基于5G通信技术的远程机器人手术应用研究进展及关键技术分析*

黄韵翰 综述 周逢海 郭柏鸿** 审校

(甘肃中医药大学第一临床医学院,兰州 730000)

远程手术是指外科医生借助机器人手术系统及网络通信技术,异地实时为远端患者实施手术的过程。随着网络通信技术承载能力的持续提高,配合不断创新优化的机器人手术系统,远程手术呈现加速发展趋势。本文主要就目前已开展的远程机器人手术进行综述,对其关键技术进行分析,并对发展过程中的问题加以总结。

1 远程手术的应用现状

我们对国内外已开展的远程手术进行系统回顾,纳入文献的受试对象是人类(患者或尸体)或实验动物,且必须为手术医生全程无间断的实时手术操作,排除专注于远程呈现、远程指导或影像定位的专科手术,共20篇,见表1。

表1 已开展的远程腔镜手术资料

1.1 国外研究现状

欧美国家在20世纪90年代对远程手术进行了初步探索,并在2001年完成世界首例远程机器人手术,由美国Marescaux等[1]通过光纤网络开展从美国纽约到法国斯特拉斯堡相距7000 km的胆囊切除术1例,虽然术中网络时延较低(115 ms),但光纤网络成本高昂且移动性差,难以推广。2005年3～4月,美国Sterbis等[2]在辛辛那提和丹佛对位于森尼维尔的4只猪行右肾切除术,在有线网络支撑下的平均往返延迟最高达900 ms。2007年,加拿大Nguan等[3]分别在互联网协议/虚拟专用网络(Internet Protocol/Virtual Private Network,IP/VPN)和卫星网络条件下用宙斯手术机器人对猪实施肾盂成形术,认为在IP/VPN支撑下的远程手术是可行的,而卫星网络造成约600 ms的通信延迟会严重影响术者操作。2020年,意大利Acemoglu等[4]报道在5G网络支持下借助Franka Panda手术机器人对15 km外的尸体行声带切除术,最大往返延迟低至280 ms。2023年,日本Ebihara等[5]对250 km外的一具假定的胃癌尸体进行远端胃切除及淋巴结清扫,初步探索了胃肠道肿瘤行远程手术的可行性。

自2001年真正意义上的远程手术宣告成功以来,国外陆续对远程外科领域进行尝试,并取得阶段性进展,但远程手术主要选择动物模型或尸体作为研究对象,很少开展远程腔镜手术临床应用研究。

1.2 国内研究现状

相比于欧美发达国家,我国远程外科研究开展较晚,但发展迅速。2015年7月,火箭军总医院李爱民等[6]借助4G网络,对118 km外的猪实施胆囊切除、胃穿孔修补和肝楔形切除术。尽管手术顺利完成,但4G网络的窄宽带仍旧无法满足远程手术对数据实时传输的需求。5G通信技术的出现为解决远程手术的瓶颈问题提供了硬件支持,再加上国产手术机器人取得了突飞猛进的发展[7],国内诸多医疗团队对5G网络下远程手术的应用进行探索,并取得突破性进展。2018年12月,解放军总医院刘荣等[8]在福州远程操控手术机器人,对50 km外的猪成功实施肝楔形切除术,这是国际首次5G远程手术,平均网络延迟<150 ms。2020年9月,青岛大学附属医院泌尿外科团队为网络通信距离近3000 km的猪成功实施4次远程腔镜手术,包括左肾、膀胱、胆囊及部分肝切除[9],并于2020年9月24日为3000 km外的1例71岁T2N0M0膀胱癌患者成功实施膀胱根治性切除术[10]。随后该团队陆续开展远程根治性肾切除、肾上腺切除共47例[11～13],最远手术距离1775 km,是国际样本量最大的远程手术临床队列。2022年9～10月,甘肃省人民医院普外科团队[14]将先进的无人机组网技术与5G技术结合,携搭载国产图迈手术机器人的医疗救援车载平台,在户外多种环境下成功实施远程手术动物实验,这是国内首例脱离医院环境的远程机器人手术,为未来野外应急救援远程机器人手术奠定技术基础。南京医科大学第一附属医院泌尿外科团队[15]远程连线新疆克州人民医院,应用图迈机器人手术系统完成2例精索静脉高位结扎术,网络通信距离高达5800 km,而平均网络延迟低至130 ms,再次验证5G无线网络应用于远程手术是安全、可行的。

北京大学第一医院报道使用康多机器人手术系统成功完成双控制台远程机器人手术的动物实验和临床研究[16]。2021年10月,北京大学第一医院和北京市密云区医院的两位医生通过有线网络使用双控制台对位于北京市密云区医院的猪实施肾部分切除术,2022年4月,北京大学第一医院和北京协和医院的两位医生通过有线网络与5G无线网络串联连接使用双控制台对位于北京大学第一医院的患者实施肾盂成形术,手术采用的多点协同远程实时交互手术模式使两地专家对手术进行实时监管,并通过控制权转移对手术关键步骤进行交互操作,有效降低了单一远端控制台机器人远程手术的医疗风险。2023年,解放军总医院泌尿外科团队报道在北京和三亚之间(相距约3000 km)完成多种通信模式下远程手术的动物实验和临床研究。该团队通过专线网络,远程操控精锋MP1000手术机器人对19只猪进行24次保留肾单位的肾部分切除术和8次输尿管膀胱再植术[17,18]。随后采用5G+专线的通信模式,为6例下腔静脉后输尿管、肾癌、前列腺癌和肾上腺肿瘤患者成功实施远程手术[19]。该通信方式将5G网络和专线网络分别用于传输视频信号和控制信号,有效综合5G网络传输速度快和专线网络传输衰减小的优点。

2023年3月,上海交通大学医学院附属胸科医院采用图迈手术机器人及5G无线网络,完成猪右肺尖叶切除及纵隔淋巴结清扫[20];同年6月,解放军总医院第七医学中心通过5G网络操控图迈手术机器人,为4000 km外的新疆维吾尔自治区皮山县人民医院的患者成功实施全子宫双附件切除术[21],填补了远程手术在胸外科及妇产科领域的空白。

得益于国产机器人手术系统的突破和我国大力推进的5G网络建设,我国在远程外科领域的成绩已具备国际影响力,远程手术模式已由“单主控端—单执行端”向“单主控端—多执行端”[22]、“多主控端—单执行端”[16]网络化协同模式转化,而“多主控端—多执行端”的复杂交互模式也指日可待,开启5G远程手术的新篇章。

2 关键技术分析

安全可靠的机器人手术系统,高速稳定的数据传输技术和流畅熟练的术者操作是远程手术顺利实施的关键要素[23]。

2.1 机器人手术系统

目前各大医疗科技公司通过技术革新使手术机器人具备3D高清视野及精确的运动控制系统,能够满足远程手术对术者眼和手的要求,但触觉反馈技术发展缓慢,术者只能通过视觉反馈对抓取、缝合脏器进行力度判断[24]。Ota等[25]的研究表明,加入触觉反馈后的脏器抓取力明显弱于仅靠视觉反馈时(1.7 N vs. 3.2 N,P<0.01)。美国TransEnterix公司Senhance手术机器人和韩国Meere公司Revo-I手术机器人加入触觉反馈[26],在一定程度上克服了机器人手术操作缺乏“手感”问题。但现阶段机器人手术系统的触觉反馈并不能像开放手术那样精确。华中科技大学采用电容式传感原理(包括2片柔性电极和1个具有仿生结构的离子凝胶层),研制出具有超高灵敏度的电子皮肤传感器,其高达9484.3 kPa-1的高压测量灵敏度及低至0.12 Pa的检测限,能够检测到切割不同生物组织时的微小接触力差别[27],为手术机器人提供精密操作下的接触力反馈,从而赋予外科医生远程手术操作时的真实感。

2.2 数据传输技术

尽管目前的通信技术在一定程度上已能支持开展远程手术,但信号时滞仍是限制远程手术推广的主要因素[28],对一些精细的、全程无间断的外科手术来说,还需采取技术手段进一步降低通信延迟。①确定性网络(Deterministic Networking,DetNet)是一种可将延迟、波动和丢包率等控制在确定范围内的网络新技术。青岛大学附属医院[29]分别在专线网络和5G无线网络传输路径节点上部署DetNet设备实施远程手术,结果显示,相较未部署DetNet设备的专线网络和5G无线网络,平均网络延迟分别降低62%和15%,平均网络延迟波动分别降低93%和65%,证明DetNet网络技术可有效降低网络延迟。②作为组网方案的辅助技术,多链路聚合传输技术通过在传统链路层上添加一个虚拟层,运用轮转算法将数据帧分发到各条链路中,并对多条物理链路的传输带宽进行聚合,从而实现在同一个终端上带宽叠加的高速传送效果,可有效改善网络通信延迟[30]。③边缘云(Edge-Cloud)是一种新型的云计算架构,将数据处理、储存和计算功能从云计算中心向网络边缘推送,从而实现更低的数据传输延迟。在主控端引入边缘云集成技术可加快传感器对原始操作数据的处理速度,从而降低从端机械响应延迟[31]。④相较于机械响应延迟,包含大量信息的图像传输是造成网络延迟最重要的原因[32],该延迟发生在图像信息被编/解码器进行压缩和恢复时。理论上压缩率越低,传输速度越快,但解压时间越长且画质越低。Takahashi等[33]的研究表明,压缩至10 Mbps(极限)所呈现的图像画质与120 Mbps没有显著差异,不影响远程手术操作,从而确立可有效降低传输延迟的图像压缩阈值。

通过技术的不断改进可有效降低通信延迟,但由于远程控制两端在空间上存在距离,一定程度的网络延迟是不可避免的,如何减少不可避免的固有时延可能带来的远程手术负面影响也是远程手术顺利开展的核心。①Orosco等[34]通过添加运动缩放调整外科医生每次器械位移,可有效减少延迟造成的手术器械超调和振荡,这是一种通过计算机技术辅助解决硬件问题的方法。②条件生成对抗网络(Conditional Generative Adversarial Nets,cGAN)是一种通过2个神经网络相互博弈的方式进行学习的生成模型。Sachdeva等[35]建立名为Pix2Pix的神经网络,通过纯光学方法使手术机器人学习和复制机械臂在手术环境中的样子,从而使机器人能够更加精确地检测到机械手相对于患者组织和器官的位置,当由延迟导致机械手位移异常时可超越术者控制,将其调整至安全位置来避免术中伤害。③主操作手单次快速大幅移动时,会产生可以感受到的机械臂响应延迟,因此,在实施远程手术过程中,要“小步走”,减少器械快速、大幅移动带来的主从操作不一致[23]。④Nankaku等[36]的研究表明,经验丰富的外科医生即便在100 ms的通信延迟下进行远程操作,仍然比延迟控制在0 ms的缺乏经验的外科医生表现更好,因此,术者的解剖知识、手术技巧、机器人操作熟练程度、对延迟的适应能力可在一定程度上弥补时延带来的影响。

3 亟待解决的问题

远程手术时延参考标准可用来指导术前网络方案选择及术中延迟波动时的灵活应对。2005年,Kim等[37]认为250 ms的通信延迟在远程腔镜手术中是可以接受的,而Anvari等[38]认为即便是500 ms的延迟也不会影响手术质量。Xu等[39]2014年提出200 ms以内的综合延迟是远程手术顺利开展的理想状态,将延迟放宽到200～300 ms不会影响手术操作,当延迟超过700 ms时,即使是经验丰富的外科医生也很难保证手术质量,目前国内外远程研究多以此作为网络选择的标准。

考虑到近10年机器人手术系统和网络通信技术的不断更新迭代,可接受的通信延迟已经发生变化,再加上以往远程手术时延参考标准的研究都是在“静态环境”(即人工模型)下进行的,而手术过程是动态化的,包括心脏搏动、呼吸运动、胃肠蠕动等因素,且受试者对延迟大小及任务执行顺序并不盲目,因此,通过对延迟的盲化和任务顺序的随机化后,按照手术的难易程度在人体上进行时延参考标准的研究是今后工作的重点。

此外,远程手术发展中还应解决以下问题:①加快5G基站部署,实现5G网络全国所有地区覆盖;②加快实现手术机器人核心部件的全面国产化及产品临床应用自主化,降低手术机器人的购置费用;③建设并完善具有领域通用性的远程手术相关法律法规和操作指南;④建立远程机器人手术标准化培训体系。

4 总结与展望

作为众多学科体系深度交叉融合的产物,远程手术打破了医患双方在同一物理空间下才能实施手术的先决条件,可将优质外科医疗力量最快速投送至通信网络覆盖的任何区域。未来的远程手术应用场景将不再局限于医院手术室,针对灾区、战场等复杂环境的应用已成为当前发展的主要方向之一。这就需要手术机器人朝着体积更加小型轻便化,结构更加紧凑一体化,手术操作更加智能自动化的方向发展,有望让外科医生随时随地实施远程手术,甚至实现手术机器人替代外科医生独立完成远程救治工作。