一、物联网的概念
“物联网 (IoT) 是一个由相互关联的计算设备、机械和数字设备、物体、动物或人组成的系统，通过嵌入传感器、软件和其他技术的物体形成网络，系统中每一个物体具有唯一的标识符，并且能够通过网络传输信息数据。由于物联网的主要目的是提供以数据传输为特征的通信能力，因此射频识别 (RFID) 或蓝牙模块等通信模块是其主要组成部分。这些模块嵌入在复杂系统中，使用传感器从其环境中收集信息，以持续跟踪和解释数以百万计的事物。
如今，物联网技术广泛应用于医疗保健，即所谓的医疗物联网。可以把它想象为涵盖医务人员、患者、可穿戴设备、信息技术系统和医疗设备连接起来的应用程序构架，它可以收集更精确的高质量数据，并将所有这些数据实时整合到现实中。通过监控过程和结果物联网可以提高了劳动生产力，降低成本，提高运营效率，增强了患者医疗安全性，并极大地减少了人为失误。在神经病学领域，已经有许多基于物联网的应用，包括患者步态分析预测跌倒风险、用于帕金森病行为分析和神经康复的可穿戴设备、用于睡眠监测的可穿戴设备，癫痫发作预测，阿尔茨海默病的早期检测和监测系统，痴呆和中风的康复系统，用于监测不同神经状态的可穿戴脑电图，以及分析患者功能状态以评估退行性脊柱疾病术后手术结果的系统。对接受神经调控手术（例如DBS手术）的手术后病人，Nexeon MedSystems 还发明了一种可以记录神经元活动的局部电位，并提取、分析和使用这些记录来产生自我调节算法。刺激和收集的信号不仅可以自动优化运动障碍疾病的治疗，还可以与患者的行为状态信息相关联，从而为特定疾病影响患者的方式提供更深入的分析。该公司还创建了 CranialSuite 系统用于手术计划，它可将基本的手术路径计划与神经导航相结合以获得框架坐标，从而改善手术室工作流程，并对靶点的解剖和功能定位更为精确。它还设计制作了 Cranial Cloud 框架，该框架将来自患者大脑的直接记录信号与来自手术计划系统的影像融合，以分析电极位置和患者的治疗反应之间的关系。在研究脊柱疾病患者的活动状态时，就使用了各种设备和传感器来对其进行实时监测。这种方法有助于进行诊断和改善疗效，从而降低整体医疗费用。物联网与手术室管理密切相关，尽管其实际开发应用颇为滞后。物联网在手术室首要的应用就是管理器械和设备的消毒。通过改进手术器械的灭菌流程来控制外科感染，对于降低成本和提高医疗机构的安全性和有效性非常重要，例如使用无线温度传感器来监控灭菌的有效性和计算库存。(1)器械包灭菌错误报警：根据灭菌标准，如果发生处置失误可即刻通知；
(2)器械包过期警报：显示器械包是否已过期或即将过期；(3)库存不足警报：根据灭菌状态报告器械包库存是否即将发生短缺，显示需要灭菌器械的确切包装数量，以及库存所需的数量。除了确保灭菌过程的安全和降低成本外，对不同灭菌项目及其灭菌效果进行监测的设备，可以让我们实时发现问题，分析原因，提出改进方法。通过这些手段可以有效地控制院内感染。此外，物联网系统还用于观察记录手术过程中手术器械的运动，包括外科医生的镊子和电凝器，可在视频监测上为外科医生提供实时反馈。因此，该技术可以研究影响手术操作的因素，从而提高手术性能并改善疗效。更先进的是实时地将物联网、大数据技术和云计算的能力结合起来，借助信息和通信技术，这使物联网设备能够充当机器人的感官输入。如前所述，医疗机器人已在患者监测、手术、假肢技术，以及患有肌肉疾病、认知及精神障碍患者中有重要应用。假肢技术可识别患者的意图，并通过连接到假肢的传感器感应肌肉张力和相关神经来控制其运动。同样，在手术室中，物联网驱动的摄像头可以提供视频输入并进行现场分析，以及通过监测患者资料，告知机器人如何进行手术。此外，可以在手术器械中内置RFID 标签，从而可以对其自动识别。目前已经开发了检测 RFID 标签的天线系统，含有嵌入式传感器的设备不断从环境中收集信息，并通过无线网络将其传送到网关，网关从各种设备的传感器接收这些信息，并将其传送到云端，在云端进行收集、解释和实时存储大量数据，因此可以追踪手术室中的每个手术器械。同样，通过手术场景的数字化，可以在手术过程中实时自动检测和分析医务人员的活动和工作流程。 OPeLiNK 监视器是一种术中应用的通信接口，通过它可以构建下一代网络手术室，称为智能网络手术室 (Smart Cyber Operating Theater， SCOT)。四、智能网络手术室 The Smart Cyber Operating Theater (SCOT)术中确定医疗决策，尤其是在恶性肿瘤手术，不仅取决于 MRI 获得的形态学数据或导航信息，还取决于各方面的功能数据，例如病灶的位置，以及恶性肿瘤的组织学数据。SCOT 创新性地将神经外科手术室中的许多设备互相连接，集成了手术信息，例如手术野的图像、麻醉数据、视觉诱发电位 (VEP) 监测以及导航和生物特征数据，并将其全部实时显示在手术室中的“计划策略台”，以支持外科医生进行医疗决策（图1）。该系统已高度智能化，可用于显微和内窥镜神经外科手术，有助于确定恶性脑肿瘤的适当切除范围并保留神经功能。在智能手术室中，可以使用术中 MRI 影像更新导航信息，实时记录诱发电位以监测脑功能，还可以进行快速诊断。它有助于避免术中脑移位产生的误差，可以在手术结束前检查是否存在残留肿瘤，并通过从各种监测设备得到的信息，获得术中操作和治疗的反馈，从而避免并发症和改善疗效。在智能手术室中，外科医生必须整合从每个设备获得的不同类型的信息，才能做出明智的决定，因此这也称为“信息引导手术”或“基础智能网络手术室（basic SCOT）”。为了充分整合所有信息，建立了标准SCOT。标准SCOT的核心除了开放式MRI和快速诊断测试系统外，还有各种通信接口以连接网络操作环境中的所有设备。Okamoto等基于 ORiN开发了新的手术室接口OPeLiNK ，前者是广泛用于工业的网络的开放资源接口。在手术室应用SCOT呈现全面信息，有助于手术组医生在手术期间做出决策。它囊括并整合了各种信息来源，包括电凝器功率、手术器械位置、诱发电位监测记录、患者监测数据、麻醉数据、术中成像结果、神经导航系统和手术现场视频数据等。此外，它以最佳布局将这些资料呈示出来，除了影像资料外，还收集整理数字资料。所有这些数据都可以实时显示在手术室的手术策略台上，甚至可以实时显示于上级医生的办公室中（图1）。图1 . 手术策略台：监控信息不仅在手术室内，也同步呈现于另外的房间。上级医生判断根据呈现信息判断术中情况并帮助确定下一步手术操作和进程。
手术组和上级医生可以在同一时间评估信息，从而更有效地进行讨论，获得最优化的决策。此外，这些数据记录下来后，可以进行同步比较，以侦测是否会出现手术并发症，从而提高手术的透明度。它还可以通过记录术后复发率和并发症数据以开发数据库，并自动将每个患者影像的形态特征与标准对照，从而可以比较既往和当前的治疗情况。在神经导航手术中，最大的问题是通过患者影像、术中位置，外科机械手准确地整合，以获得精确的术中操作。由于外科机械手可以实现手术系统设备的自动化，通过自动机械手术台或机械手辅助手术显微镜的开发，可以为每个病例实现模式化手术室配置，从而减少了手术准备时间，还可以使用机械自动手术台搬运患者。此导航决策系统与自动机械辅助设备称为 Hyper SCOT（超智能网络手术室）。迄今，SCOT 已经成功地应用于信州大学医院（ Shinshu University Hospital ）的内窥镜经鼻蝶入路垂体腺瘤切除手术。最近，Muragaki 等人在东京女子医科大学应用了三种 SCOT，Basic（基础）、Standard（标准）和 Hyper SCOT（超级）手术室设备，治疗了 56 例脑肿瘤，功能性神经外科疾病和骨科疾病，但结果尚未公布。尽管许多神经外科医生对使用 AI 和医疗物联网对患者进行诊断、治疗和监测的临床应用兴趣有限。基于人工智能的自动化手术机器人将改善手术治疗的效果，使患者获得更好的预后。由于网络、传感器和人工智能辅助自动化技术的不断进步，医疗物联网的多样性和准确性得到了进一步提高。当今，建造智能手术室SCOT不仅可行，对手术显微或神经内镜的应用也将如虎添翼，基于物联网和人工智能的手术室，将有助于优化手术器械的使用，提高手术过程的安全性和规范性，从整体上提高手术治疗的效果。然而，许多应用仍处于初级验证阶段，因为涉及神经外科医疗物联网的人工智能研究仍处于起步阶段。如果神经外科医生充分了解人工智能和物联网应用的基本概念和可行性，将有助于神经外科疾病诊断和治疗的模式进一步发生转变。 ——摘译自《Introduction to Robotics in Minimally Invasive Neurosurgery（2022）》
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