中华急诊医学杂志  2021, Vol. 30 Issue (8): 1026-1031   DOI: 10.3760/cma.j.issn.1671-0282.2021.08.024
城市急救用血无人机配送系统的建设与初步应用
李强1 , 葛芳民2 , 唐沪强3 , 俞石芳4 , 周华平5 , 李阿中5 , 杨旻斐1 , 庾航6 , 张旻海1 , 王旭1 , 胡伟5 , 张茂1     
1. 浙江大学医学院附属第二医院急诊医学科/浙江大学急救医学研究所,杭州 310009;
2. 浙江大学医学院附属第二医院网络医学中心,杭州 310009;
3. 浙江大学医学院附属第二医院检验科,杭州 310009;
4. 浙江大学医学院附属第二医院输血科,杭州 310009;
5. 浙江省血液中心,杭州 310000;
6. 杭州迅蚁网络科技有限公司,311121
摘要: 目的 探讨城市无人机血液配送系统建设的可行性和效果,为急救用血的配送提供新途径。方法 研究于2019年4月至2021年1月在杭州完成,主要参与单位为浙江大学医学院附属第二医院、浙江省血液中心和杭州迅蚁网络科技有限公司。首先构建城市急救用血无人机配送系统,研制无人机专用血液储存箱。利用无人机系统从浙江省血液中心运送血制品到浙大二院滨江院区,获取以下指标:(1)无人机送血的飞行时间;(2)血制品在运输过程中的实时温度;(3)利用百度地图软件测出道路交通的送血时间,并与无人机飞行时间进行比较。结果 城市无人机血液配送系统由智能物流无人机、低温血液储存箱、无人物流枢纽站、云端运行控制平台等部分组成。浙江省血液中心到浙大二院滨江院区的无人机航线距离(2.36±0.06)km,地面距离5.8 km,从2019年4月12日到2021年1月29日共飞行27架/次,飞行时间为(6.37±0.35)min,小于人工取血来回双程所需道路行驶时间(17.00±1.94)min。在一天的不同时间点,无人机送血可以节省15.98-4.28 min,平均节省(10.62±1.87)min。结论 城市无人机血液配送系统具有速度快、不受地面交通状况影响等优点,并能保证运输过程中血制品的安全,值得进一步的探索。
关键词: 无人机    血液运送    急救用血    城市    
A primary study on construction of urban unmanned aerial vehicle emergency blood distribution system
Li Qiang1 , Ge Fangmin2 , Tang Huqiang3 , Yu Shifang4 , Zhou Huaping5 , Li Azhong5 , Yang Minfei1 , Yu Hang6 , Zhang Min hai1 , Wang Xu1 , Hu Wei5 , Zhang Mao1     
1. Emergency Depatment of 2nd Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine/Institute of Emergency Medicine, Zhejiang University, Hangzhou 310009, P.R China;
2. eHealth Center, 2nd Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou 310009, P.R China;
3. Clinical Laboratory, 2nd Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou 310009, P.R China;
4. Blood Transfusion Department, 2nd Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine, Hangzhou 310009, P.R China;
5. Zhejiang Province Blood Center, Hangzhou 310000, P.R China;
6. Hangzhou Fast Ant Network Technology Co., Ltd. 311121, P.R China
Abstract: Objective To explore the feasibility and effectiveness of the construction of urban unmanned aerial vehicle(UAV)blood distribution system, and to provide a novel way for the distribution of emergency blood. Methods The study was completed in Hangzhou from April 2019 to January 2021, and the main participants were from the Second Affiliated Hospital of Zhejiang University School of Medicine, Zhejiang Province Blood Center and Hangzhou Fast Ant Network Technology Co., Ltd. Firstly, an unmanned aircraft delivery system was built for urban emergency blood and a special blood storage box for drones were developed. The drone was used to deliver blood products from Zhejiang Province Blood Center to Binjiang Campus, the Second Affiliated Hospital of Zhejiang University School of Medicine, and the following indicators were obtained: (1) flight time of the drone blood delivery; (2) real-time temperature of blood products during transportation; (3) Baidu map software was used to measure the blood delivery time of road traffic, which was compared with the flight time of the drone. Results The urban drone blood delivery system consists of intelligent logistics drones, cryogenic blood storage tanks, unmanned logistics hub stations, and cloud-based operation control platforms. The drone route distance from Zhejiang Provincial Blood Center to Binjiang Campus, the Second Affiliated Hospital of Zhejiang University School of Medicine was 2.36±0.06 km, and the ground distance was 5.8 km, with 27 flights from April 12, 2019 to January 29, 2021, and the drone flight time was, shorter than the road travel time for a round trip [(6.37±0.35) min vs. (17.00±1.94) min]. At different time points of the day, UAV blood delivery could save 15.98-4.28 min, with an average saving of 10.62±1.87 min. Conclusions Urban UAV blood delivery systems have the advantages of being fast, unaffected by ground traffic conditions, and can ensure the safety of blood products during transportation, and are worthy of further exploration.
Key words: Unmanned aerial vehicle(UAV)    Blood transportation    Emergency blood    Urban    

血液制品对严重创伤、手术大出血、消化道大出血、产科大出血患者有不可替代的重要作用[1-3]。以严重创伤为例,出血是创伤早期死亡的首要原因[4-5],研究表明40%的创伤患者死于不受控制的大出血或大出血后的并发症[6], 94%的出血性死亡发生在24 h内,其中大多数死亡(60%)发生在入院后3 h内[7]。因此,保证危重患者救治过程中血液的及时供应,尤其是大量输血、特殊血型、特殊血液制品的紧急配送,是医院工作的重点和难点。无人机物流具有飞行距离较道路交通短、速度快、可靠性高的特点,但是由于涉及到航线审批、血液储存安全性等问题,目前国内还没有无人机运输血液制品的报道。本项目为国内首个城市无人机急救用血配送系统,为提高突发事件应对能力、保障急救用血提供了新的途径。

1 资料与方法 1.1 无人机血液配送系统的构建

研究于2019年4月至2021年1月进行。参与单位包括:浙江大学医学院附属第二医院(以下简称浙大二院),浙江省血液中心(以下简称血液中心),杭州迅蚁网络科技有限公司(以下简称杭州迅蚁)。浙大二院负责系统的规划,杭州迅蚁负责系统搭建,血液中心负责血液制品的发放,系统常态化运行由三家单位共同合作实施。在系统建设和测试过程中,得到了中国民用航空局的批准(特定类无人机试运行批准函,编号AC-92-2019-01-0001-R1)。

无人机送血系统的组成:智能物流无人机,血液储存箱,无人物流枢纽站,云端运行控制平台(图 1)。

图 1 无人机送血系统架构图 Fig 1 The structural drawing of unmanned aerial vehicle blood transfer system

(1)智能物流无人机智能物流无人机采用一体化全碳纤维机身设计加6旋翼布局(图 2)。基于机载主控系统上的AI自动飞行算法、多组高精度传感器(双前视+双下视机器视觉模块、TOF、超声波、双GPS等)、4G LTE / 5G通信模块,该无人机可实现全程自主飞行,以及与云端信息和指令的实时同步,与无人物流枢纽站配套使用,可实现高精度的自主起降及自动化取货、送货。为保障城市环境飞行的安全要求,送血无人机设计上采取多系统冗余备份方案,包括:动力系统冗余(任一电机、桨叶失效可保持飞行);能源系统冗余(双电池并联,任一电池失效可保持飞行);控制系统冗余(主控或任一飞控失效可保持飞行);双GPS / 双4G网卡/ 多摄像头(任一模块失效可保持飞行);应急降落伞(显著降低意外坠地时的冲击能量)。

图 2 智能物流无人机 Fig 2 Intelligent logistics drone

(2)无人机专用血液储存箱根据国家对血液运输要求,低温血液储存箱(图 3)采用保温性能较好、不易损坏且是食品级别的发泡聚丙烯(EPP)作为箱体材质,设计4个弹簧搭扣配合食品级别的密封条保证一定的气密性和保温,顶部贯穿一条带有三位密码的锁带保证箱体在短时间内不能被打开。运输血液时,储存箱内四周放置冰块实现恒温。外部尺寸305 mm×215 mm×200 mm(长宽高),内部容积7.9 L, 最大运输血液量4 000 mL。保温能力测试环境和方法:血液储存箱放在环境温度恒定为44℃的试验箱中,每隔10 min记录血液储存箱内温度,一共记录90 min。

图 3 血液储存箱 Fig 3 Blood storage tank

(3)无人物流枢纽站无人物流枢纽站(图 4)可自动化无缝对接智能物流无人机、为医疗机构提供一种空地一体的自动化货物接收、存储、转运的能力,其主要功能有:①无人机起降。枢纽站的顶部配备无人机起降平台,可以作为物流无人机降落停靠的场地,并为物流无人机提供起降引导、二次定位辅助及自动装卸货。顶部起降平台的设计高度不低于2.4 m,能够保证停靠其上的无人机与地面行人和车辆在高度上形成安全隔离的效果。②货物收发存储。枢纽站的内部配置货物存储空间和自动分拣机构,单站可容纳不少于5个转运货箱,未送出的货物可在无人枢纽站内部暂存。站内可提供货箱保温功能。每个货箱有唯一识别编号,内部分拣机构可根据APP或服务器发送的取货请求自动调度对应的货箱。③人机交互。枢纽站除具有无人机的接驳能力外,还具有人机交互功能。医疗机构工作人员不仅可以在相应的手机APP中查询通过无人枢纽站暂存或转运的血液的实时动态,还能直接通过无人站的存/取货口进行发货和收货的操作。

图 4 无人物流枢纽站 Fig 4 Unmanned logistics hub station

(4)云端运行控制平台本项目采用的云端无人机物流运行控制平台,是一套部署在云端的自动化无人机运行调度管理系统,具有实时监控、远程控制、空中交通管理、订单规划调度、空域/航线规划设计、设备管理维护、运行数据统计等运行所需的全面功能。其中空中交通管理系统,按照FAA/NASA的UTM技术路线图中最高等级C4标准设计,可实现超视距飞行、城市高密度环境感知、自动化V2V通信、实时互联网在线、大规模应急处理机制。智能规划调度系统帮助解决取送货派单、航路自动设计、无人机实时航路规划、停机位使用规划、无人站货仓周转管理等问题。

1.2 浙江省血液中心-浙大二院无人机送血流程

浙大二院血库通过系统向省血液中心发一个取血需求,告知所需血制品种类、血型和数量等信息。血液中心接到需求后,立即备血、出库、放入无人机货仓,启动无人机运送。无人机起飞和降落时,无人机管控系统自动拨打浙大二院血库电话,通知医务人员从无人机站取血。

图 5 浙江省血液中心-浙大二院无人机送血流程图 Fig 5 Flowchart of blood delivery by drone in Second Affiliated Hospital, Zhejiang University School of Medicine
1.3 实际飞行过程中相关数据记录

实际送血飞行过程中记录浙江省血液中心到浙大二院滨江院区无人机飞行距离、飞行时间,同时用百度地图测算相同时间段内通过道路交通取血路程和时间;再将无人机飞行时间与百度导航地图在一天内不同时间点测得的道路行驶时间进行比较。血液储存箱内安装测温探头,连续记录血制品温度,既能实时上传云端显示在飞控系统上,也可以飞行结束后下载回顾。

2 结果 2.1 血液储存箱保温能力

90 min内箱内温度保持在2~8℃范围内(图 6)。

图 6 环境温度设定44℃血液储存箱内温度变化曲线 Fig 6 Temperature change curve in the blood storage tank with ambient temperature set at 44℃
2.2 无人机飞行过程中血液储存箱内血制品温度变化

血液储存箱内安装测温探头,联系记录血制品温度,图 7显示的是无人机运输红细胞和新鲜冰冻血浆过程中血制品的实时温度,血制品温度控制在目标范围内。

图 7 无人机运输红细胞和冰冻血浆过程中血制品温度变化 Fig 7 The temperature of blood products in the blood storage box during the flight of UAV
2.3 浙江省血液中心-浙大二院滨江院区的无人机血液配送

浙江省血液中心-浙大二院滨江院区的无人机送血航线成功建立,并进行了常态化血液配送飞行(图 8)。浙大二院滨江院区和浙江省血液中心无人机飞行距离为(2.38±0.07)km,小于道路交通的5.8 km(P<0.05)。2019年4月12日到2021年1月29日,从浙江省血液中心到浙大二院滨江院区无人机一共飞行27架次,飞行时间为(6.37±0.35)min,小于百度地图软件测得的道路交通取血来回双程所需时间(17±1.94)min(P<0.01),见表 1。未发生无人机相关的意外和不良事件。

A、浙江省血液中心工作人员将血制品放入血液储存箱;B、装有血制品的血液储存箱放入无人机站;C、无人机起飞;D、无人机从浙江省血液中心按照规划航线飞向浙大二院滨江院区;E、无人机到达浙大二院滨江院区;F、浙大二院医护人员从无人机站中提取装有血制品的血液储存箱。 图 8 机送血全流程照片 Fig 8 Photos of the whole process of UAV blood delivery

表 1 无人机飞行距离、时间与百度导航地图软件测得的道路交通距离、行驶时间比较 Table 1 Characteristics of drone (unmanned aerial system) flights vs road traffic
送血方式 距离(km) 所需时间(min)
无人机送血 2.38±0.07a 6.37±0.35b
道路交通取血 5.80 17.00±1.94
注:飞行距离与道路交通距离比较,aP<0.05;无人机飞行时间与道路交通时间比较,bP<0.05

无人机飞行时间与百度导航地图在一天内不同时间点测得的道路行驶时间进行比较发现(图 9):在一天的不同时间点,特别是早晚高峰时间8:00和17:00,无人机的平均飞行时间明显小于使用百度地图测量的道路交通时间,实线为无人机的平均时间,虚线为标准差。

图 9 无人机送血用时与采用道路交通方式提血(数据来自百度导航地图)用时比较 Fig 9 Comparison of drone flight time with road travel time measured using baidu map
3 讨论

无人机具有飞行速度快、灵活性强、不受地面交通条件影响等优点,已成为当前发展的热点[8-9]。据文献报道2016年美国无人机公司Zipline便开始在非洲卢旺达将血液用无人机由血液中心配送至部分交通不便利地区的诊所[10]。2019年4月,Zipline的血液配送服务又扩展至加纳,建立了覆盖加纳全国的无人机血液配送网络。由于无人机荷载的限制,目前Zipline的无人机一次飞行最多只能运送三个单位的血液(有效载荷为1.8 kg),而且无法做到全程冷链。2017年,由瑞士邮政、无人机制造商Matternet、苏黎世大学医院等机构共同在瑞士卢加诺、苏黎世及伯尔尼开展了无人机血液配送试点。国内由于涉及到无人机管理、航线审批、血制品保存等问题,目前还没有血液中心利用无人机运送血制品。本项目为国内第一个常态化无人机血液配送体系,填补了这方面的空白,有利于输血医学的发展,更为医疗机构紧急用血、突发公共事件的血液应急保障提供了一种新途径。

浙大二院血库备血根据临床用血计划提前1 d向血液中心报送,由于血液的保存期短,血制品又十分紧缺,当遇到突发情况需要大量用血时,可能无法在短时间内提供足够的血液;部分医院由于平时用血量较少没有血库,当临床上遇到患者大出血抢救时,就需要到血液中心紧急取血;还有,临床中遇到特殊血型、特殊血液制品需求的时候,也需要紧急取血。在此过程中,城市道路交通情况对取血速度影响很大,尤其是在早晚高峰时段,有可能影响危重患者的抢救。无人机送血系统不受道路交通状况的影响,可以在6级及以下风速,气温-10~55 ℃,中雨/中雪条件下安全运行,能够最大限度保障抢救用血的配送。

2019年浙大二院基于县域医共体单位之间无人机运送血标本的研究表明无人机可以更快地将血标本从社区卫生服务中心送至县域医疗中心[11]。本项目是基于城市环境而构建的无人机送血系统,迄今为止,无人机已经在浙江省血液中心与浙大二院滨江院区之间飞行27架/次,在无人机升空、飞行方面没有任何明显问题。从浙大二院滨江院区到血液中心车辆来回双程5.8 km,一天中,道路交通最畅通的时间是凌晨4点,用时11 min(见图 9),最繁忙的时间是下午16:24,增加到22 min。与地面交通送血相比,无人机送血飞行的距离和时间都更短,无人机的飞行距离是单程(2.38±0.07)km,飞行时间是(6.37±0.35) min,不受道路交通状况影响,最多可以节省15.98 min,最少节省4.28 min,节省(10.62±1.87)min。显然,使用无人机送血比道路交通送血具有明显优势。此外,本研究中无人机的飞行速度设定为最大值的75%,如果采用更快的速度,或者交通变得更拥堵,无人机送血的速度优势将更加明显。

无人机送血过程中,血液的安全性也可以得到充分保障。本项目专门研发了无人机血液储存箱,前期研究证明置于44℃的试验箱内,箱内物品温度可以保持在2~8℃的范围,维持90 min(图 6),符合国家对血液运输过程中的温控要求。无论是红细胞还是新鲜冰冻血浆在无人机运输过程中,温度均可以维持在目标范围内,由于新鲜冰冻血浆出库的时候处于冰冻状态,因此,测温探头测得的温度有下降的趋势,但并不影响血制品的安全(图 7)。美国,加拿大和日本的学者分别做了无人机运送血液制品的实验[8, 12-13],研究证明血液制品在无人机运输过程中理化性质稳定,不会发生溶血等不良后果。

无人机还具有低成本和低碳环保的优点。有新闻报道在亚马逊的无人机物流计划中,每个包裹运送成本仅为0.88美元,并且,随着路程和使用寿命的增加,无人机的成本效益比会越来越高[14]。另一项研究显示,无人机与以燃油为动力的交通工具相比,每飞行1 km,前者的碳排放只有后者的六分之一,同时产生的空气污染颗粒也只有后者的一半[15]

本研究也存在一定的局限性。目前无人机送血系统的航线为相距2.9 km的浙江省血液中心和浙大二院滨江院区,由于距离较短,无人机系统的优势还不能充分地显现,单次飞行成本比较高。2020年10月21日中国民航总局正式公布杭州为首批民用无人驾驶航空试验基地,接下来更多、更长距离的航线会得到拓展和开发,并最终形成覆盖整个城市的网络。随着无人机快速物流系统拓展到城市、区域的医疗机构之间,并建成覆盖城市的通用无人机物流系统,无人机快速、高效、安全的优势将会得到充分发挥,飞行成本也会大大下降,惠及更多患者。

综上,城市无人机血液配送系统具有速度快、不受地面交通状况影响等优点,并能保证运输过程中血制品的安全,值得进一步的探索。

利益冲突  所有作者均声明不存在利益冲突。

参考文献
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