Využití autonomních leteckých systémů ve zdravotnictví

Overview

Využití autonomních leteckých systémů (dronů) ve zdravotnictví, zejména pro účely distribuce krve a transfuzních přípravků, laboratorních vzorků, léčiv a zdravotnického materiálu, je na celém světě se širokou perspektivou využití v civilních i vojenských podmínkách předmětem řady výzkumných i praktických pilotních projektů. Autonomní letecké systémy mohou významně pomoci při zajišťování zdravotní péče v regionech bez vybudované dopravní infrastruktury a s obtížně dostupnými lokalitami nebo při logistickém zabezpečování humanitárních misí. Nasazení dronů může též efektivně posílit schopnosti zdravotnického zabezpečení vojsk a mobilních zdravotnických týmů a podpořit současné život zachraňující koncepty přednemocniční zdravotnické péče, jako jsou remote damage control resuscitation a blood far forward. Sdělení předkládá stručný přehled vývoje a použití dronů ve zdravotnických aplikacích pro civilní i vojenské použití.

Klíčová slova:

přednemocniční péče – dron – autonomní letecké systémy – distribuce krve a transfuzních přípravků – distribuce laboratorních vzorků

ÚVOD

Již delší dobu se ve světě diskutuje a experimentuje s využitím dálkově řízených nebo autonomních leteckých systémů (ALS) v medicíně, zejména pro účely distribuce léčiv a zdravotnického materiálu, transfuzních přípravků (TP) a transportu vzorků biologického materiálu na laboratorní vyšetření do centrálních laboratoří.

Možnosti jejich použití se nabízejí jak v hustě zastavěných a dopravně komplikovaných aglomeracích, tak v odlehlých oblastech s obtížnou dostupností. Perspektivní je též využití ALS pro zdravotnický odsun (evakuaci raněných).

Mimořádně dynamický rozvoj technologického pokroku v posledních letech posouvá všechny autonomní dopravní systémy, pozemní i vzdušné, pro které se vžil název drony, do kategorie reálně uživatelské. Ve vojenství se drony stávají strategickými bojovými prostředky nejvyššího významu i účinnosti a v řadě případů nahrazují konvenční a pilotované nebo řízené prostředky, nezastupitelnou úlohu mají v průzkumu. Neustále rostou jejich výkony a naproti tomu se snižuje jejich cena, což umožňuje jejich masivní šíření. Určitým limitem rozvoje praktického nasazení dronů v širším měřítku je normotvorba, která zaostává za rychlým rozvojem technických možností a schopností jak v civilní legislativě, tak i ve vojenských předpisech (1).

AUTONOMNÍ LETECKÉ SYSTÉMY

Autonomní letecké systémy jsou bezpilotní letadla, která umožňují let bez přítomnosti posádky na palubě a mohou být řízeny na dálku nebo být zcela autonomní na základě využití umělé inteligence a globálních navigačních systémů. Terminologicky se jedná o stále živou oblast, kdy řada pojmů může být a je vnímána různě, jak u laické, tak odborné veřejnosti.

V anglosaském prostředí se obvykle používají termíny unmanned aerial vehicles (UAV, také unmanned aircraft vehicles), tedy bezpilotní letecké prostředky, nebo unmanned aircraft systems (UAS), tedy bezpilotní letecké systémy. UAV je označení pro samotné bezpilotní letadlo, tj. bez lidské posádky na palubě a s různou mírou autonomie, UAS pak zahrnuje další technické pozemní vybavení a personál, resp. piloty, kteří je dálkově řídí. V této souvislosti lze také použít termín remotely piloted aircraft systems (RPAS), dálkově ovládané letecké systémy. Drone in a box (DIB) je autonomní prostředek, který je schopen provádět předem naprogramovaný seznam cest a vrací se do samostatného přistávacího boxu, který má současně funkci nabíjecí stanice (2).

Vzhledem k tomu, že dosud neexistují žádné mezinárodně dohodnuté definice, co je skutečně autonomní prostředek, je samotný pojem „autonomie“ používán v různých souvislostech a často vede k nejednoznačnému výkladu. Řada prvků autonomie se používá již dlouho a představují různé, více či méně sofistikované systémy a větší či menší spoluúčast člověka na jejich řízení a ovládání. Pojmem „autonomie“ nebo „autonomní“ může být totiž označován vztah mezi člověkem a strojem, složitost (dokonalost) systému nebo typ automatizovaného úkolu. Jsou tak definovány tři rozměry nebo aspekty autonomie. V ideálním pojetí je autonomie, respektive autonomní systém, v době spuštění a provozu zcela nezávislý na vůli člověka a jeho ovládání a je natolik dokonalý (sofistikovaný), že je schopen plnit plně automatizované úkoly, tj. obsahuje v sobě všechny tři rozměry tohoto označení (3).

Podle definice Úřadu pro civilní letectví ČR je plně autonomní prostředek schopen provést bezpečný let bez zásahu pilota pomocí umělé inteligence, která mu umožňuje zvládat všechny druhy nepředvídaných i nepředvídatelných nouzových situací. Tím se liší od automatického provozu, kdy stroj letí po předem určené dráze definované před zahájením letu a při nepředvídaných událostech musí řídící pilot zasáhnout a převzít na letadlem kontrolu (4).

Na veřejnosti se ale nejčastěji setkáváme s označením dron, které se v odborné veřejnosti příliš nevyužívá nebo jako prostředek komunikace s laiky. Anglické slovo „drone“ má mnoho významů, např. trubec, líná osoba, vrčivý zvuk nebo trvale držený basový tón při hře na dudy, přičemž zvuková podobnost s letem dronu je patrně příčinou uchycení tohoto označení pro bezpilotní letadla (5).

Podle konstrukce se bezpilotní prostředky dělí na bezpilotní letouny a křídla a čistě vrtulové drony neboli koptéry. Samotný název drony více odpovídá letounovým typům a křídlům, které vychází jak tvarem, tak účelem z vojenských dronů (5).

Bezpilotní letadla byla původně zkonstruována a používána prakticky výhradně pro vojenské účely a již na konci 19. a počátku 20. století byly použity pro účely vojenských operací. První vysledovanou konstrukcí s vojenským použitím byly horkovzdušné balóny bez pilotů, které v roce 1849 shazovaly výbušniny při útoku Rakousko-Uherska na Benátky. V roce 1898 si Nikola Tesla nechal patentovat tzv. teleautomatizaci – dálkové ovládání motorové loďky na vodě a v jeho poznámkách se nalezly i úvahy o sestrojení bezpilotního letadla (5).

První skutečné bezpilotní letadlo zkonstruoval v roce 1916 anglický inženýr Archibald Montgomery Low a pojmenoval ho Aerial Target. Následovala řada dálkově řízených letadel, která se využívala jako dálkově ovládaná torpéda (např. Kettering Bug schopné zasáhnout cíl až na vzdálenost 64 km, které bylo úspěšně testováno v roce 1918 – obr. 1).

V 60. letech se objevily první průzkumné drony jako předchůdci dnešních moderních vojenských dronů a v boji byly nasazeny např. za války ve Vietnamu nebo během arabsko-izraelské války v roce 1973. Ve větší míře byly sledovací bezpilotní prostředky nasazeny v 90. letech při monitoringu válečného konfliktu v Bosně a Kosovu (5).

Jako příklad skutečných bojových dronů z této doby je možné uvést např. Gyrodyne QH-50 DASH (Drone Anti-Submarine Helicopter – obr. 2). Jednalo se o malý bezpilotní vrtulník vyvinutý začátkem 60. let 20. století společností Gyrodyne Company of America pro použití jako protiponorková zbraň dlouhého doletu, který startoval z paluby torpédoborce a byl nasazen ve Vietnamu (5).

Na přelomu 20. a 21. století se vývoj vojenských dronů soustředil zejména na monitoring nepřátelského nebo nebezpečného území a z provozních parametrů se kladl důraz na trvání provozu a délku doletu a na kvalitu pořízených obrazových dat. Vojenské drony jsou nadále ve stále větší míře osazovány zbraňovými systémy a začaly se ve všech modifikacích stále více používat v konfliktech v Afghánistánu, Iráku, Pákistánu, Jemenu, Somálsku a dalších rizikových oblastech. Jedním z nejznámějších je bojový dron ozbrojených sil USA Predator (5) (obr. 3).

Původní a hlavní určení prostředků s pevným křídlem je průzkum, monitorování a mapování. Jejich použití se postupně rozšiřuje o další schopnosti v multifunkčnost a do jejich trupů se adaptuje široká škála senzorů, zbraňových systémů i nosičů s možností výměny. Vzlet podle velikosti a konstrukce probíhá hodem z ruky, z odpalovací rampy nebo klasicky pozemním startem, přistání na podvozek nebo na břicho, případně do speciálního záchytného zařízení. Vyznačují se delším doletem a výdrží ve vzduchu, pro start a přistání ale potřebují větší prostor a zpravidla i technické zázemí. Operační rádius se u letounových dronů počítá ve stovkách až tisících kilometrů (5).

Koptérové drony mohou být klasické vrtulníkové konstrukce s jedním hlavním rotorem a ocasním stabilizačním rotorem nebo převažující tzv. multikoptéry, se 3–8 rotory. Výhodou koptér je kolmý start a přistání a z toho vyplývající možnosti přesné manévrovatelnosti a navádění na přistání až s bodovou přesností a prakticky neomezené možnosti jejich různých velikostí a tvarů. Jejich nevýhodou je naopak vyšší energetická náročnost provozu a z toho vplývající jejich menší operační rádius, který bývá zpravidla maximálně několik desítek km, s celkovým doletem do 100 km. Koptéry umožňují velmi širokou škálu konstrukcí a aplikací pro civilní, hobby i profesionální použití, stejně jako pro použití vojenské. Mohou být nosiči všech existujících senzorových a záznamových systémů, řady zbraňových systémů a v neposlední řadě sloužit pro přepravu různého materiálu a zboží (5).

Grafické znázornění základních konstrukčních typů ALS je na obr. 4 (6).

AUTONOMNÍ LETECKÉ SYSTÉMY VE ZDRAVOTNICTVÍ

V posledních letech objevuje výhody autonomních leteckých systémů i zdravotnictví, které může těžit z jejich technických schopností a snadného použití, i když rozvoj jejich použití v tomto odvětví je poměrně opatrný a významnější realizované projekty jsou datovány až do konce druhé dekády tohoto století.

Mezi již zavedené zdravotnické aplikace dronů patří medicína katastrof, kdy bezpilotní prostředky slouží k průzkumu a posouzení stavu postižení a následně mohou být použity pro doručení humanitární pomoci a léčiv do dočasně nedostupných míst katastrofy. Dále je to transport léčiv, zdravotnického materiálu a TP do obtížně dostupných nebo nízkozdrojových oblastí s omezenou infrastrukturou a tam, kde nelze např. zajistit speciální podmínky pro skladování termolabilních produktů, jako jsou TP, vakcíny a další léčiva (7, 8).

V budoucnu se drony mohou i přímo podílet na zajišťování zdravotní péče prostřednictvím telemedicíny (9). Je zřejmé, že navzdory mnoha stávajícím regulačním omezením, mají drony významný potenciál v transformaci zdravotní péče a medicíny v 21. století (10).

Různé aplikace a možnosti použití dronů v medicíně a zdravotnictví jsou znázorněny na obr. 5.

POUŽITÍ AUTONOMNÍCH LETECKÝCH SYSTÉMŮ PŘI ZÁSOBOVÁNÍ TRANSFUZNÍMI PŘÍPRAVKY

Modelovým příkladem vhodného použití autonomních leteckých systémů je zásobování transfuzními přípravky na místech a ve zdravotnických zařízeních s omezenou dopravní dostupností a možnostmi skladování. TP (erytrocyty, trombocyty, plazma) mají omezenou dobu použitelnosti a vyžadují speciální podmínky pro transport a skladování s nutností zachování předepsaného teplotního rozmezí. Zásobování TP je možné řešit napřímo, z centrálního skladu až na místo potřeby nebo formou meziskladů. Společně s TP je možné dopravovat i jiný zdravotnický materiál nebo léčiva (11).

Management a logistiku zásobování TP dále komplikují některé jejich další vlastnosti, jako je nutnost dodržet krevně skupinovou kompatibilitu, nutnost dodání přípravků s méně obvyklou nebo vzácnou kombinací krevně skupinových znaků, potřeba urgentních dodávek z vitální indikace při masivním krvácení apod.

TP, zejména erytrocytové přípravky, jsou též citlivé k nešetrnému mechanickému zacházení a při velkém zrychlení nebo nárazech může docházet k jejich poškození – buď k hemolýze krevních buněk, nebo mechanickému poškození (prasknutí, protržení) krevních vaků.

Bezpilotní letadla s pevným křídlem mají větší dolet a relativní užitečnou nosnost, a jsou proto vhodná pro dopravu TP na velké vzdálenosti. Jejich nevýhodou je ale menší přesnost při doručení zásilky (zpravidla shozem na padáku) a riziko výše uvedeného mechanického poškození, kterému musí odpovídat konstrukční řešení transportního boxu.

Multikoptéry jsou naproti tomu z principu podstatně šetrnější k přepravovanému biologickému materiálu a jsou schopné ho dopravit přesně na místo určení, tedy až k pacientovi. Jejich nevýhodou je kratší dolet a nižší rychlost. V každém případě je při zavádění zvoleného typu dopravy nutné provést pečlivou validaci a ověřit vliv dopravy na kvalitu transportovaných produktů. První skutečné ověření konceptu dopravy TP autonomními leteckými systémy provedli spolu s příslušnými validačními zkouškami Amukele et al. z Univerzity Johnse Hopkinse v Baltimore v roce 2015 (12).

Průkopníkem v oblasti doručování TP prostřednictvím ALS je se svým technologickým projektem zahájeným v roce 2016 ve Rwandě americká společnost Zipline. Rwanda je země s hornatým profilem a nedostatečnou silniční sítí a vzdušná přeprava je v daných podmínkách hlavně z hlediska zajištění včasné dostupnosti TP nejefektivnější. Kumulované průměrné náklady na dodávky krve dronem jsou srovnatelné s běžnými silničními prostředky, zejména v naléhavých případech, časová úspora je ovšem nesrovnatelná. Dvě distribuční centra otevřená v letech 2016 a 2018 pokrývají více než 80 % země a do konce září roku 2019 bylo ve Rwandě mimo hlavní město Kigali více než 65 % dodávek krve (cca 20 tisíc dodávek krve s náletem více než 1 milionu km) provedeno pomocí dronů Zipline.

Dron Zipline je letadlo s pevným křídlem o rozpětí 3,7 m, startuje katapultáží z rampy a létá rychlostí 128 km/hod ve výšce 80–120 m. Užitečné zatížení je 1,75 kg, tj. na 1–2 jednotky krve, při celkovém doletu včetně zpáteční cesty 160 km, tj. je schopen kamkoliv dopravit krev na vzdálenost až 80 km (obr. 6). Zásilku spustí nad místem doručení padákem a vrací se zpět na základnu, kde je zachycen ve vzduchu speciálním zádržným systémem. Dodávku TP si zdravotnické zařízení objednává pomocí textové zprávy nebo přes WhatsApp a po jejím obdržení dron startuje během několika minut (13). Jedno distribuční centrum je schopné denně vypravit až 500 zásilek.

Po úspěchu v Rwandě plánuje společnost Zipline expanzi do dalších zemí, v roce 2019 zahájila činnost v Ghaně, kde její drony v současné době provádějí i distribuci diagnostických souprav pro testování na SARS-CoV-2 (14). Dále byla v letech 2019–2021 vybudována distribuční centra pro dodávky zdravotnického materiálu na Filipínách, v Indii, USA a Nigérii.

Podobných příkladů je ale nyní již více. V roce 2017 byl ve spolupráci se společností UNICEF spuštěn pilotní projekt na doručování TP v Malawi a v březnu 2019 plánovaný program dodávek TP do vzdálených oblastí oznámila Jihoafrická republika (15). Velmi podobný koncept s podobným technickým řešením, jako je Zipline, zahájil v roce 2018 startup společnosti Bloodstream v Indii, jejíž drony dodávají TP a zdravotnický materiál do zdravotnických zařízení v odlehlých oblastech Indie. Jedním z cílů je propojit tyto nemocnice a velké krevní banky a vyřešit tak problém s nedostatkem TP na jedné straně a její nadbytečnou exspirací na straně druhé (16).

POUŽITÍ AUTONOMNÍCH LETECKÝCH SYSTÉMŮ PŘI TRANSPORTU LABORATORNÍCH VZORKŮ

Použití tohoto druhu transportu je vhodné, stejně jako u dopravy TP, pro spojení obtížně dostupných míst s laboratořemi v zázemí, i v opačném směru. Doprava laboratorních vzorků ale představuje jiný typ technického a organizačního řešení, než jakým jsou popsané velké distribuční základny. Koncepty přepravy vzorků jsou obvykle založeny na menších dronech, které mohou ovládat laici a jsou vypouštěné z ruky nebo startují z dokovací stanice. Potřebné vzdálenosti se pohybují v řádech jednotlivých km, ale při komplikované pozemní dopravě ve velkoměstech vzdušná cesta ušetří mnoho času, nehledě na minimalizaci uhlíkové stopy a obecně její ekologický přínos. Takové využití bezpilotních prostředků je dobře proveditelné pro industrializované lokality s plně rozvinutou infrastrukturou, kde není transport zkumavek se vzorky prováděn na velké vzdálenosti.

Již v roce 2007 pracovníci National Health Laboratory Service (NHLS) Jihoafrické republiky ve spolupráci se společností Denel Dynamics (divize UAV) testovali v rámci proof of concept jak co efektivněji přepravovat vzorky z venkovských zdravotnických zařízení klinik po centra NHLS pro testování HIV. Výsledky prokázaly výhodnost bezpilotní přepravy pro rychlou diagnostiku a operativní medicínské rozhodování (17).

Humanitární organizace Lékaři bez hranic (MSF) testovala ALS pro transport laboratorních vzorků do nemocnic v Papui-Nové Guineji a v závěru hodnocení uvádí, že tento způsob dopravy šetří ve srovnání s pozemní dopravou minimálně 25 % času (18).

Stejně jako u dopravy krve, ověření konceptu a validaci transportu laboratorních vzorků s biologickým materiálem vzdušnou cestou prostřednictvím dronů provedli v roce 2015 Amukele et al. a potvrdili, že tento způsob dopravy při vhodném technickém řešení krevní vzorky nepoškodí (19).

Jedno z perspektivních řešení pochází od startupu Matternet v Silicon Valley, který ve Švýcarsku od roku 2017 testuje autonomní síť dronů typu DIB (drone in a box), kterými distribuuje laboratorní vzorky mezi nemocnicemi a laboratořemi. Celý koncept je založen na peer to peer síti, ve které má každé zapojené zdravotnické zařízení instalovanou vlastní dokovací základnu. Jako bezpilotní prostředek je použita kvadrokoptéra M2 Matternet, která je napájena dobíjecí lithium-iontovou baterií a disponuje užitečnou nosností do hmotnosti 4,5 kg na vzdálenost až 20 km (20).

Shodnou cestu a technologického partnera zvolila společnost UPS a v březnu 2019 oznámila zahájení transportu laboratorních vzorků prostřednictvím bezpilotních dronů ve spolupráci se společností Matternet v areálu zdravotnického komplexu WakeMed Raleigh v Severní Karolíně v USA. Projekt, který představuje významný milník pro bezpilotní letectví ve Spojených státech, je uskutečňován pod dohledem Federálního úřadu pro letectví a ministerstva dopravy Severní Karolíny (21) (obr. 7).

POUŽITÍ AUTONOMNÍCH LETECKÝCH SYSTÉMŮ V DALŠÍCH ZDRAVOTNICKÝCH APLIKACÍCH

V oblasti urgentní medicíny mohou bezpilotní letecké prostředky sloužit k dopravě automatických externích defibrilátorů (AED) přímo k pacientovi se srdeční zástavou. Jedná se o modelové použití ALS v případech, kdy o životě rozhodují minuty. Již v roce 2014 se výzkumný tým Delftské technické univerzity v Nizozemsku rozhodl zrealizovat projekt, který zajišťoval doručení AED do 2 minut od výzvy v oblasti s poloměrem 2 km (22).

Simulační studie, která byla provedena v lidnatém okresu Salt Lake County v Utahu, v USA, dospěla k závěru, že při vhodném rozmístění dronů s AED, lze takto pokrýt 90,3 % případů s dobou doručení AED do 1 minuty od výzvy, ve srovnání s pozemní dopravou, která je schopna téhož dosáhnout pouze ve 4,3 % případů (23).

Skutečné praktické nasazení dopravy AED k člověku postiženému srdeční zástavou oznámila v květnu 2020 švédská společnost Everdrone. Tato služba je nyní k dispozici 80 tisícům obyvatel oblasti Göteborgu a probíhá v rámci klinické studie ve spolupráci se švédským Národním střediskem tísňového volání SOS Alarm a Centrem pro resuscitaci při Karolinska Institutet (24).

Jako nejodvážnější, ale logický vrchol dopravy vzácné a nenahraditelné zásilky mezi zdravotnickými zařízeními, je transport orgánů určených k transplantaci. První transport orgánu k transplantaci pomocí dronu se uskutečnil 19. dubna 2019 v USA v rámci projektu Marylandské univerzity. Let s dodávkou ledviny k transplantaci byl dlouhý 4,5 km a trval 9,52 minuty (25).

AUTONOMNÍ LETECKÉ SYSTÉMY VE VOJENSKÉM ZDRAVOTNICTVÍ

Již současné a zejména budoucí operační prostředí představuje a bude pro vojenskou zdravotnickou službu představovat nové výzvy a změnu postupů. Stejně jako bojové jednotky působící v asymetrických konfliktech jsou především malá a vysoce mobilní bojová uskupení, tak i profesionální zdravotnické týmy buď integrální součástí bojových jednotek, nebo se jedná o malá mobilní MTF typu MFST. Charakteristickým rysem tohoto operačního prostředí je absence přímé a pravidelné logistické podpory, častá ztráta vzdušné nadvlády a omezené možnosti Medevacu. V přímé kontradikci s tím jsou zdravotnické postupy založené na konceptech RDCR a blood far forward, které umožňují záchranu živé síly.

Bezpilotní letecké prostředky jsou jedním z možných způsobů k překonání nepřátelského území a alespoň částečné eliminace dočasné nedostupnosti zásobování a zdravotnického odsunu. Jednoznačnou perspektivu mají v dodávkách krve a zdravotnického materiálu a v blízké budoucnosti patrně i jako prostředky zdravotnického odsunu. S technickým rozvojem prudce klesá výrobní cena všech typů ALS a již nyní nasazení v civilních zdravotnických aplikacích má ve srovnání s pozemním transportem nižší náklady a tato nákladová diference se bude dále zvětšovat. V bojovém prostředí je k tomu pak potřeba přičíst úsporu vojenského personálu a snížení rizika jeho ohrožení a ztrát na životech. ALS umožní též rozvoj telemedicíny, zejména jako mobilní anténní stanice pro přenos signálu (6, 26–28).

Je otázkou času a technických řešení, kdy budou vyrobeny a nasazeny ALS jako prostředky pro zdravotnický odsun zraněných (29). Představa odsunového dronu je znázorněna na obr. 8.

ZÁVĚR

Autonomní letecké systémy představují, a zejména v budoucnu budou představovat jeden z důležitých technických prostředků v zásobování transfuzními přípravky, léky a dalším zdravotnickým materiálem v civilním i vojenském zdravotnictví s výrazným příspěvkem ke zvýšení dostupnosti zdravotní péče a rychlosti jejího poskytnutí.

Již dnes nalézají řadu uplatnění v obtížně dostupných oblastech, značnou perspektivu mají ale i v hustě zabydlených městských aglomeracích, kde pozemní doprava představuje významný logistický problém.

Čestné prohlášení

Autor práce prohlašuje, že v souvislosti s tématem, vznikem a publikací článku není ve střetu zájmů a vznik a publikace článku nebyly podpořeny žádnou společností.

Seznam použitých zkratek

AED      automatický externí defibrilátor

ALS       autonomní letecké systémy

DIB        drone in a box

RDCR    remote control damage resuscitation

RPAS    remotely piloted aircraft systems

TP          transfuzní přípravky

UAV      unmanned aerial vehicles

UAS      unmanned aircraft system

Adresa pro korespondenci:

plk. gšt. MUDr. Miloš Bohoněk, Ph.D.

Oddělení hematologie a krevní transfuze

Ústřední vojenská nemocnice – Vojenská fakultní nemocnice Praha

U Vojenské nemocnice 1200, 169 02  Praha 6

Tel.: 973 203 210

e-mail: milos.bohonek@uvn.cz