Pandemia COVID-19 wykazała, że systemy opieki zdrowotnej we wszystkich krajach, nawet tych najbardziej rozwiniętych, potrzebują nowych narzędzi w celu prowadzenia skutecznej akcji przeciwdziałającej powstaniu i walczącej ze skutkami pandemii. Z powodu pandemii wzrosło też zapotrzebowanie na wprowadzanie do opieki zdrowotnej usług związanych z telemedycyną. Zadania te są realizowane za pomocą systemów telekomunikacji bezprzewodowej oraz  Internetu Rzeczy (Internet of Things – IoT). Istniejące do tej pory narzędzia okazywały jednak swoją słabość w warunkach pandemii i nawet technologia 5G nie umożliwiała wykonywania wszystkich potrzebnych zadań. Oczekuje się, że technologia 6G, połączona z Internetem Rzeczy oraz Inteligentnym Internetem Rzeczy Medycznych (Intelligent Internet of Medical Things – IIoMT), pozwoli na opanowanie zagrożeń wynikających z katastrof zdrowotnych i środowiskowych, jakie mogą pojawić się w przyszłości.

Wraz z tymi technologiami nastaje era inteligentnych czujników, mocowanych na zewnątrz ciała (wearable technology) lub na organach wewnętrznych (Internet of Organs). Inteligentna opieka zdrowotna zapewni usługi za pomocą inteligentnych urządzeń typu smartfony, smartwatche, bezprzewodowe glukometry, bezprzewodowe ciśnieniomierze, itp. Inteligentne urządzenia przetworzą informacje o stanie zdrowia zebrane z różnych źródeł, w tym czujników, implantów ciała i systemów biomedycznych.

Krótko mówiąc, inteligentna opieka zdrowotna umożliwi ludziom z różnych grup społecznych i zawodowych (np. lekarze, pielęgniarki, opiekunowie pacjentów, członkowie rodzin i pacjenci) szybki dostęp do informacji na temat zdrowia, zarówno pojedynczych osób, jak i grup targetowych, np. grup z zagrożeniem pandemicznym czy grup zainfekowanych. Umożliwia też prowadzenie skutecznej diagnostyki i właściwej terapii. Takie działania wymagać będą przetwarzania wielkiej liczby danych w bardzo krótkim czasie. Dlatego przed technologią 6G stawia się wymagania techniczne na tyle silne, żeby móc zrealizować potrzeby medyczne, poprawić dobrostan ludzi, umieć skutecznie zwalczać przyszłe pandemie oraz zapewnić wczesną ich predykcję.

Obsługa tak dużej liczby urządzeń medycznych i szpitali z aplikacjami opartymi na rozbudowanej sensoryce będzie wymagała wdrożenia niezawodnej i skalowalnej infrastruktury sieci telekomunikacyjnej. Sieć będzie musiała stawić czoła surowym wymaganiom w zakresie przepustowości, szybkość transmisji danych i minimalizacji czasu opóźnienia transmisji sygnału (end-to end transmission). Dodatkowe przypadki, takie jak zdalne operacje i dotykowy (haptic) Internet, zwiększą zapotrzebowanie na sieć o podanych wyżej właściwościach.

Przewiduje się, że przyszłe sieci IoT obsługujące 6G będą służyć inteligentnym aplikacjom medycznym z małymi czasami opóźnień, wysoką przepustowością, ultra-wysoką niezawodnością, wysoką gęstością i efektywnością energetyczną. Prace dotyczące rozwoju przyszłej sieci 6G, usług i wymagań zostały już rozpoczęte. Podczas standaryzacji 5G technologii zbadano cztery obszary:

• typ maszyny masywnej komunikacja (massive Machine Telecomunnications – mMTC);
• ulepszona mobilna łączność szerokopasmowa;
• ultra-niezawodna komunikacja o małych opóźnieniach;
• ulepszony mobilny Internet szerokopasmowy.

Pomimo wprowadzenia na rynek telekomunikacyjny kilku nowych i korzystnych funkcji, sieci 5G nadal mają ograniczenia w zakresie możliwości ruchu mobilnego, gęstości urządzeń i opóźnień wymaganych w ochronie zdrowia i w innych aplikacjach. Sieci 6G będą nadal działać w podobnym kierunku, rozszerzając zakres i możliwości sieci 5G z ogromnym URLLC, łącznością i zasięgiem potrzebnymi inteligentnym urządzeniom.  

W celu osiągnięcia współpracy pomiędzy siecią 6G a Internetem Rzeczy należy zapewnić nowy poziom usług sieciowych:

1.     Obsługa ruchu mobilnego do 1 Gbps aby zaspokoić super wysokie wymagania dotyczące szybkości transmisji danych i ogromne zagęszczenie urządzeń w obszarze geograficznym.

2.     Aby sprostać potrzebom aplikacji dotykowych, takich jak e-zdrowie i zdalna chirurgia, konieczne jest osiągnięcie wyjątkowo niskich opóźnień sieciowych (10–100 μs),

3.     Zapewnienie wyjątkowo szybkiej transmisji danych do 1 Tbps w celu umożliwienia transmisji dużej liczby danych potrzebnych w aplikacjach, rozszerzonej i wirtualnej rzeczywistości (augmented reality – AR/ virtual reality – VR).

4.     Osiągnięcie bardzo dużej gęstości urządzeń 10⁷ urządzeń/km², co jest niezbędne w realizacji niezwykle gęstych sieci Internetu Rzeczy. 

Oczekuje się, że sieć 6G dla systemu IoT będzie kompleksowa, ujednolicona, umożliwiająca szerszy i bardziej zróżnicowany dostęp do wszystkich środków komunikacji (naziemna, satelitarna, krótkiego zasięgu urządzenie-urządzenie, itp).

Technologia 6G może obsługiwać inteligentne społeczeństwo mobilne, wytwarzając ogromne liczby danych poprzez Internet Wszechrzeczy (Internet of Everything – IoE) i łącząc go w najnowocześniejsze technologie, takie jak sztuczna inteligencja (AI), blockchains, cloud computing (chmura obliczeniowa), edge computing (przetwarzanie brzegowe), fog computing (mgła obliczeniowa) i inteligentna odblaskowa powierzchnia (reflective intelligence surface – RIS). 

Komunikacja holograficzna będzie jedną z najbardziej użytecznych aplikacji dla wysokiej przepustowości 6G, tak jak AR i VR są przeznaczone dla 5G. Używanie aplikacji opieki zdrowotnej 6G poprawi wrażenia z wirtualnej i rozszerzonej rzeczywistości poprzez przekazywanie dodatkowych informacji sensorycznych z różnych źródeł, takich jak dźwiękowe, wizualne, somatosensoryczne i dotykowe, zapewniające działanie interakcji w czasie rzeczywistym i dokładne prezentowanie obrazów 3D wirtualnych i rzeczywistych obiektów. Dzięki temu lekarze będą mogli zdalnie zbadać konkretny organizm i te jego obszary, które zapewnią lepszą widoczność w przypadku złożonych zabiegów i zabiegów obarczonych wysokim ryzykiem.  

Dzięki Inteligentnemu Internetowi Rzeczy Medycznych (IIoMT) zabiegi chirurgiczne będą mniej ograniczone czasem i odległością. Roboty skomunikowane za pomocą sieci 6G można wykorzystać do wdrożenia zdalnej chirurgii, aby oddaleni lekarze mogli zarządzać procedurą (rys1).

Rys.1 Realizowana zdalnie chirurgia

Implanty i czujniki na ciele mogą komunikować się i przesyłać dane w czasie rzeczywistym z niezwykle wysoką niezawodnością i dostępnością dla urządzeń lub chmur do krótko- i długoterminowej analizy medycznej. Ambulanse sieciowe 6G-IoT mogą przesyłać strumieniowo transmisję wideo w czasie rzeczywistym, poruszając się z dość dużą prędkością, do lekarzy i ratowników medycznych ze szpitala w celu udzielenia pomocy medycznej i szybkiej interwencji ratującej życie i zdrowie pacjentów.

Sieć 6G będzie miała rewolucyjny wpływ na rozwój bezprzewodowej, inteligentnej i połączonej opieki zdrowotnej. Postępy w monitorowaniu, diagnostyce i leczeniu, czyli zarówno proaktywna, jak i reaktywna opieka oraz medycyna precyzyjna, będą w końcu osiągalne dzięki postępowi technologicznemu, jaki przyniesie 6G. Przykłady obejmują:

a. bezszwowe urządzenia do noszenia na potrzeby ciągłego monitorowania funkcji życiowych w dynamicznych rzeczywistych warunkach,
b. zminiaturyzowane implanty osadzone za pomocą minimalnie inwazyjnych procedur in vivo i interfejsów mózg-komputer,
c. internet rzeczy medycznych, w tym komunikacja „body”, „on-body”, „off-body” i ich kombinacje, a także usługi szpital-dom,
d. sztuczna inteligencja w kierunku proaktywnych i adaptacyjnych modeli opieki zdrowotnej na podstawie medycyny spersonalizowanej,
e. systemy cyberfizyczne z udziałem człowieka w pętli, obejmującej od obszarów ciała po środowiska sal operacyjnych,
f. wywiadowcze usługi pogotowia ratunkowego,
g. zdalne operacje w warunkach częściowo lub całkowicie autonomicznych, nawet w odległych miejscach na świecie.

Postępy te będą możliwe dzięki realizacji ultra-niezawodnej komunikacji o małych opóźnieniach w inteligentnych środowiskach, sieci programowalnych i natywnej sztucznej inteligencji oraz rzeczywistości rozszerzonej i komunikacji holograficznej (metaverse).

Zanim ten przełomowy wpływ na medycynę stanie się rzeczywistością, należy stawić czoła kilku wyzwaniom. Od projektowania urządzeń po gromadzenie i łączenie różnych typów danych, zapewnianie prywatności i bezpieczeństwa, zajmowanie się własnością danych, obsługę przepustowości ruchu, minimalizowanie zużycia energii, itd. 

Bezpieczeństwo i prywatność

Integracja urządzeń medycznych z sieciami 6G, służącymi Internetowi Rzeczy, naraża je na ataki, takie jak nieautoryzowany dostęp do danych, zagrożenia dla integralności i odmowa usług (Denial of Service – DoS) dla aplikacji medycznych i centrów danych. Ponieważ rośnie liczba połączeń między urządzeniami, rośnie też zagrożenie prywatności. Centra transmisji danych i zarządzania danymi są szczególnie narażone na ataki typu DoS, porwanie, zafałszowanie i inne ataki podsłuchowe.

Na przykład wszczepialne urządzenia kardiologiczne podłączone do Internetu ryzykują włamaniem, które może zmienić sposób ich działania i przejęcie danych, które przesyłają. Z powodu takiego ryzyka należy rozważyć środki zaradcze, aby zapewnić wysoki poziom bezpieczeństwa i prywatności dla 6G-IoT. Podejście Blockchain staje się bardziej istotne w obszarze co adate 6G, ponieważ sieci IoT są zdecentralizowane i rozproszone, idealnie pasujące do funkcji decentralizacji Blockchain, jednocześnie zapewniając funkcje bezpieczeństwa, takie jak anonimowość i uczciwość.

Komunikacja o niskim zużyciu energii i niskich kosztach

Urządzenia IoT dla inteligentnej opieki zdrowotnej często zajmują niewiele miejsca i są podłączone do kilku czujników. Urządzenia te muszą być stale zasilane, co stanowi poważny problem związany z kosztami i żywotnością baterii. Urządzenia powinny być niskoenergetyczne, zapewniające niskie koszty rozwiązywania problemów w inteligentnej opiece zdrowotnej. Potrzebne są energooszczędne algorytmy, aby urządzenia mogły się ze sobą komunikować przy mniejszym zużyciu energii. Rozwój w dziedzinie mikroelektroniki, komunikacji bezprzewodowej i pozyskiwania energii w tym obszarze jest możliwy. Na przykład czujniki wszczepione w ciało mogą gromadzić energię słoneczną ze światła otoczenia do monitorowania stanu pacjenta za pomocą modułu Bluetooth o niskim zużyciu energii w przezroczystej obudowie silikonowej.

Co więcej, nowe materiały, takie jak inteligentne biosensory oparte na MXenes (związki węgla i azotków), mogą jeszcze bardziej zrewolucjonizować implanty, określające różnorodne biomarkery patogenów wywołujących choroby zakaźne, które nie wymagają zewnętrznego zasilania.

Analiza danych w opiece zdrowotnej

Dzięki miliardom podłączonych urządzeń, inteligentna opieka zdrowotna będzie generować ogromne liczby danych informacji, które należy poddać analizie. Te dane mogą zawierać szczegóły o prywatnych informacjach poszczególnych użytkowników (takich jak dane pacjentów) oraz informacje o lokalnym otoczeniu (tj. EKG, tętno monitorowane). Aby zbadać te dane, inteligentne algorytmy i procedury są potrzebne do ochrony prywatności i poufności użytkowników jednocześnie uzyskując ważne dane, które można wykorzystać w innych przypadkach. Na przykład mogą to być dane generowane przez lokalnie połączone urządzenia skutecznie analizowane za pomocą sfederowanych algorytmów uczących (federated learning algorithms).

Estymacja i modelowanie kanałów komunikacji THz

Opracowanie niezawodnych modeli kanałów dla komunikacji THz (teraherce) ma kluczowe znaczenie dla rozwoju skutecznych systemów komunikacji bezprzewodowej w tym zakresie. Podczas symulacji kanału THz kluczowe jest, aby wziąć pod uwagę takie czynniki, jak przestrzenna niestacjonarność nad ultra-masywnymi układami antenowymi, efekt bliskiego pola, efekt wzajemnego sprzężenia, oraz wysoce selektywna pod względem częstotliwości utrata ścieżki spowodowana absorpcją energii PEM przez cząsteczki tlenu i pary wodnej. Dlatego lepsze i efektywniejsze są algorytmy szacowania kanałów, które wymagają minimum zasobów obliczeniowych dla systemów komunikacji THz z dużymi układami anten.

Własność danych i kwestie etyczne

Dane dotyczące opieki zdrowotnej to bardzo wrażliwe i osobiste informacje. Nawet jeśli inteligentne urządzenie opieki zdrowotnej poprawi jakość życia, to należy zastanowić się nad bezpieczeństwem przetwarzanych danych. Na przykład cyfrowa pigułka z wbudowanymi czujnikami może zapewnić opiekunom i klinicystom dostęp do informacji czy lek jest przyjmowany na czas za pośrednictwem odpowiedniego portalu internetowego. Może to pomóc lekarzom w ustaleniu, czy pacjenci przestrzegają przepisów leczenia farmakologicznego.

Jednak firmy ubezpieczeniowe mogą również monitorować, w jaki sposób pacjenci biorą lekarstwa i odmawiać ubezpieczenia tym, którzy nie przestrzegają zaleceń lekarza. Niektóre z problemów, które należy rozwiązać w ramach kształtowania polityki cyfryzacji usług medycznych, są uzależnione od ustaleń: jakie dane i w jaki sposób są często gromadzone, czy użytkownicy wyrażają świadomą zgodę na wystawienie ich danych osobowych i danych wrażliwych z wyprzedzeniem, czy mają łatwy sposób na odmowę przetwarzania ich danych w systemach otwartych bądź łatwo dostępnych.   

Podsumowanie 

Przyszłe sieci opieki zdrowotnej umożliwią współpracę specjalistów medycznych, działających w czasie rzeczywistym, korzystając z technologii takiej jak komunikacja holograficzna (holographic communications), przeprowadzać zdalne operacje i analizować dane generowane przez inteligentne urządzenia IoT w celu lepszego diagnozowania i dostarczania danych zespołom lekarskim. Istniejące technologie komunikacyjne nie są w stanie sprostać złożonym i dynamicznym wymaganiom stawianym sieciom telekomunikacyjnym przy realizacji szerokiej gamy inteligentnych aplikacji medycznych.  

Rozwój sieci i aplikacji 6G-IoT jest wciąż na wczesnym etapie, ale rodzi duże nadzieje na   zrewolucjonizowanie istniejącej infrastruktury IoT i wprowadzenie nowych poziomów usług, poprawę jakości życia i doświadczeń użytkowników w przyszłych zastosowaniach w opiece zdrowotnej. Istotnym problemem w systemach cyfrowych ochrony zdrowia jest zabezpieczenie dokumentacji medycznej przed działalnością przestępczą w cyberprzestrzeni.

Źródła

1. Abdul Ahad. Mohammad Tahir, Perspective—6G and IoT for Intelligent Healthcare: Challenges and Future Research Directions, ECS Sensors Plus, 2/2023
2. https://6gandbeyond.osu.edu/cross-cutting-and-cross-disciplinary-themes/connected-health