黃韻翰 綜述 周逢海 郭柏鴻** 審校

(甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院,蘭州 730000)

遠(yuǎn)程手術(shù)是指外科醫(yī)生借助機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),異地實(shí)時為遠(yuǎn)端患者實(shí)施手術(shù)的過程。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)承載能力的持續(xù)提高,配合不斷創(chuàng)新優(yōu)化的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng),遠(yuǎn)程手術(shù)呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢。本文主要就目前已開展的遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)進(jìn)行綜述,對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析,并對發(fā)展過程中的問題加以總結(jié)。

1 遠(yuǎn)程手術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

我們對國內(nèi)外已開展的遠(yuǎn)程手術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)回顧,納入文獻(xiàn)的受試對象是人類(患者或尸體)或?qū)嶒?yàn)動物,且必須為手術(shù)醫(yī)生全程無間斷的實(shí)時手術(shù)操作,排除專注于遠(yuǎn)程呈現(xiàn)、遠(yuǎn)程指導(dǎo)或影像定位的專科手術(shù),共20篇,見表1。

表1 已開展的遠(yuǎn)程腔鏡手術(shù)資料

1.1 國外研究現(xiàn)狀

歐美國家在20世紀(jì)90年代對遠(yuǎn)程手術(shù)進(jìn)行了初步探索,并在2001年完成世界首例遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù),由美國Marescaux等[1]通過光纖網(wǎng)絡(luò)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(shù)1例,雖然術(shù)中網(wǎng)絡(luò)時延較低(115 ms),但光纖網(wǎng)絡(luò)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(shù),在有線網(wǎng)絡(luò)支撐下的平均往返延遲最高達(dá)900 ms。2007年,加拿大Nguan等[3]分別在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議/虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(Internet Protocol/Virtual Private Network,IP/VPN)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)條件下用宙斯手術(shù)機(jī)器人對豬實(shí)施腎盂成形術(shù),認(rèn)為在IP/VPN支撐下的遠(yuǎn)程手術(shù)是可行的,而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)造成約600 ms的通信延遲會嚴(yán)重影響術(shù)者操作。2020年,意大利Acemoglu等[4]報道在5G網(wǎng)絡(luò)支持下借助Franka Panda手術(shù)機(jī)器人對15 km外的尸體行聲帶切除術(shù),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(jìn)行遠(yuǎn)端胃切除及淋巴結(jié)清掃,初步探索了胃腸道腫瘤行遠(yuǎn)程手術(shù)的可行性。

自2001年真正意義上的遠(yuǎn)程手術(shù)宣告成功以來,國外陸續(xù)對遠(yuǎn)程外科領(lǐng)域進(jìn)行嘗試,并取得階段性進(jìn)展,但遠(yuǎn)程手術(shù)主要選擇動物模型或尸體作為研究對象,很少開展遠(yuǎn)程腔鏡手術(shù)臨床應(yīng)用研究。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相比于歐美發(fā)達(dá)國家,我國遠(yuǎn)程外科研究開展較晚,但發(fā)展迅速。2015年7月,火箭軍總醫(yī)院李愛民等[6]借助4G網(wǎng)絡(luò),對118 km外的豬實(shí)施膽囊切除、胃穿孔修補(bǔ)和肝楔形切除術(shù)。盡管手術(shù)順利完成,但4G網(wǎng)絡(luò)的窄寬帶仍舊無法滿足遠(yuǎn)程手術(shù)對數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)男枨蟆?G通信技術(shù)的出現(xiàn)為解決遠(yuǎn)程手術(shù)的瓶頸問題提供了硬件支持,再加上國產(chǎn)手術(shù)機(jī)器人取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展[7],國內(nèi)諸多醫(yī)療團(tuán)隊(duì)對5G網(wǎng)絡(luò)下遠(yuǎn)程手術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探索,并取得突破性進(jìn)展。2018年12月,解放軍總醫(yī)院劉榮等[8]在福州遠(yuǎn)程操控手術(shù)機(jī)器人,對50 km外的豬成功實(shí)施肝楔形切除術(shù),這是國際首次5G遠(yuǎn)程手術(shù),平均網(wǎng)絡(luò)延遲<150 ms。2020年9月,青島大學(xué)附屬醫(yī)院泌尿外科團(tuán)隊(duì)為網(wǎng)絡(luò)通信距離近3000 km的豬成功實(shí)施4次遠(yuǎn)程腔鏡手術(shù),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(shí)施膀胱根治性切除術(shù)[10]。隨后該團(tuán)隊(duì)陸續(xù)開展遠(yuǎn)程根治性腎切除、腎上腺切除共47例[11～13],最遠(yuǎn)手術(shù)距離1775 km,是國際樣本量最大的遠(yuǎn)程手術(shù)臨床隊(duì)列。2022年9～10月,甘肅省人民醫(yī)院普外科團(tuán)隊(duì)[14]將先進(jìn)的無人機(jī)組網(wǎng)技術(shù)與5G技術(shù)結(jié)合,攜搭載國產(chǎn)圖邁手術(shù)機(jī)器人的醫(yī)療救援車載平臺,在戶外多種環(huán)境下成功實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)動物實(shí)驗(yàn),這是國內(nèi)首例脫離醫(yī)院環(huán)境的遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù),為未來野外應(yīng)急救援遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院泌尿外科團(tuán)隊(duì)[15]遠(yuǎn)程連線新疆克州人民醫(yī)院,應(yīng)用圖邁機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)完成2例精索靜脈高位結(jié)扎術(shù),網(wǎng)絡(luò)通信距離高達(dá)5800 km,而平均網(wǎng)絡(luò)延遲低至130 ms,再次驗(yàn)證5G無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于遠(yuǎn)程手術(shù)是安全、可行的。

北京大學(xué)第一醫(yī)院報道使用康多機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)成功完成雙控制臺遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)的動物實(shí)驗(yàn)和臨床研究[16]。2021年10月,北京大學(xué)第一醫(yī)院和北京市密云區(qū)醫(yī)院的兩位醫(yī)生通過有線網(wǎng)絡(luò)使用雙控制臺對位于北京市密云區(qū)醫(yī)院的豬實(shí)施腎部分切除術(shù),2022年4月,北京大學(xué)第一醫(yī)院和北京協(xié)和醫(yī)院的兩位醫(yī)生通過有線網(wǎng)絡(luò)與5G無線網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)連接使用雙控制臺對位于北京大學(xué)第一醫(yī)院的患者實(shí)施腎盂成形術(shù),手術(shù)采用的多點(diǎn)協(xié)同遠(yuǎn)程實(shí)時交互手術(shù)模式使兩地專家對手術(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管,并通過控制權(quán)轉(zhuǎn)移對手術(shù)關(guān)鍵步驟進(jìn)行交互操作,有效降低了單一遠(yuǎn)端控制臺機(jī)器人遠(yuǎn)程手術(shù)的醫(yī)療風(fēng)險。2023年,解放軍總醫(yī)院泌尿外科團(tuán)隊(duì)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(yuǎn)程手術(shù)的動物實(shí)驗(yàn)和臨床研究。該團(tuán)隊(duì)通過專線網(wǎng)絡(luò),遠(yuǎn)程操控精鋒MP1000手術(shù)機(jī)器人對19只豬進(jìn)行24次保留腎單位的腎部分切除術(shù)和8次輸尿管膀胱再植術(shù)[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(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)[19]。該通信方式將5G網(wǎng)絡(luò)和專線網(wǎng)絡(luò)分別用于傳輸視頻信號和控制信號,有效綜合5G網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快和專線網(wǎng)絡(luò)傳輸衰減小的優(yōu)點(diǎn)。

2023年3月,上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬胸科醫(yī)院采用圖邁手術(shù)機(jī)器人及5G無線網(wǎng)絡(luò),完成豬右肺尖葉切除及縱隔淋巴結(jié)清掃[20];同年6月,解放軍總醫(yī)院第七醫(yī)學(xué)中心通過5G網(wǎng)絡(luò)操控圖邁手術(shù)機(jī)器人,為4000 km外的新疆維吾爾自治區(qū)皮山縣人民醫(yī)院的患者成功實(shí)施全子宮雙附件切除術(shù)[21],填補(bǔ)了遠(yuǎn)程手術(shù)在胸外科及婦產(chǎn)科領(lǐng)域的空白。

得益于國產(chǎn)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的突破和我國大力推進(jìn)的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè),我國在遠(yuǎn)程外科領(lǐng)域的成績已具備國際影響力,遠(yuǎn)程手術(shù)模式已由“單主控端—單執(zhí)行端”向“單主控端—多執(zhí)行端”[22]、“多主控端—單執(zhí)行端”[16]網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同模式轉(zhuǎn)化,而“多主控端—多執(zhí)行端”的復(fù)雜交互模式也指日可待,開啟5G遠(yuǎn)程手術(shù)的新篇章。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

安全可靠的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng),高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和流暢熟練的術(shù)者操作是遠(yuǎn)程手術(shù)順利實(shí)施的關(guān)鍵要素[23]。

2.1 機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)

目前各大醫(yī)療科技公司通過技術(shù)革新使手術(shù)機(jī)器人具備3D高清視野及精確的運(yùn)動控制系統(tǒng),能夠滿足遠(yuǎn)程手術(shù)對術(shù)者眼和手的要求,但觸覺反饋技術(shù)發(fā)展緩慢,術(shù)者只能通過視覺反饋對抓取、縫合臟器進(jìn)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(shù)機(jī)器人和韓國Meere公司Revo-I手術(shù)機(jī)器人加入觸覺反饋[26],在一定程度上克服了機(jī)器人手術(shù)操作缺乏“手感”問題。但現(xiàn)階段機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的觸覺反饋并不能像開放手術(shù)那樣精確。華中科技大學(xué)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(jié)構(gòu)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(dá)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(shù)機(jī)器人提供精密操作下的接觸力反饋,從而賦予外科醫(yī)生遠(yuǎn)程手術(shù)操作時的真實(shí)感。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

盡管目前的通信技術(shù)在一定程度上已能支持開展遠(yuǎn)程手術(shù),但信號時滯仍是限制遠(yuǎn)程手術(shù)推廣的主要因素[28],對一些精細(xì)的、全程無間斷的外科手術(shù)來說,還需采取技術(shù)手段進(jìn)一步降低通信延遲。①確定性網(wǎng)絡(luò)(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(nèi)的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)。青島大學(xué)附屬醫(yī)院[29]分別在專線網(wǎng)絡(luò)和5G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑節(jié)點(diǎn)上部署DetNet設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù),結(jié)果顯示,相較未部署DetNet設(shè)備的專線網(wǎng)絡(luò)和5G無線網(wǎng)絡(luò),平均網(wǎng)絡(luò)延遲分別降低62%和15%,平均網(wǎng)絡(luò)延遲波動分別降低93%和65%,證明DetNet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可有效降低網(wǎng)絡(luò)延遲。②作為組網(wǎng)方案的輔助技術(shù),多鏈路聚合傳輸技術(shù)通過在傳統(tǒng)鏈路層上添加一個虛擬層,運(yùn)用輪轉(zhuǎn)算法將數(shù)據(jù)幀分發(fā)到各條鏈路中,并對多條物理鏈路的傳輸帶寬進(jìn)行聚合,從而實(shí)現(xiàn)在同一個終端上帶寬疊加的高速傳送效果,可有效改善網(wǎng)絡(luò)通信延遲[30]。③邊緣云(Edge-Cloud)是一種新型的云計(jì)算架構(gòu),將數(shù)據(jù)處理、儲存和計(jì)算功能從云計(jì)算中心向網(wǎng)絡(luò)邊緣推送,從而實(shí)現(xiàn)更低的數(shù)據(jù)傳輸延遲。在主控端引入邊緣云集成技術(shù)可加快傳感器對原始操作數(shù)據(jù)的處理速度,從而降低從端機(jī)械響應(yīng)延遲[31]。④相較于機(jī)械響應(yīng)延遲,包含大量信息的圖像傳輸是造成網(wǎng)絡(luò)延遲最重要的原因[32],該延遲發(fā)生在圖像信息被編/解碼器進(jìn)行壓縮和恢復(fù)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(zhì)越低。Takahashi等[33]的研究表明,壓縮至10 Mbps(極限)所呈現(xiàn)的圖像畫質(zhì)與120 Mbps沒有顯著差異,不影響遠(yuǎn)程手術(shù)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(shù)的不斷改進(jìn)可有效降低通信延遲,但由于遠(yuǎn)程控制兩端在空間上存在距離,一定程度的網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程手術(shù)負(fù)面影響也是遠(yuǎn)程手術(shù)順利開展的核心。①Orosco等[34]通過添加運(yùn)動縮放調(diào)整外科醫(yī)生每次器械位移,可有效減少延遲造成的手術(shù)器械超調(diào)和振蕩,這是一種通過計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助解決硬件問題的方法。②條件生成對抗網(wǎng)絡(luò)(Conditional Generative Adversarial Nets,cGAN)是一種通過2個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相互博弈的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)的生成模型。Sachdeva等[35]建立名為Pix2Pix的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過純光學(xué)方法使手術(shù)機(jī)器人學(xué)習(xí)和復(fù)制機(jī)械臂在手術(shù)環(huán)境中的樣子,從而使機(jī)器人能夠更加精確地檢測到機(jī)械手相對于患者組織和器官的位置,當(dāng)由延遲導(dǎo)致機(jī)械手位移異常時可超越術(shù)者控制,將其調(diào)整至安全位置來避免術(shù)中傷害。③主操作手單次快速大幅移動時,會產(chǎn)生可以感受到的機(jī)械臂響應(yīng)延遲,因此,在實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)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(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生即便在100 ms的通信延遲下進(jìn)行遠(yuǎn)程操作,仍然比延遲控制在0 ms的缺乏經(jīng)驗(yàn)的外科醫(yī)生表現(xiàn)更好,因此,術(shù)者的解剖知識、手術(shù)技巧、機(jī)器人操作熟練程度、對延遲的適應(yīng)能力可在一定程度上彌補(bǔ)時延帶來的影響。

3 亟待解決的問題

遠(yuǎn)程手術(shù)時延參考標(biāo)準(zhǔn)可用來指導(dǎo)術(shù)前網(wǎng)絡(luò)方案選擇及術(shù)中延遲波動時的靈活應(yīng)對。2005年,Kim等[37]認(rèn)為250 ms的通信延遲在遠(yuǎn)程腔鏡手術(shù)中是可以接受的,而Anvari等[38]認(rèn)為即便是500 ms的延遲也不會影響手術(shù)質(zhì)量。Xu等[39]2014年提出200 ms以內(nèi)的綜合延遲是遠(yuǎn)程手術(shù)順利開展的理想狀態(tài),將延遲放寬到200～300 ms不會影響手術(shù)操作,當(dāng)延遲超過700 ms時,即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的外科醫(yī)生也很難保證手術(shù)質(zhì)量,目前國內(nèi)外遠(yuǎn)程研究多以此作為網(wǎng)絡(luò)選擇的標(biāo)準(zhǔn)。

考慮到近10年機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷更新迭代,可接受的通信延遲已經(jīng)發(fā)生變化,再加上以往遠(yuǎn)程手術(shù)時延參考標(biāo)準(zhǔn)的研究都是在“靜態(tài)環(huán)境”(即人工模型)下進(jìn)行的,而手術(shù)過程是動態(tài)化的,包括心臟搏動、呼吸運(yùn)動、胃腸蠕動等因素,且受試者對延遲大小及任務(wù)執(zhí)行順序并不盲目,因此,通過對延遲的盲化和任務(wù)順序的隨機(jī)化后,按照手術(shù)的難易程度在人體上進(jìn)行時延參考標(biāo)準(zhǔn)的研究是今后工作的重點(diǎn)。

此外,遠(yuǎn)程手術(shù)發(fā)展中還應(yīng)解決以下問題:①加快5G基站部署,實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)全國所有地區(qū)覆蓋;②加快實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人核心部件的全面國產(chǎn)化及產(chǎn)品臨床應(yīng)用自主化,降低手術(shù)機(jī)器人的購置費(fèi)用;③建設(shè)并完善具有領(lǐng)域通用性的遠(yuǎn)程手術(shù)相關(guān)法律法規(guī)和操作指南;④建立遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化培訓(xùn)體系。

4 總結(jié)與展望

作為眾多學(xué)科體系深度交叉融合的產(chǎn)物,遠(yuǎn)程手術(shù)打破了醫(yī)患雙方在同一物理空間下才能實(shí)施手術(shù)的先決條件,可將優(yōu)質(zhì)外科醫(yī)療力量最快速投送至通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的任何區(qū)域。未來的遠(yuǎn)程手術(shù)應(yīng)用場景將不再局限于醫(yī)院手術(shù)室,針對災(zāi)區(qū)、戰(zhàn)場等復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用已成為當(dāng)前發(fā)展的主要方向之一。這就需要手術(shù)機(jī)器人朝著體積更加小型輕便化,結(jié)構(gòu)更加緊湊一體化,手術(shù)操作更加智能自動化的方向發(fā)展,有望讓外科醫(yī)生隨時隨地實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù),甚至實(shí)現(xiàn)手術(shù)機(jī)器人替代外科醫(yī)生獨(dú)立完成遠(yuǎn)程救治工作。