一站对多地5G远程控制骨科机器人手术的临床应用

田伟 张琦 李祖昌 范明星 刘亚军 王磊升 张树栋 戴加平 陈宝 张涛 尤佳 刘欣伟 王春生 廖燚 汪少波

机器人技术现已在多个骨科亚专业中得到应用;它提高了内植物放置的准确性和可重复性，可改善骨科手术的临床结果[1]。随着科技的进步，脊柱手术在手术技术和内植物等方面都得到了巨大发展[2]。在脊柱内固定手术中，机器人技术的应用可提高螺钉置入的准确性[3]。应用第三代天玑骨科手术机器人系统，可完成脊柱全节段手术。在临床脊柱手术的应用中，其有效性和安全性已得到证实[4-12]。远程手术的概念由来已久。远程手术是远程医疗的形式之一，通过有线和(或)无线传输将医疗数据进行整合，使手术相关的图像、视频等信息能够远距离传输，由机器人工作站手术医生远程指导、操作完成手术[13-14]。但是，受网络通信技术等方面的影响，远程手术仅在部分国家和地区开展，并没有得到大范围的推广。近几年来，5G网络通信技术得到开发与使用，其凭借着高带宽、低时延等特点，有望给远程手术带来革新[15]。5G+机器人的组合，实现了骨科手术机器人的远程实时手术，也促进了一站对多地(一对多，one to many)远程医疗模式的发展。本研究旨在探讨一对多5G远程骨科机器人手术的准确性和安全性。

资料与方法

一、资料

1．5G远程骨科机器人手术的硬件条件：(1)5G网络：中国电信、华为公司网络通信系统；(2)手术设备：骨科机器人系统、三维C型臂、碳素手术床、高清摄像头及显示屏；(3)远程主控室：手术医院显示屏、综合大屏、高清摄像头、综合小屏、远程操控电子计算机、机器人切换键盘、音频和视频综合切换键盘。本研究远程手术的参与医院包括：北京积水潭医院的机器人远程手术中心、山东省烟台山医院骨科、浙江省嘉兴市第二医院骨科、天津市第一中心医院骨科、河北省张家口市第二医院脊柱外科和新疆维吾尔自治区克拉玛依市中心医院骨科。

2.病例纳入与排除标准：(1)纳入标准：①年龄18岁以上；②确诊为退行性胸腰椎疾患或胸腰椎骨折；③符合椎弓根螺钉内固定术的手术指征。(2)排除标准：①严重骨质疏松；②脊柱畸形；③合并严重系统性疾病；④存在凝血功能障碍；⑤经评估不适合手术。

3．病例：选择2019年6至8月，在5G通信技术的辅助下，应用天玑骨科手术机器人(北京天智航医疗科技股份有限公司)辅助远程脊柱内固定手术治疗的患者5例。患者包括男1例和女4例，平均年龄38(23～57)岁。4例患者为胸腰椎骨折，1例患者为腰椎滑脱。所有患者均被充分告知，并签署知情同意书。

二、方法

1．手术：患者全身麻醉后，俯卧于可透射线的手术台上，常规消毒铺单。在患者的脊柱棘突上经皮放置患者示踪器，机器人机械臂上的校准器置于接近手术部位的皮肤外，通过C型臂X线机获取手术节段的三维扫描图像。借助中国电信5G网络和华为通信技术的支持，将异地患者的三维图像发送到北京积水潭医院远程手术中心的机器人工作站，进行椎弓根螺钉轨迹的远程规划，随后主控术者交替操控多个异地机器人，进行手术的三维定位。手术机器人按照远程命令执行遥操作，当地术者依次置入导针和椎弓根螺钉。随后继续进行手术的其他步骤(图1)。

图1 一对多5G远程骨科机器人手术示意图 A,B 手术规划 C,D 导针置入 E,F 螺钉置入

2．评价指标：(1)螺钉置入准确性：根据Gertzbein-Robbins分级标准[16]，对螺钉是否侵犯骨皮质的情况进行评估(A级：螺钉完全位于椎弓根内；B级：椎弓根骨皮质侵犯<2 mm；C级：椎弓根骨皮质侵犯≥2 mm且<4 mm；D级：椎弓根骨皮质侵犯≥4 mm且<6 mm；E级：椎弓根骨皮质侵犯≥6 mm)。基于图像融合方法[7]，测量螺钉实际位置与规划位置的偏差，偏差为入点偏差与止点偏差的平均值。由未参与手术的2名脊柱外科医生根据术后第3天的CT检查结果，分别进行螺钉的准确性评价。螺钉偏差取2名测量者的均值；如2名测量者的分级结果不一致，则由第3名高年资医生进行评判。(2)术中不良事件及术后5 d内并发症发生率：记录术中不良事件及术后5 d内发生的并发症。术中不良事件包括远程通信故障、机器人运行故障、医源性血管神经损伤；术后并发症包括椎旁血管损伤、神经根损伤、脊髓损伤和术后早期感染等。(3)手术时间：手术时间记为从切开皮肤到缝合完成所需的时间；椎弓根导针置入时间为手术开始到导针置入完成所需的时间。(4)疼痛评分：采用视觉模拟评分法(visual analogue scale，VAS)评估术前和术后3 d时的情况。

结 果

本研究共完成2次一对多5G远程骨科机器人手术，2019年6月27日完成一对二手术1次；2019年8月28日完成一对三手术1次。5例患者均顺利完成手术，手术时间为(122.0±33.5)min，导针置入时间为(44.0±8.2)min。共置入螺钉30枚，Gertzbein-Robbins分级为A级29枚、B级1枚。螺钉位置优秀(A级)率为96.7%，螺钉位置可接受(A级+B级)率为100%。螺钉置入实际位置与术前规划位置的偏差为(0.79±0.52)mm。所有患者均未发生术中不良事件和术后并发症。VAS评分从术前的(4.6±1.5)分降低到术后的(2.6±0.5)分。

讨 论

机器人辅助骨科手术的临床应用已经有了多年的历史，并且取得了良好的临床结果[1, 7, 17-24]。Roser等[21]发现，使用SpineAssist机器人辅助脊柱椎弓根内固定术的准确率达到了99%。Lonjon等[25]对ROSA机器人系统的研究结果显示，机器人辅助椎弓根螺钉内固定的准确率为97.3%，而徒手组为92.0%。随机对照研究结果显示，天玑机器人辅助椎弓根螺钉置入的螺钉A级率为95.3%，显著高于徒手组的86.1%[7]。最新的荟萃分析结果显示，机器人辅助椎弓根螺钉置入比徒手技术更准确[26]。

但是既往研究的机器人辅助骨科手术均为本地控制的机器人手术，目前尚未见5G远程骨科机器人手术和一对多5G骨科机器人手术的报道。本研究中，5G远程手术的所有螺钉均获得了准确置入，螺钉平均偏差<0.8 mm，且未出现术中与术后早期并发症。

远程手术是一种通过网络连接异地医生与患者的远程医疗形式，具有很多优点，如为医疗技术有限的地区提供高质量的医疗服务以及多地手术会诊协同操作等[27]。自2001年实施第1例远程手术以来[14]，受网络通信条件的限制，远程手术发展缓慢。5G技术是目前最新一代的移动通信技术。5G技术相对于之前几代的通信技术，更加大幅度地提高了带宽与传输速度[28]，给包括医疗在内的多个行业带来了进一步发展的可能[29]。

本研究中未出现远程通信故障或严重影响手术操作的网络延时。确保远程手术顺利完成的关键在于数据传输速度，5G远程通信技术的速度可有效解决信号传输迟滞和不稳的关键问题。既往研究结果表明，200 ms左右的延迟对于复杂手术、精细手术来说，可能引发致命的后果[30]。本研究在术中未发生机器人运行故障。在脊柱手术机器人的两项研究中，机器人的运行故障率和配准失败率约为1%，而影响手术准确性的因素中有85.7%与术者的操作有关[31-32]。因此，对于降低手术风险来说，除了手术机器人系统本身因素外，术者的基本手术技术和机器人操作技术也非常重要[33]。

本研究探索了一对多5G远程手术的新模式，由一名医生遥操作交替完成多地多台远程手术，进一步拓展了远程手术、远程医疗的形式。远程医疗的理念，在于更加合理、更加充分地利用医疗资源，使经验丰富的医生能够帮助更多的患者。此前受网络通信技术的限制，一对一的远程医疗模式都会显得吃力。在5G网络的帮助下，信号传输速度极快，3台机器人远程在线也并未感知到延迟，提高了手术的流畅性与安全性。在远程医疗模式的终端数量关卡方面，目前已完成了一对三的5G远程手术操作，未来还可以同时进行更多数量终端的手术尝试。因为机器人本身具有按照规划位置自动运动的能力，不需要远程术者一刻不离地操作，可以有时间交互操作。5G技术与骨科手术机器人相结合的技术进步，有助于更快捷与便利地将知名专家的手术技术向更多地域推广，尤其是面向医疗欠发达地区，可让更多患者受惠于智能技术。在智能化时代，随着多学科的深度融合，智能医疗将为更多患者带来更优质的医疗服务。

本研究的局限性包括：(1)缺少对照组，未来可将常规机器人辅助骨科手术、传统骨科手术与5G远程骨科机器人手术的临床结果进行对比；(2)纳入的病例数较少，仅包括术后短期结果，未来需要更多病例的长期随访结果来进一步深入研究。

综上所述，一对多5G远程骨科机器人手术的准确性高、安全性好，将有助于远程医疗行业加快进入5G新时代。5G远程骨科机器人手术的临床应用，对推动高端医用装备技术的发展及其大规模推广应用具有重要的理论意义和应用价值。

志谢感谢参与远程手术的患者，感谢提供网络与信息技术支持的中国电信北京分公司、华为技术有限公司和北京天智航医疗科技股份有限公司。