5GとWi-Fi 6、外科手術ナビゲーションの無線化はどこまで可能か？

解説対象論文: Evaluation of 5G cellular and Wi-Fi 6 for cable-free surgical navigation using ISO/IEEE 11073 SDC
International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery｜被引用数: 0（2026年9月30日時点）

手術室における医療機器のケーブルは、スタッフの転倒リスクや作業効率の低下といった課題を引き起こしています。これらのリスクを軽減するため、無線技術の導入が期待されていますが、特に外科手術ナビゲーションのような高精度が要求される用途では、低遅延かつ高信頼性の無線接続が不可欠です。本記事では、オープンアクセス論文『Evaluation of 5G cellular and Wi-Fi 6 for cable-free surgical navigation using ISO/IEEE 11073 SDC』に基づき、プライベート5Gネットワーク（5G-SA）と第6世代WLAN（Wi-Fi 6）が、ケーブルフリーの外科手術ナビゲーションにおいてどの程度の性能を発揮するのかを評価した研究を紹介します。結果として、Wi-Fi 6が良好な遅延性能を示した一方で、5G-SAは現状では課題を抱えていることが明らかになりました。

Feasible実施可能性	既存の技術（5G-SA, Wi-Fi 6, SDC）を活用し、プロトタイプを構築・評価しており実現可能です。
Ethical倫理面	本研究は対象者や動物の試験データを含まず、倫理的な問題は生じません。
Interesting面白さ	手術室のケーブル問題を解決する無線化の可能性を探り、臨床現場の安全性と効率向上に直結します。
Novel新規性	第6世代WLANと5G-SAを用いた相互運用可能なトラッキングプロバイダのプロトタイプ評価は新規性があります。
Relevant切実さ	手術室のワークフロー改善、対象者の安全確保、効率的な医療提供に貢献する可能性があり関連性が高いです。
Measurable測定可能性	エンドツーエンド遅延、ロス率、カメラ遅延、5Gアップリンク特性など、定量的な指標で性能を測定しています。
Modifiable派生・改善	5GシステムおよびWLANシステム双方でハードウェア・ソフトウェアの調整やプロトコル改善による性能向上が可能です。
Structured文章構造	明確な目的、方法論、結果、結論で構成され、実験設計とデータ分析も詳細に記述されています。
PICO / PECO対象・介入・比較・結果	P: 外科手術ナビゲーションにおけるケーブルフリー化のニーズ。I: 5G-SAまたはWi-Fi 6による無線化。C: 有線イーサネット接続。O: 遅延、信頼性、実用性の比較評価。

はじめに：手術室のケーブル問題と無線化への期待

どうも、Beyond the Pixelです。手術室（OR）では、最適な対象者安全と手術結果、効率的で費用対効果の高い運用を目指し、ワークフローの中断、リスク、非効率性が常に調査されています。特に、医療機器のケーブルやチューブは、手術スタッフがつまずいたり転倒したり、これらを避けるために遠回りしたりする原因となることが指摘されてきました。無線デバイスは、このようなケーブル関連のリスクを軽減できる可能性がありますが、外科手術ナビゲーションのような高度なアプリケーションに求められる応答性と信頼性を持つ無線接続を提供することは、依然として技術的な課題であり、実際に使用されている無線デバイスはほとんどありません。

研究の目的：5GとWi-Fi 6の性能評価

高い信頼性と低遅延が期待されるプライベート5Gネットワークは、医療分野における無線アプリケーションを可能にする技術として提案されています。この研究では、相互運用可能なトラッキングプロバイダのプロトタイプを開発し、5G-SA（スタンドアローン）と第6世代WLAN通信（Wi-Fi 6）を用いた際の遅延と信頼性を評価しました。これにより、ケーブルフリーの外科手術ナビゲーションが実現可能かどうかを探ることが目的です。

研究方法：無線トラッキングシステムの構築と評価

著者らは、完全に無線化されたモバイルカメラユニットを実現するため、5Gセルラーネットワークまたは第6世代WLAN（IEEE 802.11ax）のいずれかを使用する新しい外科手術トラッキングプロトタイプの技術的性能を評価しました。このWTS（Wireless Tracking System）は、医療用アーム、外科用トラッキングカメラ、および埋め込み型コンピューター、リチウム蓄電池、電力電子機器を搭載した台座で構成されています。WTSは、外部の計算リソースやエネルギー源に依存せず、充電時を除いて24時間以上トラッキング機能が動作します。埋め込み型コンピューターはGNU/Linuxとカスタムソフトウェアを実行し、カメラデータから外科用ツールの位置を計算し、SDC（ISO/IEEE 11073 SDC）参加者に送信します。SDCは、Webサービス技術に基づいており、参加者を見つけるためにWS-Discoveryメカニズムを利用します。5GネットワークではIPマルチキャストがサポートされていないため、ディスカバリープロキシを使用するアプローチが採用されました。

この研究で使用された主なコンポーネントは以下の通りです。

実験設定：遅延経路の特定

本研究の目的は、新しいWTSが神経外科ナビゲーションのシナリオで提供する位置情報の遅延を測定することです。さらに、データパスの関連するサブセクション（カメラの取得と処理時間、および5G UE（User Equipment：ユーザー機器）のアップリンク遅延からナビゲーションPCまで）が独立して調査されました（図2のt1, t2, t3）。各設定は60分間測定され、非決定論的な外れ値やノイズを除外するために99パーセンタイル値が用いられました。実験は、中規模の手術室に類似した地下の実験室で行われました。

t1: エンドツーエンドの取得と送信チェーン
ナビゲーションコンシューマは、RS232 USB-to-serialアダプターのCTSピンを介して赤外線LED（発光ダイオード）を制御します。LEDの光はカメラによって識別され、WTSは20、50、または100 Hzでこの情報をSDC経由で送信します。LEDが点灯されたときと、対応するSDCメッセージが受信されたときにタイムスタンプが収集され、取得と送信の全時間が測定されます。SDC送信のデータ量は、更新あたり1.5～2 kBでした。

t2: カメラの取得と姿勢計算
この設定では、WTSの埋め込み型コンピューターがカメラで認識されるLEDを制御します。WTSは、LEDが点灯されたときと、カメラから対応するトラッキングフレームが配信されたときにタイムスタンプを記録します。これにより、カメラの内部遅延とメーカーSDK（Software Development Kit：ソフトウェア開発キット）の遅延t2が測定されます。t2にはカメラとWTSコンピューターのネットワーク遅延が含まれますが、これはpingユーティリティを使用して測定・差し引かれました。

t3: 5G-SAアップリンクの特性
WTSの将来的な最適化のため、メッセージサイズと頻度に関連する5Gアップリンク遅延を特性評価しました。具体的には、UDPパケット（反復頻度を変化）、UDPパケットの「バンドリング」（サイズと頻度を変化）、および競合トラフィックの存在下でのUDPパケットの遅延（アップリンク/ダウンリンク）の3つの実験シリーズを実施しました。UDPパケットには、64ビットのナノ秒タイムスタンプと識別番号が含まれており、受信ホストはPTP（Precision Time Protocol：高精度時刻同期プロトコル）で同期された自身のシステムクロックに基づいて片道遅延を計算します。

結果：Wi-Fi 6は改善、5Gは課題

本研究では、エンドツーエンドの取得と送信チェーン（t1）、カメラの取得と姿勢計算（t2）、および5Gアップリンク遅延の特性（t3）について詳細な測定が行われました。結果は、無線環境における外科手術ナビゲーションの実現可能性に関して重要な知見を提供しています。

t1: エンドツーエンドの取得と送信
有線イーサネット接続でのベースラインデータ（100 Hz）では、平均11.2/14.3ミリ秒（ms）の遅延で、メッセージロスはありませんでした。

5Gリンクは、低レートでも同様の遅延を達成するのに苦労しました。100 Hzの設定では、一貫して輻輳（ふくそう：データの混雑）が発生し、メッセージの順序が狂ったり、高い割合でメッセージがドロップされたりしました。10/20 Hzの低レートでは、平均遅延はイーサネットの約10倍（それぞれ94.3/52.3 ms）でした。最大遅延は300 msに近く、最大16.85%のロス率が記録されました。対照的に、第6世代WLANは、すべての役割設定とレートで一貫して短い遅延を示しました。50 HzレートでのWLANの平均遅延は、従来モードで16.5 ms、リバースモードで26.2 msであり、最大遅延はそれぞれ36.7 msと97.2 msでした。WLAN接続では輻輳やメッセージのドロップは発生しませんでした。

t2: カメラの取得と姿勢計算
LEDの点灯からトラッキングイベントの報告までの遅延特性も測定されました。WTSとカメラ間の往復時間（RTT）は平均1.47 ms、最悪ケースで7.71 msでした。ネットワーク遅延は、検出遅延t2全体の約4分の1でした。

t3: 5Gアップリンク遅延の特性
5GアップリンクにおけるpingおよびUDP片道遅延の測定では、50 Hzから100 Hzへの反復頻度増加に伴い、遅延の上限と最大値が著しく増加しました。

100 Hzでは、UDP値の99%が100 ms未満で処理されましたが、200 Hzでは平均値が大幅に増加し、400 Hzでは99%が80 msより遅く、許容できない外れ値が発生しました。

メッセージの「バンドリング」（複数のデータをまとめて送信すること）を適用すると、バッファ遅延を含めても、99パーセンタイル遅延は24〜26 msと非常に安定しました。同時バックグラウンドトラフィックの存在下では、ダウンリンクのトラフィックはアップリンク遅延にほとんど影響を与えませんでしたが、わずかな並行アップリンクのトラフィックでも、遅延に大きな影響を与え、30 Mbit/sを超えるとリンクは完全に輻輳しました。

考察：性能が分かれた5GとWi-Fi 6

遠隔ロボット手術に5Gセルラーネットワークを用いた先行研究では、平均10～250msの遅延で手術が成功したと報告されています。しかし、本研究のユースケースは単一の施設内に限定されています。

人間が視覚的な遅延にどの程度影響を受けるかに関する一般的な調査（腹腔鏡手術など）では、100msまでの遅延ではタスク完了時間とエラー率に影響がないことが示されています。100msから500msの間では実行時間が2倍になり、対象者の満足度が低下し、450msを超えるとエラーが著しく増加すると報告されています。本研究では、円滑なパフォーマンスと高い対象者満足度を得るための上限として、100msを目標値としました。

現在のところ、5Gアップリンクを介したSDCトラッキングデータ伝送は、低フレームレートでもこの要件を満たすことができません。UDPを使用し、連続するトラッキングデータをバンドリングすることでパケットレートをさらに下げれば、99%のケースで800Hzのデータが45ms未満で伝送できる可能性があります。これは、5Gアップリンク遅延が個々のパケットの高速レートに影響されやすいことを示唆しています。

本研究で使用されたソフトウェアベースのOAI RAN（Radio Access Network：無線アクセスネットワーク）は、予測不可能な非決定論的な遅延に悩まされていることが先行研究でも確認されています。他の研究でも、OAIは高いジッターと頻繁なUE切断イベントを示すと報告されており、本実験の妥当性を裏付けています。一方、第6世代WLANソリューションは、5Gと比較して低い最大および99パーセンタイル遅延を示し、50Hzおよび100HzのメッセージレートでのSDC伝送も可能でした。100Hz未満では、WLANはすべてのトラッキングフレームを100ms未満で伝送し、対象者の満足度や安全に影響を与えることなく外科手術ナビゲーションタスクを可能にします。

ただし、5GはWLANネットワークが通常抱える高密度ユーザー環境での課題を克服し、単一セルで数百のユーザーをサポートできるという重要な利点があります。手術室のような密集した環境で5Gセルラーの導入が有利になるか不利になるかは、今後の課題です。

結論：Wi-Fi 6が優位、5Gには調整が必要

この研究では、相互運用可能なISO/IEEE 11073（SDC）通信規格を用いた新しい無線トラッキングシステムの評価を行いました。イーサネット、5G-SA、および第6世代WLANにおけるエンドツーエンドのアプリケーション遅延とロス率が記録されました。結果として、SDCベースのトラッキングアプリケーションにおける5Gアップリンク遅延は、20Hzという比較的低いレートでも輻輳に似た影響を受け、パケットドロップや接続喪失につながることが明らかになりました。すべての5Gベースの構成で、少なくとも1%のSDCデータポイントが100msより遅れて到着し、最大で300msもの値が測定されました。これは、外科手術ナビゲーションにおける重要な手と目の協調タスクには不適切である可能性があります。

一方、第6世代WLANソリューションは、5Gよりも低い最大および99パーセンタイル遅延を示し、50Hzおよび100HzのメッセージレートでのSDC伝送も可能です。100Hz未満では、WLANはすべてのトラッキングフレームを100ms未満で伝送し、対象者の満足度や安全に影響を与えることなく外科手術ナビゲーションタスクを可能にします。

本研究で測定されたアプリケーション遅延は、SDC対応外科手術ナビゲーションにおける5Gの使用を推奨するものではありませんが、セルラーシステムは本研究の対象外であった臨床現場で重要な特性を示す可能性があります。例えば、WLANネットワークは伝統的に高密度のユーザー環境で課題を抱えるのに対し、セルラーシステムは単一セルで数百のユーザーをサポートできます。

今後の展望：5Gの最適化とWLANの進化

今後の研究では、5Gの遅延最適化（より高いニューメロロジーや重要なUE（User Equipment：ユーザー機器）に対する事前スケジュールされたUL（Uplink：アップリンク）グラントの導入など）が考えられます。また、関連文献が強く推奨するように、srsRANや専用のRAN（Radio Access Network：無線アクセスネットワーク）への切り替えも検討されます。さらに、SDCシグナリング機能を5Gコアに深く統合することで、医療デバイスの種類、予想されるトラフィック、重要性、および遅延要件に関する情報が得られ、QoS（Quality of Service：サービス品質）の改善に貢献する可能性があります。

アプリケーション側では、SDCプロトコルスタック（SOAP/XML over HTTP2 via TCP）が現在、閉ループ低遅延トラフィックには不向きであることが示されています。これは、スケジュールされた無線リンクや損失のある無線リンクが、高い更新頻度のデータに対して著しい遅延を追加するためです。失われたパケットの再送信が意味をなさないリアルタイムデータのロジックとTCP制御メカニズムが干渉するため、リアルタイムSDCが標準化され市場に出るまでは、SDCに加えてカスタムUDPソケットが実行可能な実装となるでしょう。

第6世代WLANベースの設定の堅実な結果は、第7世代（IEEE 802.11be）の高度な機能を使用することでさらに改善される可能性があります。特に、新しく導入されたR-TWT（Restricted Target Wake Time）機能は、約30%の遅延削減が予測されており注目されます。複数の無線デバイスとセルあたりの同時アクティビティを持つ実験設定は、より現実的な結果を提供するでしょう。

用語集

• 5G-SA: 第5世代移動通信システム（5G）のスタンドアローン方式。コアネットワークも5G専用で構成され、低遅延や高信頼性を実現します。
• Wi-Fi 6: 第6世代無線LAN規格（IEEE 802.11ax）。高速化、低遅延化、多端末接続性能の向上が特徴です。
• SDC: ISO/IEEE 11073 SDCは、医療機器間の相互運用性を実現するための通信規格です。
• 遅延（Latency）: データが送信元から受信先に到達するまでの時間。医療分野では特にリアルタイム性が求められます。
• 信頼性（Reliability）: 通信が途切れたり、データが失われたりせず、安定して接続を維持できる度合いです。
• UE: User Equipmentの略で、5Gネットワークに接続するユーザー側の通信機器を指します。
• RAN: Radio Access Networkの略で、基地局など無線アクセスネットワークを構成する機器の総称です。
• 輻輳（ふくそう）: ネットワーク上でデータが集中し、処理能力を超えて混雑が発生することです。
• バンドリング: 複数の小さなデータパケットをまとめて一つの大きなパケットとして送信する技術です。
• UDP: User Datagram Protocolの略で、コネクションレス型の通信プロトコル。TCPと比較して高速ですが、データの信頼性保証はありません。