文 | 同济大学 沈晋明 刘燕敏
| 上海益纹微理科技有限公司 黄晓明 张涵清
当前,为了凸显数字化手术室的技术含量,其系统配置越来越复杂,功能越来越多,涉及的信息越来越广,价格也愈来愈高。数字化手术室包罗万象,甚至囊括了众多的医院运营与管理信息,甚至绑架了整个手术部。这往往使得一个手术部难以配置多间数字化手术室。
基于5G技术独特的性能,将手术室实时需用的数字化与运营管理的数字化解耦,使手术部成为相对稳定的管理运营平台,让不时变化的数字化手术室成为嵌入模块,用无线将两者有机结合起来,将有力地推动数字化手术部的建设,也有利于数字化手术室的推广应用。
一
引言
手术是临床实践重要组成部分,手术室是为病人提供手术及抢救的场所,是医院的重要技术部门。一方面,由于外科手术具有侵袭性、复杂性、个体化、高度依赖操作者技能等特点,所以对手术环境控制也提出很高的要求;另一方面,伴随着手术技术进步、高科技诊疗设备发展、微创与无创手术系统和电外科器械进入手术室也完全改变了传统手术与手术环境控制的需求。在手术过程需要调用更多的相关信息,手术室内众多的诊疗设备也需不断上传实时信息。这就需要一个高效率、高安全性、超大容量的交融平台。在这基础上诞生了数字化手术室。
数字化赋能了手术室,促进了手术的发展。数字化手术室已成为近期手术室发展的一个方向,也是市场的一个热点。数字化手术室通常是以计算机、物联网、移动互联网、智能楼宇等信息技术为基础,建立了满足手术相关活动信息收集处理、整合、存储、传输及应用的全维度、全过程、全数字化手术支撑环境。
手术室的医疗设备及周边设备通过所提供数字化输入和输出接口,实现与其他系统的数据共享,并允许集中控制,且可将输出信息显示在指定的显示器上。同时可分屏显示本手术室患者信息、手术信息、温湿度等环境控制等信息如患者信息可通过与医院信息系统IS、EMR、PACS 等医院信息系统对接,来提取并显示患者临床。
二
数字化手术室优缺点
由于数字化手术室比洁净手术室的造价高得多,甚至高达几千万,相对利润空间也大,众多相关医建工程公司涌入。医建企业为了提高市场竞争力不断推出新一代数字化手术室,凸显数字化手术室技术含量,导致数字化手术室系统配置越来越复杂,功能越搞越多,涉及的信息越搞越广,系统越搞越大,价格也越来越高。现在的数字化手术室不仅满足手术相关活动信息收集处理、整合、存储、传输及应用的全维度、全过程、全数字手术部,甚至囊括了医院的运营管理信息。
这种价格昂贵、大而全的数字化手术室也许只适用于高级、复杂的手术,如多功能复合手术室。其实绝大多数手术过程真正需要的信息不多,没有必要搞那么复杂,那么多的信息量。这种大而全的数字化既不被需要也不利于我国推进手术室的数字化。加上,一间数字化手术室包罗万象,甚至绑架了整个手术部,使得一个手术部难以搞多间数字化手术室。
另外,手术技术进步,手术装备不断更新换代及新的装备融入,手术室面临改扩建的需要。这种复杂庞大的数字化体系需配置大量桥架和众多线束总长量惊人的设备。端口固定又使得数字设备接入数量、部署、更改、升级都成为极大瓶颈,加大了改扩建的难度。
数字化手术室不仅要满足手术过程所需信息与手术部管理运营要求,还要不断更新以适应不断涌现出的手术室新系统与新设备。真是勉为其难了。可见推广单间大而全的数字化手术室是不合适的,不符合手术室数字化发展,而且容易误导市场,适用才是“金”。
三
手术部数字化体系概念
首先对传统的大而全的数字化手术室分析一下,数字化手术室可以分为手术室实时需要、日常运营管理需要的两种数字化。相对来说,数字化手术室的管理与运营系统是比较稳定的,而手术过程需要的数字化会受手术技术与装备更新融入而不时更新变化。我们不妨将手术室实时需要的数字化与日常运营管理的数字化解耦。推出“手术数字化体系”的概念,即将管理与运营数字化功能赋予手术部,使手术部成为相对稳定的管理运营数字化平台,成为医院影像归档与传输系统 PACS、医院信息系统 HIS 和实验室信息系统 LIS 等共享信息中转平台。将运行与管理系统从数字化手术室中剥离,使数字化手术室成为手术部的嵌入模块,提高手术室的数字化的灵活性与适应性,能以最快速度适应不时变化与更新。同时又将数字化手术室与数字化手术部两者有机结合。整个手术部只要一套数字化运营与管理系统,手术部内每个手术室作为嵌入模块可以按照需求配置,不需要将每间都搞成“高、大、上”数字化手术室。
目前数字化手术室大多通过线路及其接口的输入或输出。传统有线数字化手术室的布线工程由于大量的桥架和众多的设备导致了线束总长量惊人。而线束敷设与施工时间长、维护管理成本大。端口固定又使得手术室内的数字设备接入数量、部署、更改、升级成为极大瓶颈,造成手术室建设、更新与改造周期长,无法满足医疗对手术的迫切需求现象。
四
“数字化手术部”与“数字化手术室”无缝对接
“数字化手术部”与“数字化手术室”之间的医疗信息传输与控制要实现无缝对接,最大的问题是受制于有线连接。要突破这一瓶颈,无线是一条途径。无线连接不仅可以避免无线连接施工时大量线束的布线、穿线、连线,非常便利,而且在后期工程改建或设备更新时无需大费周折重新布线连线,省时又省力。
在4G时代,多家利用 4G 移动通信网络推出健康云(如下图),但运行模式都很单一,即一张网运行所有业务。从接入层面上讲,要满足大型手术室现场大量、多种传输并存储要求,现有 WiFi、4G、NBIoT、RFID、ZigBee 等窄带物联网均无法达到。就覆盖能力来说,手术部多间数字化手术室现有 WiFi、4G、NBIoT 等技术面对众多装备无法满足无缝地在手术室内切换使用。另外,共用私网频段容易相互干扰,4G 无线也只能安全做到信息传输与存储,难以安全有效实施远程控制。
4G 核心网位于网络数据交换的中央,主要负责终端用户的移动性管理、会话管理和数据传输。4G 所有业务都要通过核心网,因此无法实现端到端之间的业务编排,也无法满足不同端的特殊要求。这是产生时延的原因之一。
总之,现有数据接入方式,比如有线光缆 / 电缆,和 WIFI、4G、窄带物联网等无线接入方式都存在大量缺陷。比如有线接入存在布线困难,施工周期长,更新困难,维护成本高等问题,无线接入存在组网频段单一,抗干扰性能差,单一接入方式不能同时满足高频率大并发的小数据传输、大带宽数据传输和低时延的数据传输的需求等问题。
特别是物联网的出现,海量的设备接入网络,这些设备分属不同的工业领域,具有不同的特点和需求。对于网络的移动性、安全性、时延性、可靠性,甚至是计费方式的需求是不同的。主要是服务于智能移动手机的 4G 网络已经不能胜任了,5G 网路应运而生!
肆
基于5G的无线数字化手术室
5G 时代到来,5G 网络的高带宽、低时延、广连接的优势凸显。但不应将 5G 视作比 4G 具有更高带宽、更低时延、更广连接,而是应该看到 5G 是一场革命。正因为 5G 的关键技术突破,其优异特性已经成为了数字经济时代的关键使能技术和基础设施,从 4G 单纯的移动通信扩展为无处不在的连接和场景应用。
一
5G的关键技术
5G网络为了满足面向不同的应用领域如移动宽带、物联网、关键任务型物联网等需求不同的网络类型以及差异化巨大的多应用场景,促使 5G产生了网络切片技术。网络切片是5G关键技术之一。通俗讲,网络如同道路,用户像路上车辆。如上所述,4G是单一网络架构。用户数量增大就像车辆使道路变得拥堵不堪、流量下降、时延甚至堵塞(见图)。不同交通工具(如大型汽车、小型汽车、摩托车等)有不同要求,如果交通采用分流管理,交通就变得井井有条(见图)。
5G 网络切片就像道路分流管理一样,是通过网络切片技术在一个独立的实体网络上切分出多个虚拟的网络,每一个虚拟网络根据不同的服务需求,如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分。每个虚拟网络之间,包括网络内的设备、接入、传输和核心网,是逻辑独立的,互不干扰,具备不同的功能特点,面向不同的需求和服务。这分流做法是非常节省成本的、又是绝对安全的!充分发挥5G网络的作用。
边缘计算是5G的又一关键技术,由于4G网架构,所有信息是由核心网决定调度和处理,就在同一个基站下面,还得上传到核心网去处理再回来,能不能将处理能力直接下沉呢 ? 5G 的移动边缘计算(MEC)就是将控制面和用户面分离用以实现直接下沉。将终端的业务需求,就近调用计算能力解决,而不是层层往上报到核心计算中心,再下发处理。
MEC 边缘云平台通过与运营商网络结合(结合点是用户数据面功能)提供一种新的网络架构,用无线接入网络(CT)就近提供电信用户所需 IT 服务和云端计算功能(IT)是一个 ICT 技术融合的最佳结合点。位于网络边缘、基于云的 IT 计算和存储环境。使数据存储和计算能力部署于更靠近用户的边缘,从而降低了网络时延,可更好的提供低时延、高宽带应用。或者说 MEC 实现了多种接入 + 本地分流 + 能力(资源、网络、业务)网关的控制与转发分离也是 5G 关键技术,由于 4G 移动核心网网关设备既包含路由转发功能,也包含控制功能(信令处理和业务处理),控制功能和转发功能之间是紧耦合关系。
5G 网络将移动核心网网关设备的控制功能和转发功能进一步分离,网络向控制功能集中化和转发功能分布化的趋势发展。控制和转发功能分离,转发面将专注于业务数据的路由转发,具有简单、稳定和髙性能等特性,以满足未来海量移动流量的转发需求。控制面采用逻辑集中的方式实现统一的策略控制,保证灵活的移动流量调度和连接管理。集中部署的控制面通过移动流控制接口实现对转发面的可编程控制。
总之,“控制面和转发面分离”使得网络架构更加扁平化。网关设备可采用分布式的部署方式,从而有效的降低业务的传输时延。控制面功能和转发面功能能够分别独立演进,提升网络整体系统的灵活性和效率。5G 关键技术的突破,获得运营商级别的运维保障,充分享受到5G 高可靠高安全的特性。这对医疗卫生机构来说特别重要,拓宽了5G+ 医疗健康领域应用的场景,推动运用 5G 技术改造提升卫生健康网络基础设施。
二
基于5G开发无线数字化手术室
由于5G 采用切片、MEC 边缘技术和网关,从5G的客户侧网元中切出独立的专网,并就近直接接入医院专网,实现局域网化;获得了独立安全的专网组网,充分保障非医院设备不能接入,满足数据不出医院的要求。数字化后使信息容错率提高,数据采集更完整。这都为手术室无线数字信号传输奠定了技术基础,消除了发展数字化手术部的关键技术障碍。
为此我们开发了一种适用于手术室无线数字信号传输的5G 切片专网,包括用户平面功能单元(UPF)与外部 5G 核心网连接,并通过5G边缘计算接口连接院内信息化系统;可编程逻辑控制器(PLC)连接所述用户平面功能单元;基带处理单元(BBU)连接用户功能平面单元和外部 5G 核心网,并将网络信号转换成基带数字信号;集线器单元,连接所述基带处理单元,对于电磁屏蔽手术室可通过有线连接穿过手术室屏蔽层接入该手术室,手术室内设置射频拉远单元(RRU)与集线器单元连接,并在该手术室内提供 5G 移动网络覆盖。
也可将 5G 数据传输单元(DTU)设置在手术室内。通过有线连接所述医疗设备并通过所述 5G 移动网络连接射频拉远单元。基于用户功能平面单元、基带处理单元、集线器单元、射频拉远单元部署 5G 移动网络。设置有第一切片网络和第二切片网络,其中第一切片网络用于外部 5G 移动网络通信,第二切片网络用于手术部或院内数据通信。
需要说明的是,5G数据传输单元是通过第二切片网络连接射频拉远单元,并通过 MQTT/MODBUS 协议,RS-232 串口,RS-485串口和双向并口连接医疗设备和手术环境控制设备。
5G开发面临的另一问题是控制手术环境的净化空调系统包括各类传感器、手术室内的控制面板以及管控净化空调系统(新风机组与循环机组)的PLC控制器采用那种医疗网关方式。目前大多医院都采用洁净手术部,将手术室集中布置在手术部,也有的将手术室分块布置。这就需要不同的5G医疗网关方式对于在洁净手术部内集中布置的手术室的 5G 医疗网关方式如图所示。
将每间手术室内的所有传感器和控制器就近接入专用网关(sGW),专用网关通过5G通信模块接入5G 专网(切片),通过5G 与 PLC 侧的专用网关对接。其特点专用网关负责就近收敛传感器和控制器的信号交互、从而取代这些分布于医院各处装备之间繁杂的物理布线。专用网关部置在各自手术室的弱电隔板中,分部网关(pGW)部署于设备层的集成一体化PLC箱中。
对于分散布设的手术室我们采用数据传输单元(DTU)连接方案(见图)。将在手术室内所有的传感器和控制器后端连接 DTU,不同传感器和控制器使用的接口和协议不同,可开发不同的DTU适配。通过DTU转换成数字信号,DTU 另一端通过 5G 模块接入 5G医用专网(专用切片)。在 PLC 侧采用 5G 网关与各 DTU 通过 5G网互联,完成传感器、控制器和 PLC 之间的信号交互。简单、有效,传感器、控制器与 PLC 之间无需物理连线,也不要额外设置。但众多的 DTU 可能投资稍大。
结语
综上所述,提出 5G 无线数字化手术室新模式,将手术室实时需用的数字化与运营管理的数字化解耦。手术部成为相对稳定的管理运营平台,而不时变化的数字化手术室成为嵌入模块。基于5G无线将两者有机结合起来,大大缩短了改扩建的周期,并可充分发挥 AI 功能。使用 5G 切片技术建立院内专网,保证了数据安全,并通过 5G 边缘计算接口实现了院内数据的共享。采用 5G 数据传输单元让手术室原有医疗装备接入 5G 无线网络,在保证原有装备性能的基础上不仅省去了手术室与手术部或医院之间布线工程,实现“数字化手术部”与“数字化手术室”之间的医疗信息传输与控制无线无缝对接。降低了施工与维护成本,便于后续更换。而且也便于手术室设备的更新,或融入新的数字化设备。基于 5G 用无线将两者有机结合起来,有力地推动了数字化手术部的建设,也有利于数字化手术室的应用推广,降低每间手术室的数字化成本。也只有这样的数字一体化手术部才能够充分体现出高性能、数字化、智能化与信息化等特点。