В журнале «Московская медицина» №1 (47) за 2022 г. опубликована статься «5G в здравоохранении» (стр. 88). Полный номер журнала в PDF можно скачать по ссылке: https://niioz.ru/upload/iblock/1d3/1d332fd8a3e858af26fae0dc3bbd4f6f.pdf
Ниже исходный текст статьи.
5G в здравоохранении
Почему именно 5G
Многие говорят: зачем нужны какие-то новые сети 5G, если даже 3G ещё не везде есть. Поэтому вначале поясним, чем сети нынешние сети 5G (а также будущие 6G) отличаются от сетей предыдущих поколений.
- Сети сотовой связи первого поколения (1G), появились в начале 90-х годов и могли обеспечить только аналоговую телефонную связь, были ненадёжны и дороги.
- Пришедшие им на смену цифровые сети 2G могли обеспечить, кроме услуг телефонной связи, ещё и услугу передачи текстовых коротких сообщений (SMS). Доступ к Интернет (медленный и ненадёжный) был возможен при помощи разных ухищрений с занятием телефонного канала.
- Сети третьего поколения 3G обеспечивали быстрый (или как говорят связисты – «широкополосный») доступ к Интернет без занятия телефонного канала. Однако, голосовые слуги связи («позвонить») эти сети сами по себе не обеспечивали, и для телефонных звонков всё равно нужно было использовать сети 2G.
- Сети 4 поколения 4G (LTE) обеспечивали ещё более быстрый доступ в Интернет, а телефонный вызов был возможен без сети 2G. Сейчас некоторые операторы начали отключать сети 2G, чтобы не поддерживать несколько сетей и побуждать абонентов переходить с кнопочных «клацалок» на смартфоны с поддержкой сетей 3/4/5G.
Таким образом, мы видим, что развитие поколений технологий сотовой связи выражалось, прежде всего, в расширении спектра доступных пользователю услуг, который в каждом следующем поколении расширялся.
Однако, в сети 5G это расширение возможных услуг несравнимо с предыдущими поколениями. Основное преимущество сетей 5G состоит вовсе не в скорости доступа, как многие считают, хотя сети 5G могут работать быстрее в десятки и сотни раз.
Преимущество 5G состоит в том, что они представляют собой единую цифровую платформу для самых разнообразных услуг и функций, включая медицинские, и служат основой для цифровой трансформации всех отраслей экономики. Здесь речь идет уже не о конечном наборе услуг, а о новых возможностях для развития. Функционал, доступный в сети 5G, невозможно полноценно реализовать в сетях предыдущих поколений. И эти возможности обусловлены не только и не столько высокой скоростью.
Три главных преимущества и три группы функций 5G
Можно выделить три главных функциональных группы услуг 5G, их примеры (далеко не все) показаны на рисунке ниже.
Рис. 1. Три главных группы функций 5G.
- Усовершенствованный мобильный широкополосный доступ к Интернет, который обуславливает высокую скорость в сети 5G. Здесь доступны видео высокой чёткости 4К/8К с возможностью объёмного изображения, эффектом визуального «присутствия», дополненной/виртуальной реальности и прочих привлекательных свойств, что очень важно в т.ч. и в медицине. Например, в медицинских учебных заведениях студенты смогут изучать анатомию и обрабатывать приёмы лечения с помощью средств виртуальной реальности, и это даст им гораздо более глубокие знания о строении тела и процессов, происходящих в нём.
Рис. 2. Обучение студентов-медиков с использованием виртуальной и дополненной реальности.
- Массивные межмашинные коммуникации, или как их принято называть, «Интернет Вещей» IoT (Internet of Things). Это целая группа технологий, не обязательно скоростных, часть из них работает на совсем небольшой скорости. IoT обеспечивает обмен информацией между различными устройствами: датчиками, сенсорами, исполнительными механизмами без участия человека. Таких устройств уже сейчас подключено к сети Интернет несколько десятков миллиардов. Конечно, эта информация, в конечном счёте, идёт на пользу людям, но её генерация, обработка и анализ производятся без или с минимальным участием людей. Это большой пласт технологий, которые сделали реальностью такие концепции, как «Умный дом», «Умный город» и «Умное здравоохранение».
Рис. 3. Датчики Интернета Вещей в приложении удалённого здравоохранения.
- Сверхнадёжные коммуникации с низкой задержкой. Надёжность – это понятно, особенно в медицине, где получение и доставка информации должны осуществляться с высокой надёжностью, точностью и достоверностью. Но почему так важна низкая задержка при передаче данных? Уже сейчас используются хирургические коллаборативные роботы типа «Да Винчи»[1]. Пока они манипулируются хирургом, находящимся рядом с операционным столом. Если такие роботы будут управляться удалённо, а именно в этом их цель, то низкая задержка при передаче сигналов по сети становится весьма критичным фактором. Задержка в движении медицинского инструмента в несколько десятков миллисекунд может стоить пациенту жизни. Сети связи предыдущих поколений не могли обеспечить задержку передачи менее 20-50 миллисекунд, а сети 5G способны снизить её до уровня микросекунд.
Рис. 4. Медицинский робот-хирург.
Однако, ещё большее преимущество сетей 5G состоит в том, что они могут обеспечить синергию и многократное использование одного и того же функционала в различных областях применения. Например, видеоаналитика и компьютерное зрение на базе искусственного интеллекта могут быть с успехом использованы как в видеонаблюдении, системах безопасности и охране труда, так и в медицинских применениях.
Искусственный интеллект с компьютерным зрением может зачастую быстрее определить, например, наличие первых признаков злокачественной опухоли или малозаметных дефектов на сетчатке глаза на медицинских изображениях, нежели самый опытный доктор. А ведь раннее распознавание симптомов – залог успешного лечения. Платформа компьютерного зрения с искусственным интеллектом – одна и та же, и в системах безопасности, и в производственной сфере, и в медицине.
Инфраструктуру сети 5G может быть разбита на слои, «слайсы» (network slicing), и управлять их функционалом можно совершенно независимо друг от друга, хотя физическая основа всех слайсов – одна и та же. Раздельное управление сетевыми слайсами – одно из ключевых отличий 5G от предыдущих поколений.
Рис. 5. Сетевые слайсы для различных функций и приложений в единой инфраструктуре сети 5G.
Примеры применения 5G в медицине
Корейский оператор SK Telecom и компания Omron Electronics Korea создали автономный, подключённый к сети 5G, для систематической и эффективной помощи по защите от коронавируса.
Рис. 6. Робот 5G предоставляющий услуги по профилактике коронавируса (изображение: SK Telecom).
Робот оснащён искусственным интеллектом и датчиками Интернета Вещей и является автономным транспортным средством. Он может автоматически и дистанционно измерять температуру людей, входящих в помещение, проводить дезинфекцию помещений, распознавать людей без масок, а также места скопления людей, не соблюдающих социальную дистанцию.
Оператор Ooredoo Qatar предоставляет услуги по удаленной оценки состояния пациента и ультразвуковой процедуры в машине скорой помощи, подключенной к сети 5G, с использованием специальной тактильной перчатки, которой врач управляет дистанционно с помощью специально разработанного джойстика. Сеть 5G Ooredoo позволяет отправлять собранную информацию врачу, где бы он ни находился, чтобы затем он мог предложить диагностику и рекомендации по лечению без физического контакта пациента с врачом.
Университетские больницы Бирмингема NHS Foundation Trust (UHB), Великобритания, продемонстрировали аналогичный проект по удаленной диагностике в машине скорой помощи, подключенной к сети 5G оператора British Telecom (BT). В проекте используется дополненная и виртуальная реальность (AR/VR) и робототехника, при помощи которых производится удаленная диагностика и коммуникация врачей с хирургами или консультантами в режиме онлайн. Надев гарнитуру AR/VR, врач может наблюдать в больнице то, что фельдшер видит в машине скорой помощи. Затем с помощью джойстика он может удаленно направлять фельдшера для выполнения любых необходимых сканирований при помощи «тактильной перчатки», которую носит фельдшер, а также снимать крупным планом раны и травмы пациента. Перчатка создает небольшие вибрации, которые направляют руку фельдшера туда, куда врач хочет переместить, например, датчик УЗИ.
Кроме того, в машине скорой помощи есть камера, которая в высоком разрешении передает вид внутри машины скорой помощи, включая фельдшера и пациента. Вместе с данными УЗИ, врач может просматривать показания медицинских приборов в режиме реального времени через гарнитуру виртуальной реальности.
Рис. 7. Наблюдение за пациентом, анализ показаний, проведение удалённого консилиума и консультация медперсонала в машине скорой помощи (изображение: O2 business).
Ирландский оператор Vodafone Ireland и Университетский колледж UCC (University College Cork) основали учебный центр для специалистов по удалённой хирургии при помощи тактильных роботов, подключенных через сеть 5G.
Рис. 8. Профессор Барри О’Рейли (Barry O’Reilly), директор Университетского колледжа UCC, и Энн О’Лири (Anne O’Leary), директор Vodafone Ireland, демонстрируют установку 5G по управлению роботами удалённой хирургии в учебном центре UCC (изображение: The Irish Times Content Studio).
Такие роботы удалённой хирургии позволяют делать операции без транспортировки пациента к месту работы квалифицированного хирурга, который может сделать сложную операцию удалённо. Сеть 5G при этом обеспечивает низкую задержку передачи сигналов управления исполнительными механизмами робота, таким образом, повышается точность проведения операций.
Медицинский центр университета Rush University в Чикаго (США) в 2019 году стал первым госпиталем в США, внедрившим услуги 5G с помощью оператора AT&T для улучшения лечения, повышения качества обслуживания и эффективности работы персонала. Медицинский центр считает, что услуги 5G улучшат профессиональное обучение врачей. На лекциях студенты-медики обычно получают только 10% необходимой им для практической работы информации, однако новые тактильные и визуальные сервисы 5G могут помогут получить больше практических знаний.
Российские проекты 5G для медицины.
Наша страна, в целом, не отстаёт от остального мира в тестировании технологий 5G в медицине.
В клинике GMS в Москве в ноябре 2019 года в России впервые были проведены первые хирургические операции, а также удаленный консилиум с использованием сети 5G оператора Билайн. В режиме реального времени была проведена удалённая операции по извлечении NFC-чипа, вживленного в руку Джорджа Хелда, вице-президента по развитию цифрового бизнеса оператора Билайн. Чип устанавливали в 2015-м году, он морально устарел и требовал замены. У одного из пациентов клиники GMS в Москве проводилась операция по удалению раковой опухоли с использованием лапароскопа с камерой высокой чёткости (4К), подключенного к сети 5G, анестезиологического пульта, нескольких камер и мультимедийной «белой доски». Этот комплекс оборудования использовался для экспертного консилиума и выработки рекомендаций непосредственно в процессе операции. Видео в высоком качестве транслировалось из нескольких точек одновременно: центра Сколково, операционного зала клиники GMS в Москве, экспертно-консультативного центра РОЭХ на базе больницы Центросоюза РФ в Москве и Рязанского медицинского университета.
В больнице имени Боткина в Москве в декабре 2021 года открылся первый в России полигон для тестирования медицинских услуг сетей связи 5G. Он предназначен для проведения прикладных исследований, испытаний прототипов и опытных образцов инновационных медицинских решений и услуг[2]. В Боткинской больнице уже применяются навигационные системы, высокоточные нейрохирургические микроскопы, технологии 3D-моделирования в травматологии и ортопедии, искусственный интеллект. В этой больнице используется робот-хирург Da Vinci и другие инновационные разработки в области медицины, которые планируется полноценно использовать в инфраструктуре сети 5G.
Департамент информационных технологий города Москвы и оператор «МегаФон» представили инновационные решения удалённого УЗИ и генетического секвенирования в сетях 5G[3]. С помощью были продемонстрированы возможности сети 5G для удалённой диагностики заболеваний. При помощи «роботизированной руки» для УЗИ, управляемой врачом дистанционно, проводилось сканирование области диаметром 800 мм, с точность позиционирования составляет ±0,1 мм. Робот способен передавать специалисту все виды информации, включая тактильную, при этом доктор и пациент могли общаться с помощью HD-видео.
Рис. 9. Роботизированная рука 5G для удалённого исследования УЗИ (изображение: Мегафон).
Подводя итог этого краткого обзора, вовсе не претендующего на полноту охвата темы «возможности 5G в медицине», можно сказать, что, конечно, сама по себе технология 5G не лечит, например, болезнь Альцгеймера, остеопороз или артрит. Однако, сервисы 5G существенно расширяют возможности врача по предотвращению и профилактике заболеваний, которые, возможно только начинают развиваться у пациента.
Кроме того, такие возможности, как «тактильный Интернет», виртуальная реальность и другие, которые не были доступны в сетях предыдущих поколений, открывают новые возможности для практической хирургии, обучения и повышения квалификации медработников. Использование искусственного интеллекта, который также является частью функционала сетей 5G, даёт возможность повысить точность диагноза, а также расширить горизонты исследований. Например, при помощи ИИ была выявлена корреляция между концентрацией некоторых вирусов и вероятностью возникновения болезни Альцгеймера, а до этого врачи даже хотя бы примерно не могли определить, из-за чего возникает этот страшный недуг. Хотя ещё нет 100% уверенности, что это именно так, но такая гипотеза стала возможной благодаря высоким технологиям, в т.ч. и 5G.
[2] https://www.rbc.ru/rbcfreenews/61c1fa8b9a794794106bc402
[3] https://corp.megafon.ru/press/news/federalnye_novosti/20180730-1636.html
Telecom & IT 