一个重要趋势。所述技术可用于两种不同的方法：第一种方式是一个终端与其他终端以增强基站和终端之间的通信特性的方式协作；第二种方法是一个终端直接与另一个终端通信，而不包括基站。设备到设备的通信可以提高信道可靠性，提升系统吞吐量，降低运营成本和能源消耗。D2D中的直接通信允许多个D2D链路同时共享相同的带宽，从而增加系统流量的容量。此外，通过直接通信方法（与通过基站的通信相比）可以提高信噪比，因此可以使传输功率最小化，从达到而节省能耗或拓宽链路容量。最后，通过D2D直接通信也可以减少无线电链路的延迟。

3.2 人工智能和机器学习

无线网络中的智慧健康及医疗保健应用仍处于初级阶段，并正在人工智能和机器学习的帮助下逐步发展，以使网络、系统更加智能。网络设计、拓扑和传播模型以及5G网络中节点的移动性可能很复杂。因此，人工智能和机器学习可以在协助和管理网络中的不同资源方面发挥重要作用，从而使网络、系统更加智能，进而运用到智慧健康及医疗保健的应用中。

人工智能和机器学习可以通过以下三种不同的方式部署在网络中：

1）对于快速决策和低计算能力，人工智能和机器学习算法可以嵌入到网络中的各个终端设备中。

2）对于低延迟的物联网服务，网络边缘的人工智能和机器学习引擎可以在执行实时计算和快速决策方面发挥重要作用。

3）对于医疗数据分析所需的海量数据存储和大量计算，可以将人工智能和机器学习嵌入到集中式系统中，以实现这些目标。

4 开放性的问题和挑战

除了上文提到的优势之外，在将IoT和5G通信应用于智慧健康及医疗保健方面还存在许多挑战和待研究解决的问题。表1介绍了特征、优势和未来的研究方向。

表1 未来研究面临的挑战

5 结论

综上所述，5G通信将在智慧健康及医疗保健和物联网的应用中发挥重要作用。从功能和经济角度来看，智慧健康及医疗保健和物联网的应用在5G通信的普及方面也发挥着至关重要的作用。在本文中，我们从不同的角度突出了各种应用，并在智慧健康及医疗保健的范围、频率、功率使用和数据速率方面比较了短距离和远程通信技术。此外，针对5G通信的不同需求（即增强移动宽带、海量机器类通信、低时延和高可靠性通信、无线局域网接入互联网），考虑了不同的场景，呈现了不同的技术。最后，我们提出了应用物联网及5G通信的智慧健康及医疗保健产业存在的开放性问题和未来研究方向。由于智慧医疗健康的独特特性，未来还需进行大量研究工作，希望本文能够为智慧健康及医疗保健领域的从业人员提供启发。