Y học Việt Nam 11- 2020; Tập 496: trang 5-10.

TÓM TẮT

1. Công nghiệp 1.0 (1784) là kỷ nguyên của máy hơi nước, Công nghiệp 2.0 (1870) là kỷ nguyên của động cơ điện, Công nghiệp 3.0 (1969) là kỷ nguyên của tự động hóa, và Công nghiệp 4.0 (2013) là kỷ nguyên của kỹ thuật số.Y học cũng trải qua 4 cuộc cách mạng: Y học 1.0 (trước 1950) là kỷ nguyên của X quang và siêu âm, Y học 2.0 (1970) là kỷ nguyên của CT và MRI, Y học 3.0 (2013) là kỷ nguyên của internet, và Y học 4.0 (2016) là kỷ nguyên của số hóa.Phòng Xét nghiệm 4.0 là phòng xét nghiệm thông minh của kỷ nguyên Công nghiệp 4.0.

2. Các công nghệ của Công nghiệp 4.0 được áp dụng trong Phòng Xét nghiệm 4.0 gồm: số hóa hoàn toàn, tự động hóa, hệ thống người máy, internet vạn vật, môi trường làm việc linh hoạt, modul hóa, các vật liệu thông minh và bề mặt chức năng.

3. Những ưu điểm của Phòng xét nghiệm 4.0: cho kết quả chính xác hơn, nhanh hơn,làm giảm chi phí, tăng sự hài lòng của nhân viên, có tính linh hoạt và liên ngành, có tính bảo mật cao hơn.

4. Những điều cần cân nhắc khi tạo phòng thí nghiệm thông minh: phòng thí nghiệm thông minh phức tạp, khó sử dụng cho các quy trình không có cấu trúc, khó thể hiện giá trị, cần pháp lý và quản lý tài sản trí tuệ, một số kỹ thuật viên không lành nghề ngại sử dụng công nghệ mới và cần duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu.

5. Phòng xét nghiệm Y học 4.0 ở Việt Nam: hiện nay, những công nghệ của Công nghiệp 4.0 như số hóa, tự động hóa, người máy, … , đã bắt đầu được áp dụng từng phầntại một số phòng xét nghiệm ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh.

Laboratory 4.0: the Smart Laboratory in the Industry 4.0 era

Luat Nghiem Nguyen

                            MEDLATEC General Hospital

Vietnam Medical Journal 2020 Nov; 496: 5-10.

ABSRACT

1.Industry 1.0 (1784) was the era of steam engines, Industry 2.0 (1870) was the era of electric motors, Industry 3.0 (1969) was the era of automation, and Industry 4.0 (2013) was the era of digital. Medicine has also undergone four revolutions: Medicine 1.0 (before 1950) was the era of radiology and ultrasound, Medicine 2.0 (1970) was the era of CT and MRI, Medicine 3.0 (2013) was the era of the internet, and Medicine 4.0 (2016) is the era of digitalization. Laboratory 4.0 is the smart laboratory of Industry 4.0 era.

2. Industry 4.0 technologies applied in Laboratory 4.0 include: full digitalization, automation, robotic systems, internet of things, a flexible, modular work environment, smart materials and functional surfaces.

3. Advantages of Laboratory 4.0: more accurate results, faster results,reduction in costs, increased employee satisfaction, flexibility and interdisciplinary, and higher security.

4. Things to consider when creating a smart laboratory: a smart laboratory is complex, challenging use for unstructured processes, difficult to show the value, legal implications and intellectual property management, some underskilled technicians do not want to use new technologies, and need to maintain data integrity.

5. Medical Laboratory 4.0 in Vietnam: currently, Industry 4.0 technologies such as digitization, automation, robotics, ..., have been partially applied in Hanoi and Ho Chi Minh City.

*

Ngày nay, cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 (Industrial Revulation 4.0) hay gọi tắt là Công nghiệp 4.0 (Industry 4.0) và cuộc Cách mạng Y học 4.0 (Medical Revulation 4.0) hay gọi tắt là Y học 4.0 (Medicine 4.0) đang diễn ra nhanh chóng và mạnh mẽ trên toàn thế giới. Trong bài tổng quan này,cập nhật về các ứng dụng của Công nghiệp 4.0 trong Phòng xét nghiệm Y học 4.0, việc xây dựng phòng xét nghiệm 4.0, phòng xét nghiệm 4.0 trong tương lai, cũng như phòng xét nghiệm 4.0 ở Việt Nam hiện naysẽ được trình bày.

1. Các cuộc Cách mạng Công nghiệp, Y học và phòng Xét nghiệm Y học

Cuộc Cách mạng Công nghiệp 1.0 (Industry 1.0) diễn ra ở cuối thế kỷ 18 (1784), là kỷ nguyên của cơ khí hóa, động cơ hơi nướcvà máy dệt,với sự gia tăng về hiệu quả và quy mô sản xuất.Công nghiệp 2.0 (1870), là kỷ nguyên của năng lượng điện và sản xuất lớn, đã mang lại các dây chuyền lắp ráp và điện khí hóa.Công nghiệp 3.0 (1969), là kỷ nguyên của tự động hóa, máy vi tính và người máy, ... , cho phép nâng cao chất lượng quản lý, vận chuyển, giúp tăng năng suất, giảm chi phí.Công nghiệp 4.0 (2013), là kỷ nguyên kỹ thuật số (digital),hệ thống vật lý không gian mạng (CPS), Internet Vạn vật (IoT), Dữ liệu lớn (Big Data) và Trí tuệ nhân tạo (AI), ...[5].

Vì sự phát triển Y học dựa trên các thành tựu công nghệ của các cuộc Cách mạng Công nghiệp nên các cuộc Cách mạng Y họcthườngxảy sau.Y học 1.0 (trước 1950) là kỷ nguyên của tia X, siêu âm, kháng sinh Penicillin.Y học 2.0 (1970) là kỷ nguyên của cộng hưởng từ (MRI), chụp cắt lớp (CT), …, [7].Y học 3.0 (2013), là kỷ nguyên của Internet, Hình ảnh 3D, Y học từ xa, sức khỏe điện tử (e-Health), trình tự bộ gen [4], ... Y học 4.0(2016) là kỷ nguyên của Số hóa (Digitization),Hệ thống Vật lý Không gian mạngY học (MCPS), Internet Vạn vật Y học (IoMT), Trí tuệ Nhân tạo (AI), Dữ liệu Y học lớn (Medical Big Data), … [2, 3].

Phòng xét nghiệm Y học 4.0 là phòng xét nghiệm thông minh (Smart Laboratory hoặc Intelligent Laboratory) trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0.

2. Nhữngáp dụng của Công nghiệp 4.0 trong Phòng xét nghiệm Y học 4.0.

         Các công nghệ của Công nghiệp 4.0 được áp dụng trong Phòng Xét nghiệm 4.0 gồm: số hóa hoàn toàn, tự động hóa, hệ thống người máy, internet vạn vật, môi trường làm việc linh hoạt, modul hóa, các vật liệu thông minh và bề mặt chức năng.

2.1. Số hóa hoàn toàn (full digitalization)

Sự chuyển đổi kỹ thuật số toàn cầu đang tràn ngập toàn xã hội và ảnh hưởng đến tất cả các mặt của cuộc sống, kể cảy học. Chẩn đoán phòng xét nghiệm cung cấp cho các bác sĩ tới 70% thông tin cần thiết để xác định bệnh. Số hóalà một trong những chuyên ngành phát triển nhanh nhất trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe. Số hóa cho phép xây dựng và kiểm tra các quy trình xét nghiệm được tối ưu hóa [6].

2.2.Vai trò của tự động hóa (automation)trong phòng xét nghiệm 4.0

Tự động hóa là công nghệ mà quy trình được thực hiện với sự hỗ trợ tối thiểu của con người.Các lợi ích của tự động hóa trong phòng xét nghiệm 4.0 gồm:

-Cho kết quả chính xác hơn (more accurate results): việc nhập số liệu thủ công là nơi phần lớn các lỗi xảy ra. Hệ thống tự động là những công cụ tốt nhất để loại bỏ lỗi của con người. Bằng cách sử dụng hệ thống tự động, kỹ thuật viên có thể chuẩn bị mẫu, theo dõi từng mẫu và giảm nguy cơ mất hoặc thất lạc mẫu.

- Cho kết quả nhanh hơn (faster results): với tự động hóa, nhân viên có thể thiết lập, thực hiện và phân tích kết quả của các xét nghiệm trong một thời gian ngắn hơn. Điều này đặc biệt có liên quan với các phòng xét nghiệm phải sử lý một số lượng lớn xét nghiệm trong ngày và cần trả kết quả nhanh hơn.

-Làm giảm chi phí (reduction in costs): phòng xét nghiệm tự động có thể làm giảm số lượng kỹ thuật viên, làm được nhiều việc hơn, phát hiện sai sót nhanh hơn, tiết kiệm thời gian và tiền bạc hơn.

- Tăng sự hài lòng của nhân viên (increased employee satisfaction): nhân viên có thể làm việc một cáchhiệu quả hơn, có thời gian dành cho phân tích dữ liệu, nghiên cứu kỹ thuật mới hoặc các phương pháp tiếp cận mới.

-Có tính linh hoạt và tính liên ngành (flexibility and interdisciplinary): xu hướng toàn cầu hóa đòi hỏicó sự hợp tác của nhiều cơ sở xét nghiệm trong và ngoài nước. Điều này đòi hỏi sự trao đổi thông tin và chia sẻ kết quảmột cách chuẩn hóa.

2.3. Vai trò của người máy (robots)trong phòng xét nghiệm 4.0

Vai trò của người máy trong phòng xét nghiệm 4.0 gồm:

-Người máy giúp giảm tải công việc và tối ưu hóa quy trình làm việc: hàng ngàn mẫu được chuyển đến phòng xét nghiệm mỗi ngày cần được phân loại theo yêu cầu của xét nghiệm. Để giải phóng các kỹ thuật viên khỏi công việc đơn điệu và nhàm chán này, người máy có thể giúp phân loại các mẫu máu một cách chính xác.

-Người máy tạo điều kiện đảm bảo chất lượng xét nghiệm: để tối ưu hóa quy trình làm việc, người máyđược sơn màu trắng phù hợp với môi trường vô trùng, được điều khiển tự động, hoạt động đảm bảo chất lượng xét nghiệm cao.

-Băng chuyền với các hộp vận chuyển:tính năng đặc biệt của người máy là có bộ ghi dữ liệu tích hợp, không chỉ giúp theo dõi lộ trình vận chuyển của từng hộp mẫu đơn lẻ, mà còn lưu nhiệt độ bên trong hộp để đảm bảo chất lượng của mẫu.

-Người máy tự động tách các mẫu máu không đủ tiêu chuẩn: trong quá trình vận chuyển mẫu, người máy có khả năng phát hiện các mẫu không bảo đảm nhiệt độ bảo quản để báo cho xét nghiệm viên để kịp thời sử lý.

-Người máy phân loại ống nghiệm: người máy có khả năng phân loại mẫu xét nghiệm, phát hiện mẫu không đủ tiêu chuẩn và sắp xếp các mẫu đủ tiêu chuẩn để đưa vào hệ thống phân tích.

-Người máy tối ưu hóa quy trình và cải thiện nơi làm việc: người máy có thể giúp tiết kiệm thời gian, làm giảm sai sót, đơn giản hóa quy trình làm việc và đảm bảo chất lượng cao, đặc biệt là trong điều kiện thiếu hụt nhân lực có kỹ năng.

2.4. Internet vạn vật y học IoMT (Internet of Medical Things: IoMT)

- Internet Vạn vật Y học (IoMT)là một hệ sinh thái bao gồm các đối tượng vật lý được kết nối có thể truy cập thông qua internet, sử dụng các cảm biến và thiết bị truyền động thông minh để nâng cao chất lượng xét nghiệm.

- IoMT có khả năng sử dụng sức mạnh của máy móc thông minh và phân tích thời gian thực để tận dụng các dữ liệu mà máy móc cổ điển tạo ra trong nhiều năm.

- IoMT là một mạng lưới các thiết bị thông minh được kết nối để tạo thành các hệ thống giám sát, thu thập, trao đổi và phân tích dữ liệu xét nghiệm.

- IoMT có thể giúp kỹ thuật viên xác định các vấn đề tiềm ẩn trong kết quả xét nghiệm trước khi chúng trở thành vấn đề lớn, cho phép kỹ thuật viên khắc phục sự cố trước khi chúng gây bất tiện cho bệnh nhân[1].

2.5. Tính linh hoạt (flexible)

Các phòng xét nghiệm có nhiệm vụ và hoạt động khác nhau, đó là tính linh hoạt. Điều này dẫn đến yêu cầu về số hóa hoàn toàn của các phòng xét nghiệm. Các bác sĩ cộng tác trong chẩn đoán thường ở các địa điểm khác nhau, nhưng họ cần phải trao đổi dữ liệu một cách thường xuyên và theo cách được chuẩn hóa. Điều này đòi hỏi cácxét nghiệm ởcác phòng xét nghiệm khác nhau phải được thực hiện vớicác thiết bị phù hợp, được tiêu chuẩn hóa, để các kết quả có thể được chia sẻ.

2.6. Modul hóa (modular work enviroment)

Các thiết kế modul cho phép quy trình làm việc, thiết lập và quy trình linh hoạt. Cả hệ thống máy móc trong phòng xét nghiệm và nơi thực hiệnxét nghiệm đều nên tự sắp xếp lại nơi làm việc theo yêu cầu. Vì vậy, khi xây dựng một dự án mới, phòng xét nghiệm có thể được cấu hình lại cho phù hợp và các thiết bị có thể được sắp xếp lại và có thểđược thay đổi vị trí khi cần thiết.

2.7. Các chất liệu thông minh (smart materials)

Vật liệu thông minh với các cảm biến và thiết bị truyền động (ví dụ: làm mát) giúp có thể được giám sát bằng kỹ thuật số và điều khiển tự động liên tục, do đó đảm bảo an toàn được cải thiện khi có các quá trình nguy hiểm tiềm ẩn. Nội thất phòng xét nghiệm với các bề mặt chức năng, các dụng cụ và thiết bị tích hợp làm cho các quy trình tiêu chuẩn trở nên dễ dàng hơn, trong khi nội thất modul có thể dễ dàng được cấu hình lại để tạo chuỗi quy trình mới.

2.8. Các bề mặt chức năng (functional surfaces)

Các bề mặt chức năng với các thiết bị tích hợp như cân, máy khuấy, tấm gia nhiệt và làm mát, mang đến một bề mặt làm việc lý tưởng. Việc chuẩn bị một giải pháp được hướng dẫn, giám sát và ghi lại thông qua một giao thức kỹ thuật số, và dữ liệu sau đó được lưu trữ trong hệ thống máy vi tính phòng xét nghiệm.

3. Những ưu điểm của Phòng Xét nghiệm 4.0

So với các phòng xét nghiệm trước đây và hiện nay, phòng Xét nghiệm 4.0 cho kết quả chính xác hơn, nhanh hơn,giảm chi phí, tăng sự hài lòng của nhân viên, có tính linh hoạt và liên ngành và có tính bảo mật cao hơn.

4. Các vấn đề cần xem xét khi xây dựng Phòng xét nghiệm 4.0

         Việc xây dựng một phòng xét nghiệm 4.0 là rất cần thiết. Tuy nhiên, để xây dựng một phòng xét nghiệm 4.0 đòi hỏi nhiều yếu tố như cập nhật thiết bị khoa học, tối ưu hóa các quy trình hiện có, số hóa,thời gian, công sức, và đặc biệt là tiền của. Các phòng xét nghiệm có thể được số hóa ở các mức độ khác nhau.

4.1. Phòng xét nghiệm 4.0 là một phức hợp

-Hệ thống quản lý dữ liệu số hóa(digital data management): việc sử dụng các công cụ phần mềmcó thể giúp ghi chép, lưu trữ, phân tích, chia sẻ và quản lý dữ liệu xét nghiệm ở dạng số hóa. Các giải pháp phần mềm được sử dụng trong số hóa là Sổ Ghi chépPhòng xét nghiệmĐiện tử (Electronic Laboratory Notebook: ELN), Hệ thống Quản lý Thông tin Phòng xét nghiệm (Laboratory Information Management System: LIMS), Hệ thống Thông tin Phòng xét nghiệm (Laboratory Information System: LIS), Hệ thống Quản lý Dữ liệu Phòng xét nghiệm (Laboratory Data Management System: LDMS), Hệ thống Quản lý Tài liệu (Document Management Systems: DMS), ...

-Hệ thống tích hợp dữ liệu (Integration of data): mục tiêu của tích hợp dữ liệu là kết nối các thiết bị phòng xét nghiệm với mạng. Sự tích hợp số liệucó thể được thực hiện bằng cách sử dụng giao diện lập trình ứng dụng (Application Programming Interface: API), là phương thức kết nối dữ liệu phòng xét nghiệm với các bác sĩ và bệnh nhân. Số hóa có thể giúp ngăn ngừa sai sót trong quá trình truyền dữ liệu, cải thiện độ nhất quán của dữ liệu và làm giảm thời gian truyền dữ liệu.

-Hệ thống tự động hóa (automation): tự động hóa là mức độ tiếp theo của số hóa và mang lại giá trị cao nhất cho phòng xét nghiệm. Vai tròcủa tự động hóa là loại bỏ sự tương tác của con người trong quá trình xét nghiệmvà cho phép kiểm soát lỗi ở mức rất cao. Hiện nay, việc sử dụng tự động hóa thường là tự động hóa một phần.

-Hệ thốngngoài tự động hóa (beyond automation): một khía cạnh khác của tự động hóa là khả năng kiểm soát chất lượng, ra quyết định, báo cáo, phân tích và dự đoán xu hướng hoặc tạo ra các giả thuyết khoa họcvới sự tham gia của trí tuệ nhân tạo (artificial intelligence: AI). Trí tuệ nhân tạolàm giảm thời gian phân tích kết quả xét nghiệm, giúp nhân viêndành thời gian cho các lĩnh vực khác có giá trị lớn hơn.

4.2. Những thách thức vềsử dụng các quy trình phi cấu trúc

Chiến lược được áp dụng công nghệ 4.0 trong phòng xét nghiệm là số hóa các quy trình theo nhiều bước. Trước tiên là cài đặt Sổ ghi chép phòng xét nghiệm điện tử (ELN)cho phòng xét nghiệm. Các nhân viên cần được đào tạo về các quy trình phòng thí nghiệm, đồng bộ hóa các kỹ thuật và giao thức. ELN giải quyết điều này bằng cách cung cấp một kho lưu trữ dữ liệu duy nhất các quy trình phân tích,các kết quảxét nghiệm, các mẫu và các dữ liệu bệnh nhân.

4.3. Khó thể hiện giá trị

        Việc xây dựng một phòng xét nghiệm 4.0 có thể cần một khoản đầu tư tài chính đáng kể. Các công nghệ phòng xét nghiệm thông minh khó có thể được đánh giá trong thời gian ngắn. Giá trị thực của một phòng xét nghiệm thông minh chỉ có thể được thấy sau khi số hóa hoàn toàn và cần được đánh giá ở nhiều mức độ.

4.4. Ý nghĩa pháp lý và quản lý tài sản trí tuệ

Việc số hóa các quy trình xét nghiệm có thể làm giảm lỗi của con người. Việc áp dụng các công nghệ của công nghiệp 4.0 đòi hỏi các nhà quản lý phát triển khung pháp lý để đảm bảo phần mềm có chất lượng cao nhất và khẳng định giá trị khoa học của công nghệ mới bằng cácnghiên cứu khoa học và các bằng sáng chế.

4.5. Vấn đề về nhân lực

Việc triển khai các công nghệ mới vào quy trình xét nghiệmđòi hỏi nhân viên phảithường xuyên học tập, trau dồi chuyên môn. Một sốnhân viên không muốn thay đổi thói quen cũ, ngại học tập, ngại sử dụng công nghệ mới, có nguy cơ mất việc.

4.6. Sự bảo toàn dữ liệu

Khi tất cả các thiết bị được kết nối với internet và được điều khiển từ xa, cầnthiết lập hệ thống bảo toàn dữ liệu,ngăn chặn sự truy cập trái phép và lấy cắp dữ liệu.

5. Phòng xét nghiệm 4.0 ở Việt Nam hiện nay.

Phòng xét nghiệm Y học 4.0 ở Việt Nam: hiện nay, những công nghệ của Công nghiệp 4.0 như số hóa, tự động hóa, người máy, … , đã bắt đầu được ứng dụng từng phần tại một số phòng xét nghiệm ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh.

Kết luận

Phòng Xét nghiệm 4.0 là phòng xét nghiệm thông minh của kỷ nguyên Công nghiệp 4.0.Các công nghệ của Công nghiệp 4.0 được áp dụng trong Phòng Xét nghiệm 4.0 gồm: số hóa hoàn toàn, tự động hóa, hệ thống người máy, internet vạn vật, môi trường làm việc linh hoạt, modul hóa, ...Những ưu điểm của Phòng thí nghiệm 4.0 là: chính xác hơn, nhanh hơn, giảm chi phí, tăng sự hài lòng của nhân viên, có tính linh hoạt và liên ngành, tính bảo mật cao hơn.Một số điều cần cân nhắc khi xây dựng một Phòng xét nghiệm 4.0là: phòng thí nghiệm 4.0 phức tạp, khó sử dụng cho các quy trình phi cấu trúc, khó thể hiện giá trị, cần tác động pháp lý và quản lý tài sản trí tuệ, ngại sử dụng, và cần duy trì tính toàn vẹn của dữ liệu.Phòng xét nghiệm 4.0 ở Việt Nam: một số công nghệ của Công nghiệp 4.0 đã bắt đầu được ứng dụng từng phần ở Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh.

Tài liệu tham khảo

1. Adhav D, Pagar R, Sonawane R, Tawade S. Smart Laboratory. Int J Trend Sci Res Dev 2019 Apr; 3(3): 504-509.
2. Davenport T and Kalakota R. The potential for artificial intelligence in healthcare. Future Healthcare Journal 2019; 6(2), 94-98.
3. Javaid M and Haleem A. Industry 4.0 applications in medical field: A brief review. Curr Med Res Prac 2019 Apr; 9(3): 102-109.
4. Labuda N, Lepa T, Labuda M and Kozak K. Medical 4.0: Medical Data Ready for Deep and Machine Learning. J Bioanal Biomed 2017; 9(6): 283-287.
5. Lasi H, Kemper HG, Fettke P, Feld T, Hoffmann M. Industry 4.0. Bus Inf Syst Eng 2014; 6: 239-242.
6. Tao F, Cheng J, Qi Q, Zhang M, Zhang H, Sui F. Digital twin-driven product design, manufacturing and service with big data. Int J Adv Manuf Technol 2018; 94: 3563-3576.
7. Wolf B and Scholze C. “Medicine 4.0”.The role of electronics, information technology and microsystems in modern medicine. Current Directions in Biomedical Engineering 2017; 3(2): 183-186.