基于灾难医学救援的系统工程数字化建设及应用研究

周 丹，刘中民

新型冠状病毒肺炎疫情作为当下重大的全球性公共卫生问题，给世界各国人民的生命健康和社会发展都带来了巨大风险。灾难医学以减轻突发事件对人类生命健康造成的危害为目标，在应急救援中发挥着举足轻重的作用。在面对疫情发出的各种挑战的同时对医疗系统高效运转、防疫救治的专业能力、工程设备的研发应用等也随之提出了更为多元的要求。系统工程是从整体出发，合理开发、设计、实施和运用系统的工程技术。它根据总体协调的需要，综合应用自然科学和社会科学中有关的思想、理论和方法，利用电子计算机作为工具，对系统的结构、要素、信息和反馈等进行分析，以达到最优规划、最优设计、最优管理和最优控制的目的。

目前中国人工智能发展已经进入新阶段，并可能成为我国未来经济发展的一个新引擎。传统医疗模式向大健康模式转变需要一个过程，但未来已不远。以移动防疫医院为主的数字化医院建设，将为大规模疫情爆发情境下，医疗资源挤兑情况的发生提供了很好的应急补充。同时能为多场景、多灾种下的应急救援提供全方位、全功能，软硬件结合的配套设备和后勤保障设施，破除传统医院应急救援机动性和灵活性不足所导致的应灾脆弱性和抗灾低效性等弊端。因此，灾难医学救援系统工程以救援设备和技术研发为目标，以智慧智能、5G专网、大数据等为技术基础，对应急救援工作加以数字化和信息化赋能，打造适应新时期应急需求的工程系统，对应对当下及未来可能发生的各类突发事件尤为重要。

1 灾难医学工程体系的建设现状及新冠疫情的现实挑战

灾难医学救援系统工程围绕灾难医学工程管理体系建设和科技成果转化应用实践，内涵政、医、产、学、研、治、用等一体化发展要素和科技资源，涵盖体系构建、科技研发、教育教学、培训演练等多方面内容。其外延是以推进韧性城市建设和维护人民生命健康为根本目标，通过科研力量和专业行动服务于国家战略和社会发展，从而提升专业人才科研素养和知识创新，推动行业社会学术交流与科普宣传，提高群众自救互救能力和灾难医学救援水平

1.1 灾难医学工程体系的建设发展随着医疗数字化的不断推进，出于当下我国灾难救援过程中存在的问题和应用需求，灾难医学救援的工程建造思路和功能要求也不断创新。在当下医院发展及运行过程中，移动医院以其高度的移动性和灵活性，破除了传统医院的空间壁垒，对医院稳定发展和功能延展具有重要作用和意义。移动医院也逐步被全球医疗行业采用，并最终将医学研究带入一个全新的发展阶段[1]。目前，在移动医院工程建造的设计方面，有学者建立了快速高效新型检查检验移动平台[2]。还有对医疗移动方舱医院的功能、流程开展的设计研究[3]。类似地，有研究基于模块化设计理念，将移动医院分为指挥系统、医疗系统及保障系统三大模块[4]，以医疗方舱作为设备工作的平台对各专用设备进行合理分配、集成，使之具备完成各种任务的功能[5]。在数字化创新方面，随着信息技术的日益进步和医院信息化建设的不断发展，移动医疗与移动管理平台的应用将成为今后数字化医院建设的主要方向[6-8]。“互联网+”代表一种以互联网为基础设施实现工具的经济发展新形态[9]。而互联医院就医平台，正在形成以人为中心的智慧就医平台，通过信息流、人流、资金流将互联网技术、大数据库、云计算等与各医院实现开放对接[10-12]。

目前，人工智能在灾难医学救援主要有三个方面的应用：一是虚拟诊断系统，帮助医生、护士、技术员做诊断护理[13]；二是大数据的集成、挖掘，尤其是数据端的开放，安全问题等[14]；三是智能影像[15]。此外，医院之间的医疗资源共享刚刚起步。通过数字化平台建设，实现智慧医院在信息和资源共享方面的改善，是提升应急救援和日常诊治效率的重点。综上所述，非常规突发事件的频发，使得应急救援和医疗工程体系面临的内外环境发生了根本变化。数字化已成为提高医学救援的科学管理水平、医疗服务质量和医疗工作效率的有效手段，以数字化系统工程为基础，加快移动医院建设是灾难医学发展的必然要求。

1.2 新冠肺炎疫情的现实挑战全球新冠疫情发生初期，中国迅速针对疫情制定出预防和控制措施。然而，由于疫情耦合春节假期，春运加剧了疫情的扩散和后续治理的难度。武汉封城前后，疫区医疗资源尤为紧张且管理混乱。各大医院人满为患、管理失序，确诊病例和疑似感染者在公共场合共处。疫情应对及防护设备严重不足，一线医护人员缺乏防护服及医用口罩，承担了巨大的安全风险。政府对疫情信息掌握不足，抗疫物资通过非正常渠道进入未接收病患的医疗机构。从确诊病例的收容救治，防疫政策的颁布实施，火神山、雷神山医院的建设，防疫疫苗、核酸试剂的研发等等重大举措的颁布实施中总结有益经验，也在抗疫过程中肩负了信息公布不及时不准确；疫情研判能力有待提高；社会动员能力不足，医护人员职业性感染、救治效率不高；方舱医院耗工耗时巨大等诸多挑战。

总结来看，我国灾难医学救援系统工程存在低组织、低效率、低普及问题。因此，为突破传统医院建设的时空限制以及高成本、低效率，无法适用多灾难情景的弊端，亟需推动以移动医院为载体、以通讯技术为串联，以无人系统为依托，以人工智能为工具的数字化灾难医学救援系统工程建设。

2 数字化、模块式、可生长的灾难医学系统工程建设研究

灾难医学系统工程数字化以建设“备灾医院”为战略起点，分别规划平时诊疗业务和灾时救援功能。以“防于灾前、重于灾中、善于灾后”为总体思想，于灾前开展常态化队伍演练、创新装备研制、标准化物资储备、专业化医学教育、社会化科普宣教；在灾中通过数字化重塑诊疗业务手段，优化灾难医学救援流程，形成数据中枢及综合管理平台赋能“平灾结合”一体化发展，打造院前、院内一体化专科协同的闭环系统；灾后进行可持续发展的医疗保障及重建，最终实现备灾医院战略建设目标。系统工程架构和应用框架，如图1所示。

图1 灾难医学系统工程架构及应用框架

2.1 数字化的灾难医学系统工程建设研究数字化是工程系统实现高效运转的直接动因，主要技术实现途径是以远程医疗设备及防疫移动医院为载体，布局建设云计算、物联网、大数据、人工智能、卫星遥感、无线通信、虚拟现实等，建造数字化移动指挥中心，从而实现高新技术在灾难应急救援领域的创新应用。

2.1.1 复杂灾害条件下的移动指挥中心建设以负压隔离帐篷结合车载移动医院，建设适用于全灾种应对的移动指挥中心。基于快速建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术，实现应急救援指挥中心在建筑结构、水电暖通等设计方面的信息共享，大大提升搭建效率。通过双层气膜结构，简化建筑支承结构，实现快速搭建。优化气膜结构、材料及连接方式，形成更高的体积压缩比，方便运输与储存。同时将突发事件的全过程信息融入专业学科大脑，利用5G+物联网+信息化对接大数据分析与人工智能，构建服务于灾区移动应急指挥中心的数字孪生对象和知识图谱，构建应急救援指挥中心的软件中枢。

2.1.2 适应不同灾难地貌的探测救援机与机器人研发在客用飞机的基础上，改造生产商用和灾用“一机两用”的应急救援飞机。合理布局舱内空间及配件设施，配置应急救援物资和医疗救治设备，改良客用座椅的固定装备为可灵活拆卸重组的手术床。设计安装地貌探测摄像及数据实时回传装备，使其兼具日常商用飞行及灾时救援探测与医疗救治等功能。打造后勤保障车内机器人的固定快递转移平台定制抗震槽位、充电装置、全自检系统，实现应急处置机器人的快速装车及快速展开。使用改进型的履带底盘悬挂技术，通过运动算法实现全地形的平稳行动，解决多地形的机器人越障避障。

2.1.3 基于无人系统的灾情侦测和救援模拟智能体系以移动应急救援指挥部为中心，对灾区周边情况开展无人机拍摄及高精度建模。搭建测绘无人机应急智能服务系统，开展应用示范，实现无人机测绘灾害现场的多源数据集成，以及数据的动态更新可视化，为辅助分析应急处置决策、现场救援及指挥调度方案提供智能服务。进而开发适用于灾区、战区、疫区及恶劣环境下的无人智能系统。

2.1.4 借助远程通讯的灾害救援调度指挥系统集成开发基于多通信技术融合网关的研究开发，将以太网生产线设备终端（Ethernet Line Termination Equipment，eLTE）、物联网（Internet of Things，IOT）与5G网络的融合打通，实现应急救援各类数据的通信互联，形成全方位的移动调度指挥信息系统。同时，通过卫星应急系统对5G网络的完成组网备份，保障在极端情况下各类基础通信能力的全天候工作。解决灾难场景下，传统数据通信网络在带宽、时延和稳定性方面的弊端。

2.2 模块式的灾难医学系统工程建设研究模块化是构成系统功能的各工程的组合逻辑。系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分或要素结合成的、具有特定功能的有机整体。在系统的结构中，模块是可组合、分解和更换的单元。每个模块完成一个特定的子功能，所有的模块组装实现整个系统所要求的功能。

2.2.1 底层支撑上层的智能急救与应急救援省际平台省际急救与应急救援云平台，包含应急事件管理、应急预案管理、应急基地管理、应急救援队伍管理、移动医院医学救治管理、应急物资管理、应急地理信息集成等支撑功能，采用可扩展技术框架，提供开放统一接口，便于各地区、各单位现有平台接入。同时融合智能技术提升平台支撑功能，包括应急地理信息技术、预案链技术、物联网技术、大数据分析技术等。平台总体架构可以对接多源异构的急救信息，实现急救资源的汇集整合，通过底层算法模型进行数据采集、抽取、清洗、分析，完成各个上层应用的辅助决策。平台上层应用系统主要包括：区域急救指挥调度系统、动态资源管理系统、急救资源全景视图、日常工作管理系统、急救大数据应用系统。各应用系统中产生的相关数据不断汇集至底层平台，形成一条循环的数据链路，持续优化整体紧急救援保障体系。

2.2.2 院前及院内一体化的专科协同急救网络体系应用大数据、云计算、移动互联等多种先进技术，构建一体化急救数据平台，对接整合院前急救、院内急诊、专科系统和设备数据，融合标准化急救病历、移动协同救治系统、生命体征传输、远程急救监护、全球卫星定位系统跟踪定位、区域时钟同步、急救智能辅助等功能模块，为开展协同急救提供统一基础平台支撑，如图2所示。

图2 院前院内一体化的专科协同急救网络平台架构示意图

2.2.3 手术室内和室外远程控制机器人系统介入机器人系统的模块化构成主要包括操作机构、支撑机构和推进机构三个部分。其中，操作机构负责完成对手术机器人的远程控制，具备三个控制端，分别控制导丝的前进（后退），导丝的旋转，导管的前进（后退）。支撑机构负责介入机器人的床旁固定和位置调整。推进机构是系统的核心模块，负责实现导管导丝的各项运动，通过精密的机电一体化控制夹取导管导丝并根据医生的远程指令完成相应的前进，后退及旋转动作，并将过程中的数据（位置，压力，角度等）实时传输到控制机构供医生进行决策。远程控制机器人系统构成如图3所示。

图3 远程控制机器人系统构成

2.3 可生长的灾难医学系统工程建设研究可生长是系统工程快速延展的方式，及实现复制应用的关键。以车载移动医院为载体，创新具备快速展开、无限扩展、功能齐全、方便拆除等优势特征的应急指挥基地和医学救治场所。使其具备抵御复杂灾害条件及环境荷载能力，实现在战时、灾时、疫时等多场景下的战略隐蔽、统一指挥、人员救治等多种应急处置功能，并保证设备与人员安全。以标准制定为指导，设计生产预制模块，是系统工程模块化的基础。也可以说，模块化是实现系统可生长的方法之一。标准化为在一定的范围内获得最佳秩序，对实际的或潜在的问题制定共同的和重复使用的规则的活动，包括制定、发布及实施标准的过程。标准化也是工程设备管理实现可复制的最有效方式，其重要意义在于改进系统中各模块或部件，运行和服务的适用性。此外，出于系统工程的复杂特性，以标准化促成灾难医学救援快速展开、无限生长，还可依靠流程简单化、预制设备统一化、产品系列化、部件通用化、功能组合化等。

3 灾难医学工程数字化建设的未来展望

全球经济社会高速发展并趋于一体化，在各国致力于促进自身发展的过程中，应对灾难和风险的应急管理工作，于全球而言都占据着举足轻重的位置。美国、日本、德国等发达国家都设有专门的机构以处置突发事件，并着力开展应急管理工程建设项目。从新冠肺炎疫情的实际应对来看，做好医院的数字化建设具有很大的现实意义，灾难医学应当成为引领应急管理工程体系形成和发展的“风向标”。

数字化技术使移动医院可以及时、安全、有效的开展医学救援。以信息技术、5G专网、人工智能为基础研发的数字化应急救援移动医院成为适应新时期需求的必要一环。而移动医院的逐步落地，需要解决资源整合，数据共享，人工智能，运营闭环等问题。在推进灾难医学系统工程数字化建设的过程中，首先应当加强“全功能”的信息集成系统开发与应用。构建快速、安全、可靠的移动化、远程化和智能化的综合网络信息平台，提升移动医院的机动性和联络性，打破灾难救援现场信息孤岛的现状。其次，对于灾难医学救援提供支撑的技术创新研发，应进一步促进面向“全灾种”的新型移动医院的迭代升级，研发能够机动性地响应不同地区和地形需求，可快速展开的负压隔离病房。此外，模块化地预制医疗设备、通讯设备，以及配套的后勤保障设备，能在应急情况下快速响应，形成联动模式并搭载信息决策中心设备，为建设应急救灾医疗救治体系打造新范例，从而解决灾难救援现场医疗资源短缺的问题。同时，还要借助无人系统和远程系统，延伸灾难现场的救援时间和空间，扩展灾难医学在灾情分析、预警预报、模拟演练方面等环节的价值功能。

因此，要适应数字化建设能对灾难医学救援系统工程所提出的要求，未来着眼应急救援移动医院载体功能建设，需要解决四大瓶颈：基于5G网络和多通信技术的融合问题；边缘计算和网络切片技术对医疗云及大数据人工智能（Artificial Intelligence，AI）能力的优化提效问题；底层系统和集成系统的便携化和快速部署能力问题；基于多源物联网的移动医院可视化决策支持系统（Decision Support System，DSS）辅助大型职能终端的集成化要求，从而适应恶劣环境下的信息互联互通，以及信息系统对医护人员和患者的友好度提升改善问题。这四个方面对灾难医学应急救援的发展起到至关重要的作用，同时对于突破传统医院技术理念和诊疗模式极具创新性和开拓性。

4 小 结

互联网的发展，人工智能的进步，以及远程医疗和信息系统的技术突破，为灾难医学数字化系统工程的形成与发展提供了良好的基础，并对传统医院的诊疗理念和救援模式产生巨大的影响。将数字化、模块式、可生长的研究思路应用于灾难医学系统工程建设，从战略高度打造灾难医学数字化工程系统，从而改善增进当前灾难医学系统工程建设的数字化水平，为多灾种的应急救援工程技术研发提供方向和支撑。以能够适用“全灾种”，迭代升级的移动医院创发为载体，通过创新数字化应急救援移动医院的研发，积极探索灾难现场的系统工程数字化建设，解决我国在多灾风险背景下应急救援难点。通过数字化、模块化、可生长的系统工程多场景建设应用，实现医疗、信息、工程、管理等交叉学科在应急救援平台上的交叉融合集成创新。以数字化提升移动医院的机动性和联络性，实现搜、救、运一体化建设和院前、院内重症的无缝对接。以模块化促标准化，为多灾种的应急救援提供技术范例，并推广应用，从而实现可生长。由此可为医务人员解决灾难救援中的实际业务需求，为患者提供更好的医疗服务和保障措施。同时更有效快速地分配医疗资源，极大地提高救援成效。最终，将灾难医学与应急管理数字化建设纳入统一体系当中，使得医学救援成为应急管理全过程当中的关键一环，促使灾难医学的价值实现及完善发展。