院士论坛 |泌尿外科|远程外科手术的框架与发展

外科手术经历了由粗放到精细的发展历程，解剖、麻醉、无菌术和使用抗生素等极大地提高了手术成功率。微创技术变革克服了传统开放手术损伤大、风险高和预后差的缺点，腹腔镜外科手术已普遍应用于临床；而腹腔镜手术机器人系统，如达芬奇(da Vinci)机器人，则推动了微创技术进一步发展。目前，可显示三维（3D）高清图像、拥有7个自由度的腹腔镜手术机器人，具有帮助突破人手抖动极限等优点，使高难度、高精度的手术得以开展。围绕手术机器人系统，结合通信科技、超算科技、人工智能和物联网等高新科技的前沿成果，推动了微创外科高速发展。

腹腔镜机器人系统与远程通信技术结合即远程外科（telesurgery），其突破了空间距离对外科手术的制约，正在成为改进手术技术新的突破点^［1］。远程外科手术由美国军队医院的医师率先开展研究，目的是在战场等恶劣环境中提供医疗救助。早在1987年，美国海斯陆军医院医师Richard M. Satava上校便开始进行远程外科手术的探索，于1993年系统地提出基于手术机器人的现代远程外科手术的可能性，并探讨可行的原理架构^［2］。2001年，美国与法国（距离14 000 km）的医师通过跨大西洋海底光缆，应用宙斯（ZEUS）机器人系统完成了世界首例远程机器人辅助腹腔镜胆囊切除手术——“林德伯格手术”（Lindbergh手术）^［3］。

目前，远程外科已经能开展多种手术^［4-5］，可以将中心城市最优质的医疗资源、最高超的外科技术实时覆盖至边远地区，以解决我国医疗面临的需求增长和资源分布不均衡的问题。这要求了解远程外科系统架构的优缺点，建立远程外科手术评估-完善的研究体系。本文就远程外科手术的基本框架、问题与发展进行探讨。

1  远程外科手术的应用情况

远程外科手术的实现可以分解为3个模块：医师控制端、患者手术端、远程通信系统（图1）。

以经典的“宙斯”机器人系统为例，医师控制端是手术的主端（master）。实时传输显示器配备3D成像系统；计算机系统识别消除医师的静止性震颤，并按一定比例降低手部冗余动作幅度。医师操作主操作手柄，配合脚踏系统遥控电能量等，进行基本的外科操作^［6］。

患者手术端是相应的从端（slave），配备连接内窥镜的图像传感器跟踪术野。从操作手是一组多自由度的机械臂，装配手术器械，在远程复刻医师的动作。宙斯机器人系统的自由度低，仅能支持简单操作^［6］，而达芬奇机器人运用“腔镜腕(EndoWrist)”技术，这种人工关节组成的机械臂灵活性高，具有7个自由度^［7］。如今的国产手术机器人则更先进，例如“妙手”，具有机械解耦设计和位姿分治策略，提高了主从协同性。

远程通信系统是实施远程外科手术的核心，也是突破空间限制的关键。信号传输系统已由最初的局域网物理线路、虚拟专用网络（internet protocal-virtual private net，IP-VPNe）及卫星链接网络等发展至专线网络、5G网络，革新了原先远程外科手术中的成本高、网络延迟（latency）长和不稳定等弱项。网络延迟是指传输介质中传输所用的时间，在网络介质中要按网络协议进行传输，信息量过大会导致处理困难，数据输出缓慢；带宽（bandwidth）是单位时间能通过链路的数据量。网络延迟和带宽是衡量通信条件的质量指标，提高远程通信的质量，需要进一步优化这两个指标。新一代宽带移动5G通信技术具有高速率、低时延和大连接的特点，将进一步释放远程外科的生产力，解决了通信过程中延迟的问题。

智能辅助系统与监测系统应贯穿于上述3个模块。智能辅助系统应发展3D影像、术中导航等决策支持软件。为保障患者安全，监测系统应至少配备延迟监测软件和安全保障程序。监测系统对超过阈值的延迟发出预警；连续信息丢包或有较大数据扰动时，能停止机械臂的动作，防止次生伤害的发生。

2  远程外科手术发展面临的诸多问题

2.1  数据传输延迟、丢包等信息流扰动问题  由于实时图像传输要经过网络介质，必然存在时间上的延迟。传输滞后可导致过度电凝等情况发生，不利于手术的实施。研究^［8-9］指出，外科医师可以接受的最大综合延迟为300 ms；而考虑到机械臂的运动特性、复杂手术操作的有效性和动态环境，最适宜的综合延迟应在200 ms以内。此外，如遇到弱网情况，极有可能发生信息丢包，造成实时图像失真，不仅影响清晰度，还阻碍对突发情况的处置。因此，选择较好的传输介质，通过技术手段保持图像的稳定性是技术攻坚的重中之重。

2.2  虚拟非物理网络专线的稳定性问题  早期的远程医学采用物理链路，但该方法限制了距离的延长且价格昂贵。目前已广泛使用无线网络。由于并非“点对点”，数据传输存在共享性和竞争性。传输期间路由包含多个节点，而路由器的等待、处理时间会发生动态改变，这可能导致乱序、延迟等信息干扰问题出现。如何保证网络线路的稳健性，抵御因网络黑客攻击和外部数据扰动而造成的伤害是维护远程外科手术安全的一个重要问题。

2.3  手术机器人的适应化改进问题  手术机器人是远程外科手术的实施平台，国内外已研发出多种产品。达芬奇手术机器人的普及率较高，但并未广泛应用于人体的远程外科手术，目前国外仍以宙斯机器人系统为主^［10］；国产手术机器人则以“妙手”为代表。众多的平台需要能整合各自的优点，研发适应多种外科手术的新产品。此外，远程外科手术机器人触觉反馈技术发展缓慢，术者一般只能通过视觉来决策^［11］，不利于手术实施，例如术中对结扎程度的判断困难。利用手术机器人实施手术如何整合力触觉反馈系统，结合虚拟现实技术、增强现实技术等高新科技，使得外科医师获得更为真实的场景感也需要进一步开展研究。

2.4  远程外科手术的伦理问题和卫生经济学问题  与传统手术不同，远程外科手术不是“面对面”的医患关系，其涉及的问题更多。医疗器械和网络安全增加了伦理方面的复杂性，给医疗事故责任判定造成了困难，患者及其家属术前需要充分知情同意，故完善相关的法律、法规尤为重要。远程外科还存在医师非法实施手术的风险及保护患者隐私的问题，做到明晰权责和规范流程至关重要^［12］。机器人手术系统价格高，偏远地区无法配备相应的昂贵设备，使得远程外科手术无法达到分散医疗资源的目的，这也是亟待解决的问题。

3  远程外科手术的研究方向

3.1  数据流传输延迟问题的解决策略  数据网络传输延迟的原因有路由问题、网络拥堵和服务器过载等。5G通信技术的出现可以提高带宽和网速，缩短延迟时间^［13］。2018年，中国人民解放军总医院首次运用5G技术实施了远程动物实验，平均延迟150 ms^［14］。2020年2月，北京积水潭医院运用5G技术成功完成远程机器人脊柱外科手术^［5］。但是5G技术尚不足以解决因实时视频信息量大导致的服务器过载、网络抖动等问题；此外，5G是一个短程通信协议，5G技术的运用需要建设大量基站，这也限制了其推广^［13］。

因机械臂的反应延迟、图形处理延迟和视频编码解码延迟等，使手术机器人具有固有延迟的不足。解决延迟时间问题，着力点还须放在优化数据流传输算法。通过远程通信线路设置“1+1”或“1+n”冗余备份（图2），接受其中路由最快的信号，避免网络拥堵，控制丢帧率是一种可行的方法。数据流上传与下载的过程，也是数据流压缩与解压缩的过程（图3）。优化数据流压缩与解压缩策略也值得研究。从Yang等^［15］的研究中得到启发，可以利用卷积神经网络进行深度学习，并高效还原图像。如遇到弱网情况，网络带宽缩窄，通过降低图像清晰度压缩流量，在接收端还原，可有效减少延迟的发生。

3.2  远程外科手术系统的稳健性研究  远程外科手术系统在数据传输过程中，可以运用虚拟私有网络（VPN）技术，但仍存在网络攻击及不确定的数据扰动，以上因素是远程外科手术特有的风险。因此，对于整个操作系统有必要研究其防抗扰动的机制。一般采用搭建专线或独享网络空间，或运用滤波技术等。在实践中，研究运用远程外科手术系统的稳健性很重要。通过模拟器模拟网络攻击及不确定扰动（图4），使总传输量突增，在一定的带宽下传输数据流，以检验系统的延迟，从而评估和调试远程外科手术系统的稳健性。

3.3  外科医师主观感受测试研究  尽管机器人手术已经在一定范围内为外科医师所熟知，但因为远程外科平台新颖、术式多样，并且要在医学教育中发挥作用，故检验外科医师的主观感受是评价远程外科手术系统的一个重要方向。根据量表进行主观评价有两个层面：①对远程外科手术系统的主观使用感受，可以设计系统稳定性测评（包括各类延迟、卡顿和清晰度等）、手术视频系统测评（包括清晰度、立体感、视野等）、手术操作测评的相关量表（包括器械性能等），检验其信度和效度。②外科医师的任务负荷，采用改进美国航空航天局(NASA)-任务负荷指数（TLX）量表、主观脑力负荷问卷（SMEQ）或Borg主观疲劳感知评估量表（Borg CR-10量表）^［16-17］等测评远程手术对外科医师精神、心理的影响。

4  总结与展望

远程外科手术的可行性日渐得到验证，成为未来外科发展的重要趋势。但远程外科手术尚存在较多的挑战和不足之处，需要进一步的探索和发展：通过更加合理的数据传输方法和网络技术，减少实时图像传输的延迟，提高视频传输的稳定性和清晰度；改进手术机器人的性能，使之能适应更多的术式；降低手术和材料的费用，提高器械的普及率；制订标准化的手术规范流程，使远程外科手术应用于更广泛的场景。远程外科手术是一项前沿且具有挑战性的技术，有助于解决医疗资源分配不均等重要问题。远程外科手术亦是一门交叉学科，是通信科技、超算技术、物联网和人工智能等高新科技与医学的结合。不同学科相互促进，有望在将来突破外科学的边界,开辟新领域。

审核：薛蔚  吴坚平

版式编辑：金之晨