構建醫(yī)院智慧手術室的探索與思考

□朱巧巧 ZHU Qiao-qiao 蔡平 CAI Ping 汪穎穎 WANG Ying-ying 張敏 ZHANG Min 孔振芳 KONG Zhen-fang

在全國推動“醫(yī)聯(lián)體”發(fā)展模式的大背景下，醫(yī)院重新思考、構建診療服務模式，借助智慧醫(yī)療發(fā)展成果，以真實動態(tài)數(shù)據(jù)為基礎，以人工智能技術為核心，結合患者的診療服務需求以及醫(yī)院重點科室和部門應對需求的變革，對醫(yī)院信息化體系架構進行重建，增強醫(yī)院各科室之間以及醫(yī)聯(lián)體醫(yī)院之間的互聯(lián)互通和信息交互能力，為改進醫(yī)聯(lián)體整體服務能力奠定基礎。手術室作為評價判斷醫(yī)院整體實力的一個重要科室，其布局設置的合理性、信息管理系統(tǒng)的智能性及對手術器械和藥品配備的準確性均影響手術效果和手術室運轉效率[1]。因此，在醫(yī)聯(lián)體模式下，對醫(yī)院手術室進行智能化改建，引入人工智能、大數(shù)據(jù)以及5G 網(wǎng)絡等技術，整合患者手術相關信息，進行綜合分析、科學研判，對提高手術室運轉效率、降低患者平均住院日具有重要意義。

智慧醫(yī)療的發(fā)展現(xiàn)狀

1.智慧醫(yī)療及其應用。智慧醫(yī)療(Smart healthcare)最早是由IBM 首席執(zhí)行官彭明盛于2009 年提出，其主要目的是解決醫(yī)療機構職能效率低下、醫(yī)療資源分配不均以及醫(yī)療費用昂貴等導致醫(yī)患關系矛盾突出等問題。目前，學術界普遍認為智慧醫(yī)療是指將新一代5G 信息網(wǎng)絡技術與醫(yī)療衛(wèi)生資源有機融合[2]，促進診療以及健康數(shù)據(jù)信息在不同科室或醫(yī)療機構之間共享和交換，推進醫(yī)療資源的高效利用和診療服務的智能輔助，消除患者與醫(yī)務人員以及不同層級醫(yī)療機構之間因空間距離造成的診療障礙，提升疾病診治、遠程會診和教學觀摩等工作效率，為民眾提供更加便捷和更加優(yōu)質的醫(yī)療健康服務。

隨著信息化的發(fā)展，人工智能技術已在多個行業(yè)得到廣泛應用。目前，人工智能技術在醫(yī)療行業(yè)應用較成熟的領域為人工智能用于醫(yī)學影像的識別，可以有效提升病灶定位和判斷的效率。Yang X 等調查數(shù)據(jù)顯示[3]：200 張CT 片，人工讀片大約需要半小時，而通過智能化的影像檢測系統(tǒng)則只需要2 ～5 秒就能顯示結果，并且準確率高達95%以上。其次，人工智能與患者數(shù)據(jù)信息管理緊密結合，通過對患者疾病史、臨床癥狀、檢查檢驗結果以及治療方案等多種原始數(shù)據(jù)進行集中分析，綜合研判，輔助醫(yī)生進行臨床診斷，為臨床醫(yī)生選擇治療方案提供參考和依據(jù)。

2.人工智能技術在手術室中的應用。隨著醫(yī)學的發(fā)展，精準化、數(shù)字化、智能化以及個性化服務逐步成為現(xiàn)代醫(yī)療服務的發(fā)展方向。在手術室中，如何通過對患者術前和術中多種影像資料和檢驗項目進行綜合分析，助力手術進程是人工智能技術在手術室中應用的大勢所趨。目前，國內(nèi)外一些大型醫(yī)院手術室引進人工智能平臺，術前通過科學智能規(guī)劃確保手術精準化、術中通過智能導航確保手術精細化、術后通過定期隨訪確保手術系統(tǒng)化[4]，在人工智能技術的支持下確保手術活動的三位一體，切實輔助醫(yī)生提高手術效果，尤其在全國大力推進醫(yī)聯(lián)體模式的大背景下，通過人工智能更能將精準外科理念推廣落實到廣大基層醫(yī)療機構中。

國內(nèi)醫(yī)院手術室建設存在不足

1.醫(yī)院手術室建設重數(shù)量輕質量情況較嚴重。董非等[5]對醫(yī)院手術室的建設現(xiàn)況進行調查發(fā)現(xiàn)：我國大型三甲綜合醫(yī)院潔凈手術室所占比例不足30%，而在潔凈手術室中有25%屬于低級別，60%屬于中級別，高級別潔凈手術室所占比例僅為15%。此外，由于大型綜合醫(yī)院每天的手術量較多，醫(yī)院為滿足手術需要，往往建較多手術室，但是手術室質量卻沒有達到相關要求。部分醫(yī)院手術室數(shù)量已超過國家衛(wèi)健委規(guī)定的數(shù)量標準，但有級別的潔凈手術室數(shù)量卻嚴重不足，對手術室無菌環(huán)境的要求還存在較大差距。

2.新建醫(yī)院潔凈手術室布局缺乏科學合理性。目前，一些醫(yī)院新建院區(qū)的手術室硬件設施和空間面積較以往有明顯改善，但是手術室的區(qū)域劃分、功能布局還缺乏科學合理性。一些新建醫(yī)院的手術核心區(qū)未達到高級別潔凈標準，手術流程布置欠合理。部分新建醫(yī)院雖然手術區(qū)域空間較大，但手術室的功能區(qū)域劃分不合理，各功能區(qū)用房混亂，沒有嚴格按照潔凈程度劃分手術間，有些將一般手術室與高級別潔凈手術室混在一起，容易誘發(fā)交叉感染。

3.部分醫(yī)務人員對潔凈手術室概念的理解存在偏差。據(jù)一項調查顯示，目前，50%的外科醫(yī)生和30%的管理人員缺乏對潔凈手術室的空間消毒意識[6]。部分外科醫(yī)生和手術室人員誤認為導致手術患者感染的主要方式是通過接觸感染，而空氣污染導致感染的可能性較小，因此，對手術室內(nèi)的空氣消毒重視程度不夠。由于對潔凈手術室的日常管理、消毒處理還缺乏一套行之有效的運行流程和監(jiān)管系統(tǒng)，導致某些新建醫(yī)院的潔凈手術室術后患者出現(xiàn)感染的機率高于普通手術室。

除上述不足外，國內(nèi)醫(yī)院手術室還存在手術資訊未被充分利用、缺乏獲取與存儲資訊的有效手段、缺乏對手術質量有效監(jiān)控、手術室內(nèi)設備之間的連線較為復雜以及醫(yī)療設備缺乏有機整合等多方面的短板。

智慧手術室的優(yōu)勢分析

智慧手術室的概念：智慧手術室主要是通過影像、信息以及5G 網(wǎng)絡等技術手段，調取醫(yī)院信息系統(tǒng)(HIS)中與患者相關的影像資料和數(shù)據(jù)信息，并將患者在手術過程中的相關指標進行匯總分析，實現(xiàn)多向傳輸于一體的智能化系統(tǒng)。此外，智慧手術室還可以通過實時互動的方式進行遠程觀摩和教學演示，通過大數(shù)據(jù)信息保存功能對每一臺手術過程進行跟蹤預覽、回放和儲存，同時，還能有效地對手術室人員安排、手術臺次排序、手術間分配以及手術器械物資和藥品的統(tǒng)一調度和管理，通過大數(shù)據(jù)分析、5G 醫(yī)療和人工智能等新型技術生成科學、合理、高效的優(yōu)化方案。

1.集成性。作為人類最復雜的醫(yī)療行為“手術”，必須短時間內(nèi)把各種信息進行采集并應用，因此，智慧化手術室必須具備高度的集成性。通過大數(shù)據(jù)分析，準確判斷接受手術治療患者的生命狀況、手術難度以及在手術過程中可能遇到的風險，提前做好突發(fā)情況的應急處理，保證緊急搶救時器械、藥品以及血液的準備和供應。

2.高效性。在手術室空間和人員有限情況下，如何實現(xiàn)高效運行是智慧化手術室建設的關鍵要素。智慧化手術室建設要求必須具備詳細的醫(yī)務人員排班、交班系統(tǒng)，對手術室各項工作、藥品器械的分發(fā)和調配進行科學合理的優(yōu)化，減少手工環(huán)節(jié)，提高手術效率。

3.精細性。作為大型綜合三甲醫(yī)院，平均每天手術數(shù)量高達幾百臺，其中包括骨科、神經(jīng)外科、泌尿外科、婦產(chǎn)科等多個學科和專業(yè)，手術名稱、方式復雜，需要準備品種繁多的大量手術器械，并且手術過程中往往短時間內(nèi)就需消耗大量的藥品、耗材以及血液血漿等，只有通過智慧數(shù)字化建設，科學統(tǒng)籌精細化保障，才能有效提高手術室的工作效率和保障能力。

4.遠程性。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，尤其是5G 時代的到來，作為大學附屬綜合三甲醫(yī)院的手術室除應具有遠程會診、遠程手術和遠程談話等功能外，還承擔著重要的遠程示教功能，因此，遠程性必然是醫(yī)院智慧手術室發(fā)展的主要方向。

5.智能性。智慧手術室應在術前對手術方式和過程進行規(guī)劃，對手術風險進行智能化評估；術中通過智能設備對手術進行實時導航，輔助精準手術；術后通過對手術數(shù)據(jù)進行智能分析，判斷患者術后恢復和預后情況，為臨床治療決策提供重要參考。

未來智慧手術室建設思路

智慧手術室建設理念是以患者臨床各項數(shù)據(jù)為基礎，以人工智能技術為核心，以提高手術治療效率和服務質量為導向。基本建設思路是在原有手術室的基礎上，融合現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡、人工智能以及區(qū)塊鏈等技術，做到在圍手術期對患者病情的實時預測和分析，手術方案和麻醉方式的選擇、優(yōu)化及干預。并在此基礎上，結合醫(yī)聯(lián)體模式下的分級診療流程，通過大學附屬醫(yī)院的優(yōu)勢醫(yī)療資源帶動區(qū)域醫(yī)療的協(xié)調發(fā)展。

1.智慧手術室的功能區(qū)域建設。智慧手術室不再是傳統(tǒng)醫(yī)院手術室信息化應用的單體結構，而是根據(jù)不同的作用劃分為多個功能區(qū)域(圖1)。

圖1 智慧手術室的功能區(qū)域

1.1 智能識別系統(tǒng)。結合手術排班系統(tǒng)以及醫(yī)護人員的鑒權體系，設計智能化的手術門禁管理系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對進入手術室區(qū)域人員的管理，避免出現(xiàn)家屬或者無權限醫(yī)護人員擅自進入手術區(qū)域。

1.2 衣鞋管理。通過智能識別系統(tǒng)，對手術室醫(yī)護人員及外來人員的衣、鞋進行有效管理，做到精準發(fā)放與回收，對處于手術區(qū)域醫(yī)護人員的衣、鞋穿戴行為進行規(guī)范化、智能化管理，提高工作效率[7]。

1.3 談話間。醫(yī)生通過直播手術影像，幫助患者家屬及時、準確地了解手術進展及可能遇到的突發(fā)情況，緩解了過去由于信息不對稱給患者家屬帶來的緊張情緒，提高了患方的就醫(yī)舒適度。此外，通過對手術各個環(huán)節(jié)的追蹤管理，增強了手術的透明度和家屬的知情權，實現(xiàn)患者醫(yī)療信息共享，有利于減少醫(yī)患矛盾和沖突。

1.4 主任辦公室。以服務患者為核心，科室主任可以坐在辦公室與主刀醫(yī)生進行手術視頻會診，并可通過視頻邀請多位專家進行病情討論，真正拉近外科與手術室的距離，并通過遠程手術指導對手術室云臺進行實時控制，實現(xiàn)醫(yī)護人員的最優(yōu)化協(xié)作和信息共享，提高診療效率和手術成功率。

1.5 示教室。示教室可通過多路音視頻與手術室開展實時互動，再現(xiàn)手術的全過程。一方面，擺脫了傳統(tǒng)教學中視野和觀摩人數(shù)受限的問題，在降低人員密度及手術室感染風險的基礎上大大增加示教人數(shù)和范圍，為教學醫(yī)院尤其是大學附屬醫(yī)院的手術帶教提供便利；另一方面，可以對專家手術進行全方位高清錄制，集中保管和存儲，為醫(yī)護人員提供學習觀摩的影像資料。通過數(shù)字化手術室實現(xiàn)臨床知識和手術技能的傳授，提高學術溝通和醫(yī)生技能培訓的生動性和真實性，有利于加強對年輕醫(yī)生的培養(yǎng)和醫(yī)院人才隊伍建設。

1.6 家屬等候區(qū)。家屬等候區(qū)配置的顯示屏是協(xié)助醫(yī)生與患方交流溝通的重要媒介。首先，從麻醉系統(tǒng)實時獲取手術進程信息，借助顯示屏向患者家屬展現(xiàn)手術狀態(tài)，并且支持視頻、ppt等宣傳材料的播放，提高了信息獲取的便捷性。其次，家屬等待區(qū)的顯示屏幕采用LED 公告系統(tǒng)，主治醫(yī)生可以在必要時刻通過顯示屏發(fā)布信息或者語音的形式呼叫家屬談話；家屬也可以通過屏幕公告獲取手術相關的基本信息。最后，系統(tǒng)支持對患者的隱私信息進行加密，確保了患者的隱私權。

1.7 麻醉臨床信息系統(tǒng)。麻醉臨床信息系統(tǒng)以信息集成共享、廣譜設備集成共享兩大平臺為依托，覆蓋了患者從入院，術前、術中、術后直至出院的整個過程。通過與醫(yī)院信息系統(tǒng)及病床監(jiān)護系統(tǒng)的業(yè)務協(xié)同，自動收集圍手術期患者的臨床數(shù)據(jù)，并能進行精準、細致的記錄，確保麻醉質量，減少醫(yī)療事故。同時，還可以對麻醉相關業(yè)務進行管理，包括麻醉病人的術前評估、手術實時記錄、患者復蘇記錄、毒麻藥管理等等，真正實現(xiàn)手術室的高效智能以及麻醉質量控制體系的規(guī)范化。

1.8 數(shù)字化手術間。數(shù)字化手術間專科定制方案，根據(jù)醫(yī)院各個科室的手術特點，手術間設計不同的布局構造，以滿足各類特色手術的應用。對手術室儀器設備的數(shù)字化信息進行無損收集、傳閱、處理、貯存和全院共享，建立基于同一時間軸的手術室設備控制、手術視頻調度、視頻示教、手術遠程指導、精準外科輔助功能。通過信息技術實現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)交互共享，實現(xiàn)對患者手術的全方位、全過程管理。

1.9 復蘇室。記錄患者術后恢復過程中的生命體征，包括血壓、氧飽和度、心律以及用藥情況等信息，系統(tǒng)自動生成復蘇記錄單；同時，為了確保病人術后復蘇與手術過程中臨床資料的一致性和連續(xù)性，允許持續(xù)使用麻醉記錄單的報告模式。

1.10 中央監(jiān)控室。運用自動控制技術，采集手術室內(nèi)全景、生命體征、術野視頻信號，并同步采集手術室內(nèi)的語音信號，經(jīng)過網(wǎng)絡實時傳輸?shù)街醒氡O(jiān)控室，實現(xiàn)智慧手術室的資源智能化管理。

2.智慧手術室的系統(tǒng)架構建設。在醫(yī)聯(lián)體模式下，大學附屬醫(yī)院智慧手術室建設的主要目的是促進區(qū)域醫(yī)療范圍內(nèi)醫(yī)護人員、患者、醫(yī)聯(lián)體成員、醫(yī)學院校師生之間的交流溝通，規(guī)范手術器械、麻醉藥品以及血液制品的管理，縮短手術流程時間，提高手術效率，并通過遠程教學或會診技術，提升大學附屬醫(yī)院的醫(yī)教結合水平。因此，智慧手術室在系統(tǒng)架構設計方面，應充分考慮系統(tǒng)架構的開放性、兼容性和可擴展性。

根據(jù)系統(tǒng)架構功能的不同，可以劃分為用戶層、智慧應用層、數(shù)據(jù)及服務支撐層、網(wǎng)絡通訊層以及反應感知層等5 個層面(見圖2)。(1)反應感知層是以人工智能感應技術為核心，利用傳感器、攝像頭、射頻識別技術以及執(zhí)行機構等實現(xiàn)對各種設備、器械、藥品以及人員等進行信息采集、智能識別、動態(tài)監(jiān)測、自動調控以及全流程的保障服務，從而使智慧手術室對人、物以及周圍環(huán)境具有智能感知的反應功能。(2)反應感知后的信息通過網(wǎng)絡通訊層將信息上傳至數(shù)據(jù)服務支撐層，其中網(wǎng)絡通訊層主要是為智慧手術建設中的人員、系統(tǒng)、器械以及各種設備之間信息的收集、共享和流動提供基礎支撐。(3)數(shù)據(jù)及服務支撐層包括兩部分，一部分為數(shù)據(jù)資源中心，其主要作用是提供領域信息資源、醫(yī)聯(lián)體信息資源、互聯(lián)網(wǎng)資源的共享；另一部分為數(shù)據(jù)交換平臺，其主要功能是對數(shù)據(jù)匯集與存儲、數(shù)據(jù)融合與處理、虛擬數(shù)據(jù)視圖。(4)從反應感知層通過網(wǎng)絡通訊層上傳至數(shù)據(jù)及服務支撐層進行分析后，再將數(shù)據(jù)資料上傳至智慧應用層，該層通過人工智能技術，大數(shù)據(jù)分析和仿真模擬等技術對各類感知信息進行綜合加工、預測預判，為用戶層做出相應處理決策提供依據(jù)。 (5)用戶層包括臨床醫(yī)護人員、患者、醫(yī)院管理人員、醫(yī)聯(lián)體成員以及醫(yī)院上級的大學師生。不同群體用戶層收到相關信息后所做出的決策會反向通過智慧應用層、數(shù)據(jù)及服務支撐層、網(wǎng)絡通訊層，最終作用于反應感知層做出具體反應和應對。

圖2 智慧手術室系統(tǒng)架構

展望與思考

智慧手術室建設是融合現(xiàn)有5G 網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈以及人工智能等多方面信息技術為一體的系統(tǒng)工程，對提高手術效率，縮短患者平均住院日，增進醫(yī)聯(lián)體各級醫(yī)療機構之間的互聯(lián)互通具有重要作用。但在構建的過程中還面臨著多方面關鍵技術的挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在以下5 方面：(1)集成平臺技術的挑戰(zhàn)。如何將不同操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)庫等信息高度集成，實現(xiàn)臨床信息的一體化運用，并降低系統(tǒng)維護成本是智慧化手術室在建設過程中面臨的首要問題。(2)3D 技術的挑戰(zhàn)。應用先進的3D 技術，混合現(xiàn)實、術中精準定位、3D 再實現(xiàn)，比單純的虛擬現(xiàn)實、術前三維重建更具備手術輔助指導意義。(3)大數(shù)據(jù)分析技術挑戰(zhàn)。醫(yī)療大數(shù)據(jù)由大量非結構化信息構成，如何將采集的不同類型數(shù)據(jù)進行整合，為疑難雜癥診療提供大量相似病例的臨床決策支持，在無法進行特征提取和自動分析的情況下，如何避免多樣性的數(shù)據(jù)在醫(yī)療信息系統(tǒng)中形成孤島，這些都是智慧化手術室亟待解決的技術問題。(4)無菌條件下信息化技術應用的挑戰(zhàn)。智慧手術室發(fā)展的方向應該是使用全息技術、語音技術實現(xiàn)信息輸入，以減少通過手部接觸而導致無菌區(qū)域被污染的風險。(5)遠程技術推行的挑戰(zhàn)。精準和微創(chuàng)越來越成為外科手術發(fā)展的一大趨勢，目前，機器人手術的出現(xiàn)和普及將遠程手術的發(fā)展提升至一個新的階段，因此，應著力提升智慧手術室遠程技術保障能力，避免遠程操作過程中由于操作者觸覺反饋的喪失或減弱對手術機器人造成影響，確保即使與患者相隔千里，主刀醫(yī)生通過遠程機器人手術技術，仍然能夠保證手術的順利進行。