基于災難醫學救援的系統工程數字化建設及應用研究

周 丹，劉中民

新型冠狀病毒肺炎疫情作為當下重大的全球性公共衛生問題，給世界各國人民的生命健康和社會發展都帶來了巨大風險。災難醫學以減輕突發事件對人類生命健康造成的危害為目標，在應急救援中發揮著舉足輕重的作用。在面對疫情發出的各種挑戰的同時對醫療系統高效運轉、防疫救治的專業能力、工程設備的研發應用等也隨之提出了更為多元的要求。系統工程是從整體出發，合理開發、設計、實施和運用系統的工程技術。它根據總體協調的需要，綜合應用自然科學和社會科學中有關的思想、理論和方法，利用電子計算機作為工具，對系統的結構、要素、信息和反饋等進行分析，以達到最優規劃、最優設計、最優管理和最優控制的目的。

目前中國人工智能發展已經進入新階段，并可能成為我國未來經濟發展的一個新引擎。傳統醫療模式向大健康模式轉變需要一個過程，但未來已不遠。以移動防疫醫院為主的數字化醫院建設，將為大規模疫情爆發情境下，醫療資源擠兌情況的發生提供了很好的應急補充。同時能為多場景、多災種下的應急救援提供全方位、全功能，軟硬件結合的配套設備和后勤保障設施，破除傳統醫院應急救援機動性和靈活性不足所導致的應災脆弱性和抗災低效性等弊端。因此，災難醫學救援系統工程以救援設備和技術研發為目標，以智慧智能、5G專網、大數據等為技術基礎，對應急救援工作加以數字化和信息化賦能，打造適應新時期應急需求的工程系統，對應對當下及未來可能發生的各類突發事件尤為重要。

1 災難醫學工程體系的建設現狀及新冠疫情的現實挑戰

災難醫學救援系統工程圍繞災難醫學工程管理體系建設和科技成果轉化應用實踐，內涵政、醫、產、學、研、治、用等一體化發展要素和科技資源，涵蓋體系構建、科技研發、教育教學、培訓演練等多方面內容。其外延是以推進韌性城市建設和維護人民生命健康為根本目標，通過科研力量和專業行動服務于國家戰略和社會發展，從而提升專業人才科研素養和知識創新，推動行業社會學術交流與科普宣傳，提高群眾自救互救能力和災難醫學救援水平

1.1 災難醫學工程體系的建設發展隨著醫療數字化的不斷推進，出于當下我國災難救援過程中存在的問題和應用需求，災難醫學救援的工程建造思路和功能要求也不斷創新。在當下醫院發展及運行過程中，移動醫院以其高度的移動性和靈活性，破除了傳統醫院的空間壁壘，對醫院穩定發展和功能延展具有重要作用和意義。移動醫院也逐步被全球醫療行業采用，并最終將醫學研究帶入一個全新的發展階段[1]。目前，在移動醫院工程建造的設計方面，有學者建立了快速高效新型檢查檢驗移動平臺[2]。還有對醫療移動方艙醫院的功能、流程開展的設計研究[3]。類似地，有研究基于模塊化設計理念，將移動醫院分為指揮系統、醫療系統及保障系統三大模塊[4]，以醫療方艙作為設備工作的平臺對各專用設備進行合理分配、集成，使之具備完成各種任務的功能[5]。在數字化創新方面，隨著信息技術的日益進步和醫院信息化建設的不斷發展，移動醫療與移動管理平臺的應用將成為今后數字化醫院建設的主要方向[6-8]?！盎ヂ摼W+”代表一種以互聯網為基礎設施實現工具的經濟發展新形態[9]。而互聯醫院就醫平臺，正在形成以人為中心的智慧就醫平臺，通過信息流、人流、資金流將互聯網技術、大數據庫、云計算等與各醫院實現開放對接[10-12]。

目前，人工智能在災難醫學救援主要有三個方面的應用：一是虛擬診斷系統，幫助醫生、護士、技術員做診斷護理[13]；二是大數據的集成、挖掘，尤其是數據端的開放，安全問題等[14]；三是智能影像[15]。此外，醫院之間的醫療資源共享剛剛起步。通過數字化平臺建設，實現智慧醫院在信息和資源共享方面的改善，是提升應急救援和日常診治效率的重點。綜上所述，非常規突發事件的頻發，使得應急救援和醫療工程體系面臨的內外環境發生了根本變化。數字化已成為提高醫學救援的科學管理水平、醫療服務質量和醫療工作效率的有效手段，以數字化系統工程為基礎，加快移動醫院建設是災難醫學發展的必然要求。

1.2 新冠肺炎疫情的現實挑戰全球新冠疫情發生初期，中國迅速針對疫情制定出預防和控制措施。然而，由于疫情耦合春節假期，春運加劇了疫情的擴散和后續治理的難度。武漢封城前后，疫區醫療資源尤為緊張且管理混亂。各大醫院人滿為患、管理失序，確診病例和疑似感染者在公共場合共處。疫情應對及防護設備嚴重不足，一線醫護人員缺乏防護服及醫用口罩，承擔了巨大的安全風險。政府對疫情信息掌握不足，抗疫物資通過非正常渠道進入未接收病患的醫療機構。從確診病例的收容救治，防疫政策的頒布實施，火神山、雷神山醫院的建設，防疫疫苗、核酸試劑的研發等等重大舉措的頒布實施中總結有益經驗，也在抗疫過程中肩負了信息公布不及時不準確；疫情研判能力有待提高；社會動員能力不足，醫護人員職業性感染、救治效率不高；方艙醫院耗工耗時巨大等諸多挑戰。

總結來看，我國災難醫學救援系統工程存在低組織、低效率、低普及問題。因此，為突破傳統醫院建設的時空限制以及高成本、低效率，無法適用多災難情景的弊端，亟需推動以移動醫院為載體、以通訊技術為串聯，以無人系統為依托，以人工智能為工具的數字化災難醫學救援系統工程建設。

2 數字化、模塊式、可生長的災難醫學系統工程建設研究

災難醫學系統工程數字化以建設“備災醫院”為戰略起點，分別規劃平時診療業務和災時救援功能。以“防于災前、重于災中、善于災后”為總體思想，于災前開展常態化隊伍演練、創新裝備研制、標準化物資儲備、專業化醫學教育、社會化科普宣教；在災中通過數字化重塑診療業務手段，優化災難醫學救援流程，形成數據中樞及綜合管理平臺賦能“平災結合”一體化發展，打造院前、院內一體化?？茀f同的閉環系統；災后進行可持續發展的醫療保障及重建，最終實現備災醫院戰略建設目標。系統工程架構和應用框架，如圖1所示。

圖1 災難醫學系統工程架構及應用框架

2.1 數字化的災難醫學系統工程建設研究數字化是工程系統實現高效運轉的直接動因，主要技術實現途徑是以遠程醫療設備及防疫移動醫院為載體，布局建設云計算、物聯網、大數據、人工智能、衛星遙感、無線通信、虛擬現實等，建造數字化移動指揮中心，從而實現高新技術在災難應急救援領域的創新應用。

2.1.1 復雜災害條件下的移動指揮中心建設以負壓隔離帳篷結合車載移動醫院，建設適用于全災種應對的移動指揮中心?；诳焖俳ㄖ畔⒛Ｐ停˙uilding Information Modeling，BIM）技術，實現應急救援指揮中心在建筑結構、水電暖通等設計方面的信息共享，大大提升搭建效率。通過雙層氣膜結構，簡化建筑支承結構，實現快速搭建。優化氣膜結構、材料及連接方式，形成更高的體積壓縮比，方便運輸與儲存。同時將突發事件的全過程信息融入專業學科大腦，利用5G+物聯網+信息化對接大數據分析與人工智能，構建服務于災區移動應急指揮中心的數字孿生對象和知識圖譜，構建應急救援指揮中心的軟件中樞。

2.1.2 適應不同災難地貌的探測救援機與機器人研發在客用飛機的基礎上，改造生產商用和災用“一機兩用”的應急救援飛機。合理布局艙內空間及配件設施，配置應急救援物資和醫療救治設備，改良客用座椅的固定裝備為可靈活拆卸重組的手術床。設計安裝地貌探測攝像及數據實時回傳裝備，使其兼具日常商用飛行及災時救援探測與醫療救治等功能。打造后勤保障車內機器人的固定快遞轉移平臺定制抗震槽位、充電裝置、全自檢系統，實現應急處置機器人的快速裝車及快速展開。使用改進型的履帶底盤懸掛技術，通過運動算法實現全地形的平穩行動，解決多地形的機器人越障避障。

2.1.3 基于無人系統的災情偵測和救援模擬智能體系以移動應急救援指揮部為中心，對災區周邊情況開展無人機拍攝及高精度建模。搭建測繪無人機應急智能服務系統，開展應用示范，實現無人機測繪災害現場的多源數據集成，以及數據的動態更新可視化，為輔助分析應急處置決策、現場救援及指揮調度方案提供智能服務。進而開發適用于災區、戰區、疫區及惡劣環境下的無人智能系統。

2.1.4 借助遠程通訊的災害救援調度指揮系統集成開發基于多通信技術融合網關的研究開發，將以太網生產線設備終端（Ethernet Line Termination Equipment，eLTE）、物聯網（Internet of Things，IOT）與5G網絡的融合打通，實現應急救援各類數據的通信互聯，形成全方位的移動調度指揮信息系統。同時，通過衛星應急系統對5G網絡的完成組網備份，保障在極端情況下各類基礎通信能力的全天候工作。解決災難場景下，傳統數據通信網絡在帶寬、時延和穩定性方面的弊端。

2.2 模塊式的災難醫學系統工程建設研究模塊化是構成系統功能的各工程的組合邏輯。系統是由相互作用和相互依賴的若干組成部分或要素結合成的、具有特定功能的有機整體。在系統的結構中，模塊是可組合、分解和更換的單元。每個模塊完成一個特定的子功能，所有的模塊組裝實現整個系統所要求的功能。

2.2.1 底層支撐上層的智能急救與應急救援省際平臺省際急救與應急救援云平臺，包含應急事件管理、應急預案管理、應急基地管理、應急救援隊伍管理、移動醫院醫學救治管理、應急物資管理、應急地理信息集成等支撐功能，采用可擴展技術框架，提供開放統一接口，便于各地區、各單位現有平臺接入。同時融合智能技術提升平臺支撐功能，包括應急地理信息技術、預案鏈技術、物聯網技術、大數據分析技術等。平臺總體架構可以對接多源異構的急救信息，實現急救資源的匯集整合，通過底層算法模型進行數據采集、抽取、清洗、分析，完成各個上層應用的輔助決策。平臺上層應用系統主要包括：區域急救指揮調度系統、動態資源管理系統、急救資源全景視圖、日常工作管理系統、急救大數據應用系統。各應用系統中產生的相關數據不斷匯集至底層平臺，形成一條循環的數據鏈路，持續優化整體緊急救援保障體系。

2.2.2 院前及院內一體化的?？茀f同急救網絡體系應用大數據、云計算、移動互聯等多種先進技術，構建一體化急救數據平臺，對接整合院前急救、院內急診、?？葡到y和設備數據，融合標準化急救病歷、移動協同救治系統、生命體征傳輸、遠程急救監護、全球衛星定位系統跟蹤定位、區域時鐘同步、急救智能輔助等功能模塊，為開展協同急救提供統一基礎平臺支撐，如圖2所示。

圖2 院前院內一體化的?？茀f同急救網絡平臺架構示意圖

2.2.3 手術室內和室外遠程控制機器人系統介入機器人系統的模塊化構成主要包括操作機構、支撐機構和推進機構三個部分。其中，操作機構負責完成對手術機器人的遠程控制，具備三個控制端，分別控制導絲的前進（后退），導絲的旋轉，導管的前進（后退）。支撐機構負責介入機器人的床旁固定和位置調整。推進機構是系統的核心模塊，負責實現導管導絲的各項運動，通過精密的機電一體化控制夾取導管導絲并根據醫生的遠程指令完成相應的前進，后退及旋轉動作，并將過程中的數據（位置，壓力，角度等）實時傳輸到控制機構供醫生進行決策。遠程控制機器人系統構成如圖3所示。

圖3 遠程控制機器人系統構成

2.3 可生長的災難醫學系統工程建設研究可生長是系統工程快速延展的方式，及實現復制應用的關鍵。以車載移動醫院為載體，創新具備快速展開、無限擴展、功能齊全、方便拆除等優勢特征的應急指揮基地和醫學救治場所。使其具備抵御復雜災害條件及環境荷載能力，實現在戰時、災時、疫時等多場景下的戰略隱蔽、統一指揮、人員救治等多種應急處置功能，并保證設備與人員安全。以標準制定為指導，設計生產預制模塊，是系統工程模塊化的基礎。也可以說，模塊化是實現系統可生長的方法之一。標準化為在一定的范圍內獲得最佳秩序，對實際的或潛在的問題制定共同的和重復使用的規則的活動，包括制定、發布及實施標準的過程。標準化也是工程設備管理實現可復制的最有效方式，其重要意義在于改進系統中各模塊或部件，運行和服務的適用性。此外，出于系統工程的復雜特性，以標準化促成災難醫學救援快速展開、無限生長，還可依靠流程簡單化、預制設備統一化、產品系列化、部件通用化、功能組合化等。

3 災難醫學工程數字化建設的未來展望

全球經濟社會高速發展并趨于一體化，在各國致力于促進自身發展的過程中，應對災難和風險的應急管理工作，于全球而言都占據著舉足輕重的位置。美國、日本、德國等發達國家都設有專門的機構以處置突發事件，并著力開展應急管理工程建設項目。從新冠肺炎疫情的實際應對來看，做好醫院的數字化建設具有很大的現實意義，災難醫學應當成為引領應急管理工程體系形成和發展的“風向標”。

數字化技術使移動醫院可以及時、安全、有效的開展醫學救援。以信息技術、5G專網、人工智能為基礎研發的數字化應急救援移動醫院成為適應新時期需求的必要一環。而移動醫院的逐步落地，需要解決資源整合，數據共享，人工智能，運營閉環等問題。在推進災難醫學系統工程數字化建設的過程中，首先應當加強“全功能”的信息集成系統開發與應用。構建快速、安全、可靠的移動化、遠程化和智能化的綜合網絡信息平臺，提升移動醫院的機動性和聯絡性，打破災難救援現場信息孤島的現狀。其次，對于災難醫學救援提供支撐的技術創新研發，應進一步促進面向“全災種”的新型移動醫院的迭代升級，研發能夠機動性地響應不同地區和地形需求，可快速展開的負壓隔離病房。此外，模塊化地預制醫療設備、通訊設備，以及配套的后勤保障設備，能在應急情況下快速響應，形成聯動模式并搭載信息決策中心設備，為建設應急救災醫療救治體系打造新范例，從而解決災難救援現場醫療資源短缺的問題。同時，還要借助無人系統和遠程系統，延伸災難現場的救援時間和空間，擴展災難醫學在災情分析、預警預報、模擬演練方面等環節的價值功能。

因此，要適應數字化建設能對災難醫學救援系統工程所提出的要求，未來著眼應急救援移動醫院載體功能建設，需要解決四大瓶頸：基于5G網絡和多通信技術的融合問題；邊緣計算和網絡切片技術對醫療云及大數據人工智能（Artificial Intelligence，AI）能力的優化提效問題；底層系統和集成系統的便攜化和快速部署能力問題；基于多源物聯網的移動醫院可視化決策支持系統（Decision Support System，DSS）輔助大型職能終端的集成化要求，從而適應惡劣環境下的信息互聯互通，以及信息系統對醫護人員和患者的友好度提升改善問題。這四個方面對災難醫學應急救援的發展起到至關重要的作用，同時對于突破傳統醫院技術理念和診療模式極具創新性和開拓性。

4 小 結

互聯網的發展，人工智能的進步，以及遠程醫療和信息系統的技術突破，為災難醫學數字化系統工程的形成與發展提供了良好的基礎，并對傳統醫院的診療理念和救援模式產生巨大的影響。將數字化、模塊式、可生長的研究思路應用于災難醫學系統工程建設，從戰略高度打造災難醫學數字化工程系統，從而改善增進當前災難醫學系統工程建設的數字化水平，為多災種的應急救援工程技術研發提供方向和支撐。以能夠適用“全災種”，迭代升級的移動醫院創發為載體，通過創新數字化應急救援移動醫院的研發，積極探索災難現場的系統工程數字化建設，解決我國在多災風險背景下應急救援難點。通過數字化、模塊化、可生長的系統工程多場景建設應用，實現醫療、信息、工程、管理等交叉學科在應急救援平臺上的交叉融合集成創新。以數字化提升移動醫院的機動性和聯絡性，實現搜、救、運一體化建設和院前、院內重癥的無縫對接。以模塊化促標準化，為多災種的應急救援提供技術范例，并推廣應用，從而實現可生長。由此可為醫務人員解決災難救援中的實際業務需求，為患者提供更好的醫療服務和保障措施。同時更有效快速地分配醫療資源，極大地提高救援成效。最終，將災難醫學與應急管理數字化建設納入統一體系當中，使得醫學救援成為應急管理全過程當中的關鍵一環，促使災難醫學的價值實現及完善發展。