发布时间：2023-10-07
医疗手术室是现代医院的核心治疗部门，承担着医护人员对大量患者诊断和医治的职能。因为现代手术操作是多名医护人员协同工作，所以大量的信息包括患者，药品，器材，检验数据等等都需要一个清晰完整的呈现和展示，才能减轻医护人员的负担，让医生专心于患者的病症治疗。随着信息技术的不断发展和人们对于生命的愈加重视，手术室对于医护人员的医疗行为的要求越来越高，传统的依靠手工方式的信息化管理已经达不到高效率和高准确率的要求，这就催生了基于多种智能化信息采集的数字化手术室。本文通过对一维/二维条码，RFID，图像识别等多种信息采集手段在数字化手术室中的应用分析，探讨数字化手术室的未来发展趋势。
一般来说，手术室运作的基本工作流程如图1所示。在这个流程中，信息的准确采集至关重要，主要表现在以下六个方面：1）病人身份信息的采集。大型三甲医院往往有数以千计的病人，手术室的首要目标就是对正确的病人的正确部位进行正确的治疗。那么如何快速，准确的获取病人的信息就是关键。2）医护人员信息的采集。手术过程往往涉及多个科室的协同，那么不同科室的医生有不同的认证技能，只有通过了认证的医生才能操作相应的手术，这个过程是对病人安全的重要保证。3） 无菌物品及耗材的信息采集。在手术中会牵涉到大量的无菌产品，包括手术服，手套，手术器械，纱布等等，这些无菌物品是否经过了必要的无菌处理是防止术后感染的关键。同时手术中会需要用到大量的耗材，尤其是贵重的耗材（比如心脏冠脉支架）的信息追溯和库存管理就是非常重要的。4）药品及血液产品的信息采集。手术中经常会采用各种药品，这些药品的信息的快速追踪核对就非常的关键。对于血液用品而言，因为牵涉到和病人血型的匹配，血液的信息就更加的关键。5）手术中的信息获取。包括各种图片信息，用于手术引导的位置信息，都是医护人员重点关注的信息。6）获取手术后的病理标本信息，和医疗废物的及时处理信息，也是一个数字手术室的必要步骤。
图1：手术室标准工作流程， 摘自张晓珊的“基于物联网技术的手术室信息化管理评价体系研究”
手术室内信息采集可以通过多种手段，目前广泛采用的主要有下面三种手段。
1）一维/二维条码扫描获取信息
一维/二维条码扫描需要条码阅读器，条码阅读器是用于读取条码所包含信息的阅读设备，利用光学原理，把条码的内容解码后通过数据线或者无线的方式传输到上位机。条码阅读器使用广泛，最常见的就是商超购物中使用。但是医疗环境中使用的条码阅读器与商超的条码阅读器有所不同，主要有以下几个特点：
医疗环境中使用的条码阅读器读码准确率的要求更高；商超的条码阅读器需要读码速度快，而且尽可能的将各种缺损条码都可以读取。医疗环境中使用的条码阅读器要求读码的高准确率，如果条码污损了且未达到读取要求是不能被读取的。
医疗环境中使用的条码阅读器需要外壳可以承受多种医疗清洗试剂的反复擦拭，因为无菌化的要求，医疗环境中需要使用多种医疗清洗试剂，这也是普通商超的条码阅读器无法承受的。
医疗环境中使用的条码阅读器尽量避免使用激光式扫码器，因为病人往往是躺在病床之上，激光式扫码器容易对病人眼睛造成损伤。
2）RFID无线物联网获取信息
RFID技术，是支持物联网能够快速普及的核心技术。RFID标签，通过存放被标识物体的信息，在各种物联网应用中实现了物与物的信息交流，是物联网中主要的信息获取方式。近年来，随着物联网技术的社会接受度越来越高，以UHF RFID为代表的智能系统已经在零售，物流，制造，医疗，安防，汽车，航空，军事等诸多领域广泛应用，为提升人们的生活便利，实现智慧物联起到了关键作用。本质上来说，RFID技术是利用无线射频信号发送和获取相关信息，从而对物体加以识别的一种非接触式的自动识别技术。RFID技术在对目标信息进行处理时，不需要与目标直接接触，具有迅速、即时、精确地对目标的信息进行收集和操作, 同时因为其工作过程不需要人为干涉，故可以节约大量时间。与条码扫描技术必须看到目标才能扫描相比，RFID不要求看见目标，射频标签只要在接受器的作用范围内就可以被读取。RFID技术最独特的地方是在任意一个标签中都具有一个全世界独一无二的ID标识码，这个标识码只能通过具有权限的读写器来进行识别，在读取RFID中的数据后，其包含的信息与ID标识码一同发送到具有防伪数据库的终端来进行认证。如果标签遭受到损坏，那么标签内包含的信息将不能够通过读写器读取，同时也无法对标签进行伪造。
3）成像系统获取信息
从1994年在临床外科手术中，手术机械臂被第一次投入使用开始，机器人技术已经广泛的应用到了医疗领域的各个方面，辅助医生完成了很多高难度高精度的手术动作。机器人自身配置的辅助视觉系统可以让医护人员在手术过程中看到手术部位的实时画面，这也就避免了由于经验不足，看不到具体的病变位置而导致手术失败的情况，使手术更加精确和安全。传统的成像系统使用单摄像头拍摄的二维图像进行手术操作，缺乏必要的深度信息，过于依赖医生的经验进行操作，不能保证手术的安全及稳定性。目前双目立体视觉技术已经开始应用于手术机器人的辅助成像系统之中，基于双目立体视觉的深度相机类似人类的双眼，它不对外主动投射光源，完全依靠拍摄的两张图片来计算深度，其原理示意图如图2所示。双目立体视觉是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。
图2：双目视觉模型示意图， 摘自周喆的“手术机器人双目立体视觉系统研究”
这三种信息采集的方法广泛应用于数字化手术室的各个流程中，我们分别在以下六个方面进行详细的阐述。
1）病人身份信息的采集
病人信息的采集目前主要靠一维/二维条码和RFID手环来实现信息的采集。如图3所示。
图3：左：一维/二维条码手环 右：带RFID标签的手环，图片来自于网络图片搜索
为了保证条码手环和RFID手环可以同时被兼容，我们需要既可以读取一维/二维条码，也可以读取RFID的医疗等级扫码器。目前在医疗环境中广泛使用的诺万特（Novanta）集团的JADAK品牌扫码器HS1R可以很好的解决这个问题。HS1R扫码器如图4所示，不仅可以扫描医疗环境中出现的所有一维/二维条码，而且可以快速识别HF RFID 标签，真正的实现了双通道读取。
图4： JADAK HS1R 一维/二维条码和RFID双通道扫码器
2）医护人员信息的采集。
医护人员信息的采集主要依靠佩戴的RFID身份牌。JADAK扫码器HS1R同样可以进行快速的识别医护人员的RFID身份牌，与医院的手术管理系统相连接，快速确定医护人员的身份。
图5： 医护人员的RFID身份牌，图片来自于网络图片搜索
3） 无菌物品及耗材的信息采集。
无菌产品（包括手术服，手术器械等等）消毒情况的追踪，是防止术后感染的关键。目前已经开发出了可以耐高温耐腐蚀的手术器械专用RFID标签（如图6所示），可以在每次消毒后将消毒信息写入手术器械的RFID标签。
图6： 带RFID标签的手术器械，图片来自于网络图片搜索
手术中使用这些已经消毒的手术器械时，手术器械的托盘下有RFID读取的天线和模组，通过读取手术器械的RFID标签，准确的知道手术器械的数量，种类和消毒情况。如图7所示。
图7： 手术中托盘读取带RFID标签的手术器械，图片来自于网络图片搜索
涉及到手术中贵重的耗材（比如心脏冠脉支架）的信息追溯和库存管理，RFID医疗柜就是一个不可或缺的重要设备。如图8所示。RFID智能医疗柜可以实时追踪柜内物品的库存情况，因为每个物品都有RFID标签，当授权的医护人员使用自己的RFID身份牌打开柜门后，拿取任何的耗材，关门后智能医疗柜就会自动盘点并记录，保证了高效准确的同时也大大减轻了医护人员的工作量。
图8： 典型的RFID智能医疗柜
4）药品及血液产品的信息采集。
手术中经常会采用各种药品，尤其是毒麻药品是需要国家严格管控的，就需要用到RFID智能药品柜来实现管控。RFID智能药品柜可以实现对于毒麻药品的实时管控，是数字手术室的重要组成部分。典型的RFID智能药品柜如图9所示。
图9： 典型的RFID智能药品柜，图片来自于网络图片搜索
对于血液用品而言，因为牵涉到和病人血型的匹配和储存温度的控制，每个血袋上需要RFID温度标签，通过RFID温度标签可以用于记录及监测血液制品的全部信息和温度，确保其在运输和储存过程中的质量和有效性。如图10所示。
图10： 贴有RFID温度标签的血袋，图片来自于网络图片搜索
5）手术中的信息获取。
目前医疗手术机器人已经开始进入数字手术室，辅助医生完成了很多高难度高精度的手术动作，我们以常见的经皮穿刺手术为例。经皮穿刺手术是治疗腰椎间盘突出的常见手术，医生在穿刺手术期间，都首先需要建立一个接触到脊柱髓核的通道，而后才能通过后续操作消除多余的髓核，达到治疗的目的。因此如何精准的插入穿刺针即建立消融通道就显得尤为重要，它是决定手术成功的关键。传统经皮穿刺方法中，医生首先通过C型臂等X线影像设备对病人进行多次成像，然后根据成像结果不断调整穿刺路径，手动将穿刺针经皮穿入到达靶点位置，最后取出穿刺针，留下穿刺通道。穿刺精度和手术效果高度依赖于操作者，只有经验丰富的医生才能进行，如果一次穿刺不成功，需要重新调整穿刺路径穿刺，对病人也产生了更多的创伤，手术效率低下。而通过手术机器人辅助实现穿刺过程的精准化和智能化，对降低经皮穿刺手术对医生手工操作的依赖度和提高穿刺精度与手术效率有重要的意义。典型的穿刺手术机器人系统如图11所示。
图11： 典型的穿刺手术机器人系统，摘自成天佑的“脊柱穿刺手术机器人系统交互引导控制与实现”
视觉系统在穿刺手术机器人当中的一个重要的应用是位置定位，利用视觉定位可以协助机器人在不需要人的干预下自动到达期望位置。常见的视觉伺服有基于位置的视觉伺服和基于图像的视觉伺服。位置视觉伺服把偏差定义在笛卡尔空间，输入为机器人末端执行器与目标之间的期望位姿，然后利用相机不断计算两者之间的实际位姿，根据偏差驱动机器人运动，该方法可自定义机器人在工作空间的轨迹，但需要提前标定系统。
诺万特（Novanta）集团旗下的JADAK Allegro智能相机，如图12所示，是广泛使用的手术机器人视觉系统的重要组成部分。两颗Allegro智能相机，就可以搭建双目手术机器人视觉系统，精准实现双目视觉定位。
图12： JADAK Allegro智能相机
6）获取手术后的病理标本信息，和医疗废物的及时处理信息，也是一个数字手术室的必要步骤。
一般来说，病理标本信息都会有一维/二维条码，使用医疗等级的扫码器即可以满足需求。而对于一些需要量化分析的病理标本，就需要用到机器视觉技术。以高性能，小型化，智能化著称的JADAK Allegro IVD 智能相机，如图13所示，就是量化病理分析的佼佼者。通过深度学习算法，可以实现多种的病理分析（例如细胞计数，边缘分割等等）
图13： JADAK Allegro IVD智能相机
新冠疫情期间，因为病人接触过的物品都有可能有病毒的残留，这些医用垃圾的处理与追踪就成了控制的重要的一环。医疗垃圾追溯系统，每一包垃圾，都会贴上RFID标签，通过RFID标签，可记录各科室垃圾回收的情况，并对医疗垃圾每天出库总量与入库总量进行对比，确保所有回收的垃圾被合法回收处理，避免部分医疗垃圾被不法人员转售二次回收，成为病毒的二次传播源。
图14： 医疗垃圾RFID追溯系统
上面提到的多个RFID系统，都需要一个能覆盖全球大部分国家和地区认证的RFID模组来实现，RFID系统成功的其关键就在于 RFID 模组的选择。诺万特（Novanta） 集团的ThingMagic 品牌UHF（超高频）,HF（高频）模组系列，不仅获得了绝大部分国家和地区的认证，其稳定，安全的性能获得了全球客户的一致好评。 最新上市的UHF M7e模组继承了ThingMagic模组的一贯的优良特性，包括：
1）支持宽范围的射频传输功率（读取和写入功率可独立设置）
2）射频传输功率精度高（在不同的频率不同的温度情况下精度保持稳定）
3）射频传输功率调节步长小（可以满足精细调节）
4）经过优化的标签读取和写入算法，使得读写速度达到协议的最高速度；
5）支持全球的大部分地区的频率范围；
6）拥有大多数国家和地区的无线射频认证，可以协助客户获取指定地区的认证。
7）支持定制化标签（例如温度标签，湿度标签等）存储扩展区域的读取和写入；
8）不同模组使用统一的API（应用程序接口）可以大大方便客户的持续研发。
图：M7e-PICO模组及M7e-DEKA模组
诺万特集团在亚太区域有当地的技术支持团队，能及时响应当地客户的需求。
欢迎光临Jadak中文官网（Jadak是诺万特集团的全资子公司）来查询我们的最新产品和应用。如有任何技术及销售问题，请与我们及时联系。
