5G远程机器人辅助腹腔镜全子宫切除术首例报道

顾成磊 李立安 王 宁 范文生 杨 雯 张 洁 刘 英 马兰兰 徐 佳 刘 丹 孟元光

①(解放军总医院第七医学中心妇产医学部,北京 100010) ②(新疆维吾尔自治区皮山县人民医院妇产科,皮山 845150)

【内容提要】 本文报道1例基于5G技术的相隔4000 km的远程机器人辅助腹腔镜全子宫切除术。患者52岁,牧民,因“不规则阴道出血1年,保守治疗效果不满意”入院新疆维吾尔自治区皮山县人民医院妇产科。宫腔镜检查+诊刮病理提示“子宫内膜复杂性增生”。性激素六项提示卵巢功能衰退。因居住偏远,就医困难,患者要求子宫切除手术。术前诊断子宫内膜复杂性增生,卵巢功能衰退。经解放军总医院第七医学中心妇产医学部会诊,决定施行远程机器人辅助腹腔镜全子宫双附件切除术。网络连接与保障通过公共5G无线网络(中国电信)和5G客户端设备(CPE)连接医生控制台与患者手术平台,然后通过5G核心网将数据从该站传输到目的站。北京电信和皮山电信通过在北京医生控制台上方和皮山县人民医院手术间均安装室分基站(华为)来增强信号质量,保障5G网络信号传输。现场由两地电信人员术中实时监测和保障网络信号,测试信号覆盖率100%,驻留比100%,空口时延20 ms。北京端网络带宽下行177 Mbps,上行101 Mbps,新疆端网络带宽下行282 Mbps,上行145 Mbps。2023年6月21日,由位于北京市的解放军总医院第七医学中心的医师,采用国产图迈四臂腔镜手术机器人系统,通过5G网络连接,为4000 km外的新疆维吾尔自治区皮山县人民医院的患者实施机器人辅助腹腔镜全子宫双附件切除术,手术顺利完成,手术时间62 min,出血5 ml,术中延时148.481～268.742 ms,平均161.959 ms,丢包率0.20%,未出现机器人及网络不良事件。术后第1天排气并进食,第2天拔除尿管,第3天出院,无术后并发症。术后病理:子宫内膜复杂性增生。术后4周门诊复查,患者无不适主诉,腹壁切口及阴道断端愈合良好。经系统查新,该例手术为5G远程机器人辅助腹腔镜全子宫切除术的首例报道。本例填补了5G远程机器人手术在妇科领域应用的空白,也初步探讨了远程机器人手术为偏远地区群众服务的可行性。

现阶段,我国医疗服务能力和质量安全水平持续提升,但仍然面临医疗资源分布不平衡等问题。远程医疗技术的发展使这一问题得到改善。远程医疗包括远程会诊、远程教学、远程手术指导以及远程手术等。随着网络通信技术和机器人工程技术的发展,远程手术已经逐渐成为现实[1～3]。远程手术技术既能够为农村地区、灾区、战场等医疗资源相对匮乏的地区提供高质量的医疗保障,还能够缩短部分患者等候治疗的时间,避免因不能及时就医导致的疾病进展[4]。

第五代移动通讯技术(5thgeneration mobile communication technology,5G)的出现促进远程手术技术的发展[5,6]。5G技术将数据传输速度提高到10 Gbps,让低延迟远程手术成为可能。目前的5G远程腔镜手术报道的距离相对较短,尚未有>1000 km的5G远程机器人辅助腹腔镜技术在妇科手术中应用的报道。我们团队应用5G通讯技术联合国产机器人手术系统,于2023年6月21日成功完成首例5G远程(术者与患者相距超过4000 km)机器人辅助腹腔镜全子宫切除术1例(解放军总医院医药卫生科技查新站查新报告,编号:202398),本研究获得解放军总医院第七医学中心伦理委员会(伦审号:2022-59)和皮山县人民医院医学伦理委员会(皮县医办函[2023]21号)的批准,以及患者的知情同意,报道如下。

1 临床资料

患者52岁,牧民,“不规则阴道出血1年”入院。平素月经规律,3～4/28～30天,经量中等,1年前经量明显增多,约为先前2倍,经期延长至7～8天,2022年8月外院诊刮,病理提示“子宫内膜复杂性增生”,予以孕激素后半周期治疗3个周期,用药期间月经规律,停药后2023年1～4月月经未来潮,并出现潮热、烦躁症状。5月6日阴道出血,伴有较多血块,持续3天,自行口服“云南白药”后淋漓不尽,5月15日于皮山县人民医院行宫腔镜检查+诊刮,病理提示“子宫内膜复杂性增生”,建议置入左炔诺孕酮宫内节育系统,患者拒绝,且居住偏远,后期就诊随访困难,要求子宫切除手术。既往体健,无其他内科疾病史。孕3产3,末次分娩为剖宫产。查体:外阴已婚型;阴道畅;宫颈肥大,无触血;子宫前位,正常大小,质中,无压痛;双附件区未及异常。经阴道超声提示:子宫58 mm×43 mm×46 mm,前位,形态规则,肌层回声均匀,内膜厚5 mm,双附件区未见明显异常回声。性激素六项提示卵巢功能衰退。术前诊断:子宫内膜复杂性增生;卵巢功能衰退。手术指征:子宫内膜复杂性增生,孕激素治疗效果欠佳,后期治疗随访依从性差。术前准备:术前肠道准备、配血等准备同腹腔镜全子宫双附件切除术,为确保安全,皮山县人民医院手术室也放置一台医生操作台,北京另派一组机器人手术医生和护士赴皮山县人民医院,若远程手术出现问题,及时切换成新疆本地机器人手术操作。拟行手术:5G远程机器人辅助腹腔镜下全子宫双附件切除术。

机器人平台:采用国产图迈四臂腔镜手术机器人系统[图迈-433(1代)手术机器人,微创医疗机器人(集团)股份有限公司,上海,国械注准20223010108],包括患者手术平台、图像平台、医生控制台三部分,三部分均可移动操作。因皮山县人民医院无机器人平台,提前1周将全套机器人系统运输至皮山县人民医院,搭建临时机器人手术间,并进行设备调试。手术实施时患者手术平台和图像平台位于皮山县人民医院,医生控制台位于解放军总医院第七医学中心,图像平台、医生控制台安装有远程通讯工作站,借此实现远程通讯。

网络连接及保障:通过公共5G无线网络(中国电信)和5G客户端设备(customer premise equipment,CPE)连接医生控制台与患者手术平台。CPE是家庭或企业用户接入5G基站的设备,将医生控制台和患者手术平台产生的数据传输到基站,然后通过5G核心网将数据从该站传输到目的站[5]。北京电信和皮山电信保障5G网络信号传输,保障方式:在北京医生控制台上方和皮山县医院手术间均安装室分基站(华为)来增强信号质量,降低空口时延,增强信号稳定性,后台调优网络链路,保障信号稳定传输,现场由两地电信人员术中实时监测和保障网络信号,测试信号覆盖率100%,驻留比100%,空口时延20 ms。北京端网络带宽下行177 Mbps,上行101 Mbps,新疆端网络带宽下行282 Mbps,上行145 Mbps。通过用户数据报协议(User Datagram Protocol,UDP)实时监测网络延时(北京医生控制台到新疆患者手术平台所用的时间)和丢包率(丢失数据包数量占所发送数据组的比率,丢包率一般不能大于2%,用户感觉不到太大的影响,一旦超过10%,网络卡顿感觉比较明显),出现延时明显(>500 ms)或其他网络故障即刻中断远程手术,切换为床旁机器人手术。

手术步骤:术前2小时启动两地机器人设备,建立网络连接,监测网络延时情况。测试器械无故障后,皮山县的医生对患者施行全身麻醉,常规消毒铺单,取脐正上方5 cm置入镜头穿刺器,左右脐旁8 cm、16 cm处分别穿刺置入机器人金属套管及助手穿刺器(图1)。采取头低脚高30°体位,手术平台由患者尾侧推入,连接机器人各机械臂,置入镜头和器械,1号臂置入单极电剪,2号臂置入双极电凝钳,3号臂置入夹持钳(图2),北京的术者操控医生控制台开始手术(图3)。双极电凝并切断右侧骨盆漏斗韧带,切除右侧附件(图4),靠近子宫右侧壁电凝并切断子宫圆韧带、阔韧带(图5)。同法处理左侧骨盆漏斗韧带、圆韧带及阔韧带,单极剪开膀胱腹膜反折,下推膀胱至举宫杯上缘以下。钝锐性分离宫旁疏松结缔组织,于宫颈峡部水平双极电凝钳凝闭并切断双侧子宫动静脉(图6)。于左侧子宫血管内侧紧贴宫颈电凝并切断主、骶韧带,同法处理右侧主、骶韧带,沿阴道穹隆电剪切开阴道壁(图7)。皮山县的医生自阴道取出全子宫及双侧附件(图8)。1号臂由电剪更换为针持,2-0可吸收线连续缝合阴道断端(图9)。生理盐水冲洗腹腔,探查无活动性出血,皮山县医生撤除机械臂,拔除机器人金属套管,缝合切口。

图1 机器人金属套管及助手穿刺器示意图 图2 皮山县人民医院的手术室场景:A.机械臂对接机器人金属套管;B.手术室场景 图3 5G远程机器人腹腔镜手术录屏场景:A.解放军第七医学中心的术者在医生控制台操作;B.皮山县人民医院手术显示屏显示手术开始;C.皮山县人民医院的手术室 图4 切除右侧附件 图5 切断右侧圆韧带及阔韧带 图6 凝闭右侧子宫动静脉 图7 环形切开阴道壁 图8 子宫与附件从阴道取出 图9 缝合阴道断端

手术顺利完成,未出现机械臂碰撞、机械臂暂停、操作中断、机器人手术系统报警等机器人不良事件。术中UDP实时监测数据显示延时148.481～268.742 ms,平均161.959 ms,丢包率0.20%,未发生网络中断、网络攻击等网络不良事件。远程机器人手术操作时间共计62 min,估计出血量5 ml,未发生术中并发症。术者操作幅度过大或过快时有轻微延迟感,其余操作基本同步,无明显卡顿,不影响手术进程。术后第1天排气并进食,第2天拔除尿管,第3天出院,无术后并发症。术后病理:子宫内膜复杂性增生。术后4周门诊复查,患者无不适主诉,腹壁切口及阴道断端愈合良好。

2 讨论

随着计算机、通信、医疗技术的不断发展,远程医疗技术应运而生,在一定程度上能够缓解我国医疗资源不足、分配不均、发展不平衡等问题,具有广阔的应用前景。在我国,远程医疗技术已经经历了20余年的发展[7]。2001年,Marescaux等[3]利用ZEUS机器人系统,通过海底光缆传输信号,为大西洋对岸的一名64岁女性患者完成腹腔镜胆囊切除手术,这是世界上第一例远程手术,术者与患者之间的距离达7000 km。但受限于光缆高额的成本和地点局限性,这一技术后来没能得到普及[8]。远程手术的基础是机器人手术系统。早期的机器人手术系统主要基于机械臂和简单的控制系统,用于辅助外科医生进行手术操作。这些系统的精度和稳定性相对较低,但为后续的发展奠定了基础[9]。随着人工智能、机器人技术和计算机视觉等领域的不断进步,机器人手术系统在精准度、稳定性和安全性方面取得了显著的提升[10]。许多公司开始研发商业化的机器人手术系统,如美国Intuitive Surgical公司的da Vinci手术机器人系统,现已成为世界上应用最为广泛的机器人手术系统。与仅靠视觉反馈的da Vinci系统不同,TransEnterix公司的ALF-X系统加入了触觉反馈,让术者能够感受到操作中遇到的张力[11]。近年来,我国国产机器人手术系统纷纷涌现,发展迅速,并且在远程手术功能上做出了一定的贡献[4,12]。

相较于机器人手术系统飞跃式的发展,远程手术的发展主要受制于网络连接技术。过去的网络连接技术伴随着巨大的网络延迟和不稳定性,无法保证手术安全。5G作为新一代无线移动通信网络,兼具成本低廉和安全可靠的特点[13]。2016年,第三代合作伙伴计划(the 3rd Generation Partnership Project,3GPP)正式发布5G NR标准,标志着5G技术的标准化进程取得了重要成果[14,15]。其峰值传输速度达10 Gbps,端到端延时仅为ms级别。但即便在5G环境下,数据延迟也还是手术安全风险因素之一[16]。研究认为,200 ms以下的延迟不影响手术操作[17],700 ms以上的延迟则会严重影响手术进程[18],但也有低延迟状态下手术损伤的报道[19]。

机器人技术和5G网络的迅猛发展为实现真正的远程手术提供了可能。2019年,刘荣等[6]采用国产康多机器人,5G通讯技术,为50 km外的实验动物进行肝楔形切除术,完成首例基于5G技术的远程手术探索。2022年,Yang等[12]使用国产MicroHand机器人通过5G连接完成相距近3000 km的远程根治性膀胱切除术,随后国内见数例5G远程手术报道[5,20],这些尝试开启了5G远程手术的新征程,但尚未见5G远程手术系统在妇产科应用的报道。

本例手术采用的图迈手术机器人具备较为完善的远程手术功能,能够满足机器人开展远程手术的需求。采用的远程手术技术对当地基础设施要求较低,更有利于该技术在偏远地区的推广。本例术者位于北京,患者位于偏远的新疆维吾尔自治区和田地区皮山县,相隔4000 km。该地区经济发展相对落后,医疗资源相对匮乏,人民群众对高质量医疗资源的需求非常迫切。我们在皮山县人民医院现有手术室条件的基础上,依托电信5G网络完成了该例手术。该手术的成功实施,不仅填补了5G远程机器人手术在妇科领域应用的空白,同时还验证了远程手术技术为偏远地区群众服务的可行性。但是也要同时看到,该例手术为5G远程机器人辅助腹腔镜手术在妇科领域中的初步探索,离普遍推广还有一定距离,很多方面也需要进一步地完善。

网络问题是远程手术推广要面对的首要困难。由于远程手术实际上是远程实时通信技术的一种应用,对技术实现和网络时延、稳定性有一定的要求。但目前仅有少数成功案例,尚无具体网络数据标准,此次北京及新疆两地手术现场均有电信专业人员保障5G网络信号传输,实时监测数据,确保手术网络安全。本例手术两地相距4000 km,术中UDP实时监测数据显示平均延时161.959 ms,丢包率0.20%,5G网络的延时未对术者操作造成明显干扰,不影响手术进程,但术者操作幅度过大或过快时有轻微延迟感。我们在远程手术测试和操作中体会,器械尖端单次快速移动幅度超过8 cm时,会产生可以感受到的轻微延迟,而单次移动幅度<5 cm时则感受不到延迟。因此我们建议,在实施远程机器人手术过程中,要“小步走”,减少器械快速、大幅度移动,降低延迟带来的风险。5G手术能够顺利进行,正是我国近年来大力推广5G基站建设的红利。然而,5G基站建设仍未实现全国所有地区的覆盖,各地信号强度也有较大差异。本例手术为了确保手术安全,在北京的医生控制台上方和皮山县人民医院的手术间均采取加装室分基站来增强信号质量的方式。相信随着5G基站建设的进一步增强,这一问题将得到解决。

除了网络因素,技术因素也是远程手术推广要解决的问题之一。人员保障方面,皮山县人民医院是解放军总医院定点帮扶医院,有医生长期派驻在皮山县人民医院,本例手术北京又派出具有丰富机器人手术经验的团队(包括医生和护士)前往皮山县人民医院,术前制定应急方案,若术中出现意外,即刻切换为床旁机器人手术。将来推广此类手术,需要加强本地医生机器人手术配合方面的培训,降低远程手术的技术门槛。病例选择方面,机器人辅助腹腔镜妇科手术常用于恶性肿瘤等复杂的四级手术,但鉴于此次为首次远程操作,出于安全考虑,我们谨慎选择了复杂程度相对较低的三级手术——全子宫双附件切除术,对于妇科恶性肿瘤的安全性评估还需后续进一步验证。设备方面,此次手术采用的图迈国产机器人,可移动性较好,但仍存在体积大、重量大的问题,简便易用、体型小的微型智能化机器人更利于远程手术的推广。

我国机器人手术系统的研发起步较晚,虽然现在国内较多公司已经能够制造出功能上与进口机器人系统相差无几的产品,但是在稳定性、可靠性、易用性等细节上仍有一定差距,需要逐步完善。目前我国5G远程手术仍处于探索阶段,相关规范尚未形成,对于潜在的医疗风险仍缺乏妥善的处理办法[21]。

虽然目前远程手术存在诸如成本高昂、延迟不稳定以及安全性等问题,但相信在不久的将来,随着网络通信技术和机器人工程技术的发展,远程手术会得到更大范围的应用。