结合“5G”技术研发医院新冠肺炎防治综合信息平台

李强 葛芳民 田雨 张旻海 赵英浩 李劲松 张茂

自2019年12月以来,全球206个国家和地区中,共有1 458万多患者被确诊新型冠状病毒(2019 novel coronavirus,2019-nCoV)感染的肺炎(coronavirus disease 2019,COVID-19),成为了全球性大流行病[1-3],我国也有86 000多例患者确诊2019-nCoV[4-6],2020年1月20日，国家卫健委发布2020年1号公告，将2019-nCoV感染的COVID-19纳入《中华人民共和国传染病防治法》规定的乙类传染病,并采取甲类传染病预防和控制措施[7]。医院在应对COVID-19过程中很容易成为病毒播散的一个途径[8-11],医护人员的职业暴露和院内感染的风险较大[12]。医院既要保证疫情筛查和救治效果,又要对医护人员进行有效防护[13],需要开发一个有效的综合信息平台,实现高效地对患者进行筛查、监护、会诊、探视等。新一代“5G”通信技术具有高速率、低时延、大带宽的特性,可以很好地应用于COVID-19防控场景下的实时生命体征传输、患者监控与交流、远程专家会诊、家属探视等需求。2019年7月浙江大学医学院附属第二医院急诊中心大楼实现国内首家“5G”信号全覆盖,笔者所在团队成功构建了结合“5G”通讯技术的大型社会活动医疗急救保障系统、院前-院内急诊医疗服务平台并应用于实践[14-15]。在此基础上,进一步开展结合“5G”技术的应对新冠肺炎医院救治综合信息平台的研究。现介绍如下。

一、研究方法

研究参与单位有浙江大学医学院附属第二医院、浙江大学急救医学研究所、浙江大学生物医学工程与仪器科学学院、之江实验室、中国移动杭州分公司、杭州川核科技有限公司,杭州杭钢炽橙科技有限公司、达闼(中国)有限公司及浙江大华技术股份有限公司等。参照国家对COVID-19防控的要求和标准[16],确定COVID-19医院救治综合信息平台的功能模块由指挥监控中心、发热患者筛查平台、院内隔离治疗单元三大部分组成,建立4个信息终端来支撑上述三个部分功能,分别是发热门诊筛查终端、隔离病房/ICU移动查房终端、专家远程会诊终端和指挥监控中心终端,实现发热患者筛查和会诊、隔离病房日常查房和会诊,降低交叉感染风险。

本平台信息系统采用javascript语言进行软件开发,前端开发使用VUE框架,后端使用node+SQL server技术。指挥中心终端采用Web网页形式,运行环境为Windows10操作系统。隔离病房和隔离ICU终端、发热门诊终端、专家远程会诊终端采用APP形式,安装于华为M5平板电脑,操作系统为Android 9.0。另外配置智能设备用于整个防治场景中的辅助功能,以尽可能减少人员数量、人员接触的概率。

二、结果

(一)结合“5G”技术的新冠肺炎医院救治综合信息平台的结构

本系统由指挥监控中心、发热患者筛查平台、院内隔离治疗单元三大模块组成(图1)。各单元空间分布如下:急诊中心1楼大厅安置红外线测温、环境清洁机器人。2楼设置COVID-19疑似患者隔离观察病房。3楼设置“5G”远程监控中心。3楼急诊病区配置送药机器人。系统视频介绍见图2。

图2 系统视频介绍

(二)指挥监控中心

通过Web页面,整合、传递、展示多种来源、多种形式的数据,发热门诊、隔离病房和隔离ICU内实时诊疗的音视频和VR全景,结合医院电子病历系统展示患者基本信息和病历,全面掌握患者情况,同时还可以连线远程专家会诊。见图3。

图3 指挥监控中心

(三)红外视频体温筛查系统

在急诊入口处对进入人员进行体温检测,引入基于人工智能图像识别技术和红外热成像技术提高测温的效率、准确率和安全性。一旦发现体温升高的患者,可以实时上传到指挥中心预警。见图4。

图4 急诊入口红外视频体温筛查系统

(四)“5G”视频查房系统

该系统包括医师佩戴的AR眼镜、高清远程视频互动系统、“5G”全景VR实时显示系统等,利用“5G”网络的高速率、大容量、广连接、低延时的特性,实现上述多种文字和图像信息的即时共享,提升“现场真实感”。在隔离病房和ICU配备的全景摄像头,专家在监控中心戴上VR眼镜查看病房内患者情况并指导隔离病房内医护人员对患者进行处置。见图5。

图5 “5G”视频查房系统

(五)“5G”+VR远程探视系统

由于传染性疾病治疗过程中对感染控制有严格要求,患者家属无法进入隔离病房进行探视。“5G”+VR远程探视系统(图6)让家属仿佛置身于患者身边,家属病房外带上VR眼镜可以看到患者的实时状况,同时患者也可以与家属实时沟通,有效缓解患者和家属的紧张焦虑情绪。

图6 患者家属在隔离病房外通过“5G”+VR远程探视系统探视患者

(六)智能机器人

智能机器人可以承担送药品、送标本和清洁消毒工作,减少医疗单元内的人员流动和接触,对医疗场所进行即时清洁和消毒,以降低院内感染风险。见图7。

图7 智能机器人

三、讨论

爆发性传染性疾病给公众健康安全带来巨大的影响,继2003年重症急性呼吸综合征(severe acute respiratory syndrome coronavirus,SARS)之后,COVID-19疫情的爆发再一次为公共健康安全敲响了警钟。2020年1月31日世界卫生组织正式将此次疫情确认为国际关注的突发公共卫生事件。我国城市人口密集,高速铁路和高速公路四通八达,人员流动频繁,为传染病扩散提供了有利条件。许多城市会针对地震、台风和洪水等灾害在城市公共安全规划中采取相应防灾规划措施,由于传染病疫情的爆发具有时空不确定性和偶发性,因而各地医院普遍缺乏足够的防控设备、设施准备[17]。

目前医院抗击COVID-19疫情面临以下三个问题:(1)现有病房设施如何快速转换为COVID-19患者专用隔离病房？(2)如何快速筛查前来医院就诊的患者体温？(3)在保证医疗安全的基础上,如何减少进入隔离病房的医护人员数量,降低感染风险,减少医疗物资消耗？本信息平台能够针对上述问题实现有效地解决。

首先,本研究开发的信息平台可协助普通病房快速转换为COVID-19专用隔离病房。由于病毒具有很强的传染性,院内一线医务人员、普通门诊和住院患者面临大的感染风险[2-4,8-11]。疫情发生之后,医院需要对现有治疗单元进行升级改造,以建立一套隔离病房和隔离ICU监控诊治系统。隔离病房和隔离ICU在接受患者前快速安装摄像头,全景相机,布置带有无线模块的监护仪,给隔离病房内医师配备便携式移动查房终端,并接入医院原有的电子病历系统,结合“5G”无线通讯网络构建的COVID-19医院救治综合信息平台可以让院内各种治疗单元在不同规模传染病疫情发生情境下进行快速平疫转换,为应对传染病疫情快速提供足够的空间载体。

红外视频体温筛查系统可以快速筛查来院就诊患者的体温。Polonsky等[18]将突发传染病应急响应分为四个阶段:探测阶段、早期反应阶段、干预阶段和后干预阶段。医院入口筛查疑似患者属于探测阶段,在这一阶段就开始对患者进行隔离、行踪追溯、预警响应和主要风险评估具有极为重要的意义。当前面对爆发的COVID-19疫情,使用手动红外测温仪在急诊预检处对患者进行体温预检,工作量大、效率低、风险高。本平台引入人工智能红外视频体温筛查系统,从患者进入急诊大门开始就对其进行扫描,实时显示体温,把发热患者快速筛选出来,同时上传到指挥监控中心预警,患者送至发热门诊进一步筛查。根据笔者所在医院的使用经验,红外视频体温筛查系统可靠性与传统耳温仪相当,筛查效率提高,每个患者可以节省30 s左右,起到了快速筛查、早期发现、有效分流的作用,避免了大量患者在急诊入口处聚集和停留。

COVID-19感染或疑似患者在院内隔离病房或ICU内接受治疗时,如果主管医师和护士采用传统的面对面模式进行查房,增加了职业暴露和院内感染风险[19-20]。引入“5G”通讯技术手段后,可以很好满足COVID-19救治场景下的实时生命体征信号传输、视频音频交流、影像资料传输等需求,通过“5G”网络将上述数据显示在监控大屏上,可以减少进入隔离病房医护人员的数量,减少物资消耗,降低直接接触患者和传染的机率。本平台实时采集隔离病房和ICU内患者的生命体征数据和检查检验结果后,可实现一对一的数据传输,也可实现一对多的数据采集传输;随时可以邀请专家通过“5G”通讯网络进行远程会诊。传统“4G”网络下,由于带宽限制,很多数据图像无法实现并行传输,延时明显,“5G”网络可以很好地解决上述问题,特别是在全景相机画面传输等过程中发挥最大优势。全景相机在极短的时间内将多个摄像头采集的数据上传、集成、渲染和下传至头显,让远程专家佩戴全景眼镜(VR眼镜)后获得身临其境的体验。本平台还可以实现床边医疗操作专家实时指导。在进行床边超声检查时,系统可以利用“5G”技术同时传递超声图像和现场检查者第一视角的图像,监控中心内的专家借助操作医师佩戴的AR眼镜上的摄像头同时传递的超声图像,可与操作医师进行同步交流,实现快速诊断;进行气管插管抢救时,监控中心内的专家也可以借助操作医师佩戴的AR眼镜上的摄像头,以“第一人称视角”观察整个过程,让视频画面呈现出更真实的效果,保障诊疗安全规范。专家与隔离病房内的医师远程互动,实时指导床边诊疗操作,可以提高诊治效率和安全性。另外,本平台配备“5G”+VR远程探视系统,家属在隔离病房外佩戴全景眼镜就可以进行无接触式探视,在阻断病毒传播的同时,有效缓解患者和家属的紧张焦虑情绪。各单元配置“5G”智能机器人承担送药品、送标本和清洁消毒等辅助工作,有效减少医疗单元内的人员流动和接触,对医疗场所进行即时清洁和消毒,降低了院内感染风险。但由于目前技术所限,本平台还无法实现呼吸、心脏听诊等查体的同步,现场感还有待进一步增强。

总之,本信息平台能够初步满足COVID-19院内筛查与防治的需求,在有效完成防治医疗任务的同时降低医护人员感染风险,更多功能有待于在完整的“5G”网络和真实场景下不断优化。