基于5G通信技術的遠程機器人手術應用研究進展及關鍵技術分析*

黃韻翰 綜述 周逢海 郭柏鴻** 審校

(甘肅中醫藥大學第一臨床醫學院,蘭州 730000)

遠程手術是指外科醫生借助機器人手術系統及網絡通信技術,異地實時為遠端患者實施手術的過程。隨著網絡通信技術承載能力的持續提高,配合不斷創新優化的機器人手術系統,遠程手術呈現加速發展趨勢。本文主要就目前已開展的遠程機器人手術進行綜述,對其關鍵技術進行分析,并對發展過程中的問題加以總結。

1 遠程手術的應用現狀

我們對國內外已開展的遠程手術進行系統回顧,納入文獻的受試對象是人類(患者或尸體)或實驗動物,且必須為手術醫生全程無間斷的實時手術操作,排除專注于遠程呈現、遠程指導或影像定位的?？剖中g,共20篇,見表1。

表1 已開展的遠程腔鏡手術資料

1.1 國外研究現狀

歐美國家在20世紀90年代對遠程手術進行了初步探索,并在2001年完成世界首例遠程機器人手術,由美國Marescaux等[1]通過光纖網絡開展從美國紐約到法國斯特拉斯堡相距7000 km的膽囊切除術1例,雖然術中網絡時延較低(115 ms),但光纖網絡成本高昂且移動性差,難以推廣。2005年3～4月,美國Sterbis等[2]在辛辛那提和丹佛對位于森尼維爾的4只豬行右腎切除術,在有線網絡支撐下的平均往返延遲最高達900 ms。2007年,加拿大Nguan等[3]分別在互聯網協議/虛擬專用網絡(Internet Protocol/Virtual Private Network,IP/VPN)和衛星網絡條件下用宙斯手術機器人對豬實施腎盂成形術,認為在IP/VPN支撐下的遠程手術是可行的,而衛星網絡造成約600 ms的通信延遲會嚴重影響術者操作。2020年,意大利Acemoglu等[4]報道在5G網絡支持下借助Franka Panda手術機器人對15 km外的尸體行聲帶切除術,最大往返延遲低至280 ms。2023年,日本Ebihara等[5]對250 km外的一具假定的胃癌尸體進行遠端胃切除及淋巴結清掃,初步探索了胃腸道腫瘤行遠程手術的可行性。

自2001年真正意義上的遠程手術宣告成功以來,國外陸續對遠程外科領域進行嘗試,并取得階段性進展,但遠程手術主要選擇動物模型或尸體作為研究對象,很少開展遠程腔鏡手術臨床應用研究。

1.2 國內研究現狀

相比于歐美發達國家,我國遠程外科研究開展較晚,但發展迅速。2015年7月,火箭軍總醫院李愛民等[6]借助4G網絡,對118 km外的豬實施膽囊切除、胃穿孔修補和肝楔形切除術。盡管手術順利完成,但4G網絡的窄寬帶仍舊無法滿足遠程手術對數據實時傳輸的需求。5G通信技術的出現為解決遠程手術的瓶頸問題提供了硬件支持,再加上國產手術機器人取得了突飛猛進的發展[7],國內諸多醫療團隊對5G網絡下遠程手術的應用進行探索,并取得突破性進展。2018年12月,解放軍總醫院劉榮等[8]在福州遠程操控手術機器人,對50 km外的豬成功實施肝楔形切除術,這是國際首次5G遠程手術,平均網絡延遲<150 ms。2020年9月,青島大學附屬醫院泌尿外科團隊為網絡通信距離近3000 km的豬成功實施4次遠程腔鏡手術,包括左腎、膀胱、膽囊及部分肝切除[9],并于2020年9月24日為3000 km外的1例71歲T2N0M0膀胱癌患者成功實施膀胱根治性切除術[10]。隨后該團隊陸續開展遠程根治性腎切除、腎上腺切除共47例[11～13],最遠手術距離1775 km,是國際樣本量最大的遠程手術臨床隊列。2022年9～10月,甘肅省人民醫院普外科團隊[14]將先進的無人機組網技術與5G技術結合,攜搭載國產圖邁手術機器人的醫療救援車載平臺,在戶外多種環境下成功實施遠程手術動物實驗,這是國內首例脫離醫院環境的遠程機器人手術,為未來野外應急救援遠程機器人手術奠定技術基礎。南京醫科大學第一附屬醫院泌尿外科團隊[15]遠程連線新疆克州人民醫院,應用圖邁機器人手術系統完成2例精索靜脈高位結扎術,網絡通信距離高達5800 km,而平均網絡延遲低至130 ms,再次驗證5G無線網絡應用于遠程手術是安全、可行的。

北京大學第一醫院報道使用康多機器人手術系統成功完成雙控制臺遠程機器人手術的動物實驗和臨床研究[16]。2021年10月,北京大學第一醫院和北京市密云區醫院的兩位醫生通過有線網絡使用雙控制臺對位于北京市密云區醫院的豬實施腎部分切除術,2022年4月,北京大學第一醫院和北京協和醫院的兩位醫生通過有線網絡與5G無線網絡串聯連接使用雙控制臺對位于北京大學第一醫院的患者實施腎盂成形術,手術采用的多點協同遠程實時交互手術模式使兩地專家對手術進行實時監管,并通過控制權轉移對手術關鍵步驟進行交互操作,有效降低了單一遠端控制臺機器人遠程手術的醫療風險。2023年,解放軍總醫院泌尿外科團隊報道在北京和三亞之間(相距約3000 km)完成多種通信模式下遠程手術的動物實驗和臨床研究。該團隊通過專線網絡,遠程操控精鋒MP1000手術機器人對19只豬進行24次保留腎單位的腎部分切除術和8次輸尿管膀胱再植術[17,18]。隨后采用5G+專線的通信模式,為6例下腔靜脈后輸尿管、腎癌、前列腺癌和腎上腺腫瘤患者成功實施遠程手術[19]。該通信方式將5G網絡和專線網絡分別用于傳輸視頻信號和控制信號,有效綜合5G網絡傳輸速度快和專線網絡傳輸衰減小的優點。

2023年3月,上海交通大學醫學院附屬胸科醫院采用圖邁手術機器人及5G無線網絡,完成豬右肺尖葉切除及縱隔淋巴結清掃[20];同年6月,解放軍總醫院第七醫學中心通過5G網絡操控圖邁手術機器人,為4000 km外的新疆維吾爾自治區皮山縣人民醫院的患者成功實施全子宮雙附件切除術[21],填補了遠程手術在胸外科及婦產科領域的空白。

得益于國產機器人手術系統的突破和我國大力推進的5G網絡建設,我國在遠程外科領域的成績已具備國際影響力,遠程手術模式已由“單主控端—單執行端”向“單主控端—多執行端”[22]、“多主控端—單執行端”[16]網絡化協同模式轉化,而“多主控端—多執行端”的復雜交互模式也指日可待,開啟5G遠程手術的新篇章。

2 關鍵技術分析

安全可靠的機器人手術系統,高速穩定的數據傳輸技術和流暢熟練的術者操作是遠程手術順利實施的關鍵要素[23]。

2.1 機器人手術系統

目前各大醫療科技公司通過技術革新使手術機器人具備3D高清視野及精確的運動控制系統,能夠滿足遠程手術對術者眼和手的要求,但觸覺反饋技術發展緩慢,術者只能通過視覺反饋對抓取、縫合臟器進行力度判斷[24]。Ota等[25]的研究表明,加入觸覺反饋后的臟器抓取力明顯弱于僅靠視覺反饋時(1.7 N vs. 3.2 N,P<0.01)。美國TransEnterix公司Senhance手術機器人和韓國Meere公司Revo-I手術機器人加入觸覺反饋[26],在一定程度上克服了機器人手術操作缺乏“手感”問題。但現階段機器人手術系統的觸覺反饋并不能像開放手術那樣精確。華中科技大學采用電容式傳感原理(包括2片柔性電極和1個具有仿生結構的離子凝膠層),研制出具有超高靈敏度的電子皮膚傳感器,其高達9484.3 kPa-1的高壓測量靈敏度及低至0.12 Pa的檢測限,能夠檢測到切割不同生物組織時的微小接觸力差別[27],為手術機器人提供精密操作下的接觸力反饋,從而賦予外科醫生遠程手術操作時的真實感。

2.2 數據傳輸技術

盡管目前的通信技術在一定程度上已能支持開展遠程手術,但信號時滯仍是限制遠程手術推廣的主要因素[28],對一些精細的、全程無間斷的外科手術來說,還需采取技術手段進一步降低通信延遲。①確定性網絡(Deterministic Networking,DetNet)是一種可將延遲、波動和丟包率等控制在確定范圍內的網絡新技術。青島大學附屬醫院[29]分別在專線網絡和5G無線網絡傳輸路徑節點上部署DetNet設備實施遠程手術,結果顯示,相較未部署DetNet設備的專線網絡和5G無線網絡,平均網絡延遲分別降低62%和15%,平均網絡延遲波動分別降低93%和65%,證明DetNet網絡技術可有效降低網絡延遲。②作為組網方案的輔助技術,多鏈路聚合傳輸技術通過在傳統鏈路層上添加一個虛擬層,運用輪轉算法將數據幀分發到各條鏈路中,并對多條物理鏈路的傳輸帶寬進行聚合,從而實現在同一個終端上帶寬疊加的高速傳送效果,可有效改善網絡通信延遲[30]。③邊緣云(Edge-Cloud)是一種新型的云計算架構,將數據處理、儲存和計算功能從云計算中心向網絡邊緣推送,從而實現更低的數據傳輸延遲。在主控端引入邊緣云集成技術可加快傳感器對原始操作數據的處理速度,從而降低從端機械響應延遲[31]。④相較于機械響應延遲,包含大量信息的圖像傳輸是造成網絡延遲最重要的原因[32],該延遲發生在圖像信息被編/解碼器進行壓縮和恢復時。理論上壓縮率越低,傳輸速度越快,但解壓時間越長且畫質越低。Takahashi等[33]的研究表明,壓縮至10 Mbps(極限)所呈現的圖像畫質與120 Mbps沒有顯著差異,不影響遠程手術操作,從而確立可有效降低傳輸延遲的圖像壓縮閾值。

通過技術的不斷改進可有效降低通信延遲,但由于遠程控制兩端在空間上存在距離,一定程度的網絡延遲是不可避免的,如何減少不可避免的固有時延可能帶來的遠程手術負面影響也是遠程手術順利開展的核心。①Orosco等[34]通過添加運動縮放調整外科醫生每次器械位移,可有效減少延遲造成的手術器械超調和振蕩,這是一種通過計算機技術輔助解決硬件問題的方法。②條件生成對抗網絡(Conditional Generative Adversarial Nets,cGAN)是一種通過2個神經網絡相互博弈的方式進行學習的生成模型。Sachdeva等[35]建立名為Pix2Pix的神經網絡,通過純光學方法使手術機器人學習和復制機械臂在手術環境中的樣子,從而使機器人能夠更加精確地檢測到機械手相對于患者組織和器官的位置,當由延遲導致機械手位移異常時可超越術者控制,將其調整至安全位置來避免術中傷害。③主操作手單次快速大幅移動時,會產生可以感受到的機械臂響應延遲,因此,在實施遠程手術過程中,要“小步走”,減少器械快速、大幅移動帶來的主從操作不一致[23]。④Nankaku等[36]的研究表明,經驗豐富的外科醫生即便在100 ms的通信延遲下進行遠程操作,仍然比延遲控制在0 ms的缺乏經驗的外科醫生表現更好,因此,術者的解剖知識、手術技巧、機器人操作熟練程度、對延遲的適應能力可在一定程度上彌補時延帶來的影響。

3 亟待解決的問題

遠程手術時延參考標準可用來指導術前網絡方案選擇及術中延遲波動時的靈活應對。2005年,Kim等[37]認為250 ms的通信延遲在遠程腔鏡手術中是可以接受的,而Anvari等[38]認為即便是500 ms的延遲也不會影響手術質量。Xu等[39]2014年提出200 ms以內的綜合延遲是遠程手術順利開展的理想狀態,將延遲放寬到200～300 ms不會影響手術操作,當延遲超過700 ms時,即使是經驗豐富的外科醫生也很難保證手術質量,目前國內外遠程研究多以此作為網絡選擇的標準。

考慮到近10年機器人手術系統和網絡通信技術的不斷更新迭代,可接受的通信延遲已經發生變化,再加上以往遠程手術時延參考標準的研究都是在“靜態環境”(即人工模型)下進行的,而手術過程是動態化的,包括心臟搏動、呼吸運動、胃腸蠕動等因素,且受試者對延遲大小及任務執行順序并不盲目,因此,通過對延遲的盲化和任務順序的隨機化后,按照手術的難易程度在人體上進行時延參考標準的研究是今后工作的重點。

此外,遠程手術發展中還應解決以下問題:①加快5G基站部署,實現5G網絡全國所有地區覆蓋;②加快實現手術機器人核心部件的全面國產化及產品臨床應用自主化,降低手術機器人的購置費用;③建設并完善具有領域通用性的遠程手術相關法律法規和操作指南;④建立遠程機器人手術標準化培訓體系。

4 總結與展望

作為眾多學科體系深度交叉融合的產物,遠程手術打破了醫患雙方在同一物理空間下才能實施手術的先決條件,可將優質外科醫療力量最快速投送至通信網絡覆蓋的任何區域。未來的遠程手術應用場景將不再局限于醫院手術室,針對災區、戰場等復雜環境的應用已成為當前發展的主要方向之一。這就需要手術機器人朝著體積更加小型輕便化,結構更加緊湊一體化,手術操作更加智能自動化的方向發展,有望讓外科醫生隨時隨地實施遠程手術,甚至實現手術機器人替代外科醫生獨立完成遠程救治工作。