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零下196℃的安心 被5G“變活”的細胞銀行

探訪全球首個千萬級5G無人值守細胞樣本庫

2021年05月03日本站原創
IT時報記者 郝俊慧
人擁有最多的資產是什么?細胞!
每個人體內大約有40-60億個細胞在游動,然而,你知道嗎?細胞已成為人類健康的戰略資源,細胞治療(干細胞治療、免疫細胞治療)邁入臨床大門。大規模、商業化、長期高質量的細胞存儲,具有迫切的現實意義。
在浦東張江原能細胞產業園區,《IT時報》記者邂逅一個“活”的“細胞銀行”,在5G網絡加持下,經過制備的細胞試管在-196℃的深低溫存儲樣本庫中安靜地存放著,一旦需要存取、轉運,機器人會自動完成所有過程,不僅樣本信息全程可追蹤,存儲設備內部視頻也可“無延時傳輸”……
這是全球首個臨床級5G全自動無人值守細胞樣本庫,也是原能細胞科技集團和中國電信上海公司(以下簡稱上海電信)共同打造的、5G定制網在醫療器械領域的最佳實踐。
2021年3月,原能全自動5G生物樣本庫作為醫療器械行業唯一入選案例,被工信部評選為全國44項“移動物聯網”應用優秀案例之一。
這里的“銀行”靜悄悄
     信號燈閃爍,墻壁上的黑色窗口打開,藍色的智能轉運罐被“吐”了出來。一臺雙臂式機器人迅速駛來,輕舒猿臂,將盒子從托盤上取下,隨后自動行駛到長長的軌道前,另一個單臂機器人“接力”后,沿軌道行至某個方形設備前,這里的另一個黑色窗口早已張開了“嘴”,吐出托盤,然后慢慢將轉運罐“吞”入腹中。
不一會,藍色的轉運罐再度被“吐”出,并原路返回至一墻之隔的中控室,罐里裝滿細胞的試管,已穩穩存放于-196℃的細胞樣本存儲設備中。
透過原能5G全自動無人值守細胞樣本庫外的玻璃窗向里望去,仿佛在看一部默片時代的科幻電影,白色的墻壁、銀黑相間的設備、藍色的指示光,沒有人,只有機器之間在無聲“對話”,每個動作精準到毫厘,即使重復數十萬次,也不會有絲毫偏差。
“全球范圍內,我們是首個通過5G網絡實現無人值守臨床級的‘細胞銀行’,”在長達五年的研發過程中,原能細胞庫副總經理劉惠明也曾嘗試過Wi-Fi或者4G作為連接方式,但Wi-Fi使用的是公用頻段,容易受到干擾,而機器人對室內導航連續性的要求非常高。另外,Wi-Fi安全性無法滿足工業級需求,4G帶寬較窄,時延太長,也不能滿足細胞樣本庫實時反饋設備內現狀的要求。
高帶寬、低時延、廣連接5G的出現,讓劉惠明看到新的可能。2019年9月,原能細胞與中國電信合作,開始共建“5G生命科學聯合創新中心”,嘗試用5G解決痛點。
經過16個月的反復測試,2021年1月,基于5G-IoT(物聯網)、大數據、人工智能、AR遠程診斷、數字孿生、視覺檢測、邊緣計算等創新技術的全國首個臨床級千萬級細胞樣本存儲庫正式啟用,真正實現了樣本庫的智能、安全、高效運營,讓“生物樣本更安全”。
5年方得始終
建一座“無人值守”的細胞樣本庫,是原能人心里的執念,“否則醫療事故一發生,便是人命關天。”劉惠明對此深有感觸。
細胞樣本存儲的制冷劑通常采用液氮,優點是可以保持恒溫-196℃,但缺點是極易揮發。眾所周知,空氣中的氮氧比例是78:21,超過這個比例,人很容易進入缺氧狀態。傳統的細胞樣本庫通常采用液氧罐儲存,由人工值守,實驗區的氧氣含量在18%-19%,實驗人員相當于長期在海拔5000米以上高原工作。更危險的是,提取樣本時,如果不慎過度靠近液氮罐,實驗人員很容易因突發性缺氧昏迷,甚至造成更嚴重后果。
     2014年成立伊始,原能細胞科技集團便希望將“細胞銀行”打造成無人值守的樣本庫,彼時,細胞庫自動化存儲設備領域,基本被國外品牌壟斷,價格居高不下,一臺設備超過千萬元。原能也曾采購過某國外品牌的高端設備,但使用時遭遇各種bug,根本無法實現真正的全自動無人值守。
    “我們也是‘被迫’走上自主研發之路。”經過5年的科研攻關、產品研發內測,原能全自動細胞樣本庫以“中國智造”打破了國際公司的壟斷,旗艦產品BSN系列全自動深低溫生物樣本存儲設備,采用獨創專利的蜂巢式存儲結構,可為樣本提供-196℃氣相液氮的無氧存儲環境,有效保障樣本的安全和質量,劉惠明坦言,如果沒有5G,這條路不會走得這么順利。
庫區下載速率900M
在原能細胞樣本庫,《IT時報》記者看到,5G-IoT、大數據、人工智能、AR遠程診斷、數字孿生、視覺檢測、邊緣計算等前沿技術,被悉數應用到細胞轉運的各個環節,整座“細胞銀行”被5G無縫覆蓋,下載速率超過900Mbps。
除了此前看到的機器人自動運輸智能轉運罐,在看不見的深低溫存儲設備內部,也是“科技感”滿滿。
據原能細胞科技集團副總裁韋嘉介紹,裝有細胞的試管在進入存儲設備后,需要有機械臂將其精準放入蜂巢式樣本架上,還得保證試管外觀無任何瑕疵。因此設備內部裝有三個高清攝像頭,它們深入設備“肌理”,時刻監控設備內的結構狀態,并且定位樣本位置。利用5G的高速帶寬,2秒內可以將樣本試管照片上傳至邊緣服務器處理,3~4秒便可以完成整個檢測流程,從而確保了樣本庫的高效運行。
負責項目實施的中國電信上海公司浦東局相關負責人路穎,在這個項目上整整“泡”了兩年。
他告訴記者,室內覆蓋通常是移動網絡建設難點,原能細胞樣本庫里采用了將近30個5G小基站,經過近半年的反復調試,做到了無縫覆蓋。
回答每個指令只需7毫秒
入選“移動物聯網”應用優秀案例之前,原能5G全自動無人值守樣本庫已經獲得由工業和信息化部主辦的第三屆"綻放杯"5G應用征集大賽上海賽區三等獎和全國智慧醫療賽區三等獎“雙料”獎項。
評委們對這個項目贊譽有加,認為它對提升生物樣本采集、運輸、存儲、制備全流程數字化服務過程中的生物樣本安全等級,形成國家生物安全標準和體系有著極其重要的意義。
更重要的是,這是一個極具前瞻性的項目。
路穎告訴《IT時報》記者,與其他同類方案相比,原能項目各項技術的創新度至少領先半年,是5G定制網逐步進化的絕佳樣本。  
2020年11月7日,中國電信全新發布“致遠”、“比鄰”、“如翼”三類定制網服務模式,所謂5G定制網,是以5G網絡為基礎,將連接、計算和智能等全部數字化能力集合起來,為用戶“融合定制”。
簡單理解,“致遠”強調的是廣域接入,通過DNN定制或者切片等技術,在5G公網內便能滿足用戶需求,性價比較高。“比鄰”則更強調MEC邊緣計算,本地處理,屬于云邊協同的專有網絡,比較適合對時延和帶寬比較敏感的客戶。
原能目前屬于“比鄰”階段,端到端的網絡時延只有7毫秒,也就是說,中控室的每個指令,7毫秒后便能得到機器人的反饋。
不過,“如翼”更適合未來的原能,這種定制網可以通過定制基站、頻率、園區級UPF等專用網絡設備及網絡服務,全面匹配MEC、云、行業能力、行業應用等關鍵組件,為行業客戶提供端到端的、定制化的專屬解決方案。
“屆時,原能甚至可以在自己的園區內成為一個小運營商,在產業鏈上下游間實現無縫覆蓋。”路穎解釋。
數據打造“孿生兄弟”
     從安靜的細胞樣本庫移步到中控室,是另外一幅場景。
 溫度1:21℃,濕度1:44%,氧濃度:19.5%……原能的“細胞銀行”不僅是“活”的,還有一個“孿生兄弟”。
中控室的大屏幕上,通過數字孿生技術,細胞庫內裝備、環境系統過去和目前的狀態與流程,都映射為實時動態的1:1全真三維虛擬模型,它可以智能模擬實體庫的運行情況,監測、診斷其健康狀態,并且對存儲設備的關鍵性零部件提前感知并預測未來狀態。
“通過數據孿生,哪怕是千里之外的細胞樣本庫,我們也可以在上海看到其存在的安全隱患,并遠程消除,從而避免因樣本庫發生故障而對生物樣本造成無法用經濟衡量的、不可逆的傷害。”韋嘉告訴記者,作為一種生物資源,細胞具有不可恢復性,國家生物安全水平標準目前正在逐步建立,而科技可以防范于未然。
另兩個屏幕上呈現的則是原能細胞IoT遠程管理平臺,在一張中國地圖上,可以看到原能在全國部署和服務的樣本庫實時狀況,每個樣本庫的樣本總量、運行設備數量、液氮塔的容量……一目了然。
這個平臺是“5G生命科學聯合創新中心”的另一成果。無論是原能自營,還是為客戶搭建的樣本庫,各級儲存中心之間通過5G傳輸技術,實現不間斷管理,所有細胞樣本數據在IoT云上進行管理。它不僅可以遠程為設備進行周期性“體檢”,遠程反饋設備報警信息,還能通過VR/AR支持工程師遠程排障,幫助用戶了解設備運行的各類數據,追溯細胞銀行的“前世今生”。
可全國復制的“細胞銀行”
隨著生物安全被納入國家安全體系,加上突如其來的這場疫情,建設生物安全實驗室、生物樣本存儲逐漸變得尤為重要。
正式運行4個月后,原能的5G全自動細胞樣本庫已經形成一整套成熟的、可復制的解決方案,無人值守的“細胞銀行”模式正在全國復制。
據了解,在浙江麗水和山東青島,原能正籌建新的自營細胞樣本庫;同時,原能正在與上海仁濟、北京協和等知名三甲醫院和山東濟南等地的細胞存儲單位合作,協助他們建立自己的全自動細胞樣本庫。
“未來,我們想做一個細胞銀行的網絡,上海的中控室是一個平臺,了解并控制每個單獨‘銀行’的設備實時運行狀況、樣本存儲溫度等情況,甚至提供遠程服務。”韋嘉透露,已建網絡的響應速度從以往的數小時變為實時,而服務成本可降低30%以上。
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