远程医疗机器人手术研究进展

韩晓光，张琦，何达

(1.北京积水潭医院 脊柱外科，北京，100035；2.北京市骨科机器人重点实验室，北京，100035)

远程医疗是指通过网络使医生为异地患者进行远程诊治的一种医疗形式，具有诸多优点，如缓解医疗资源不均衡，为边远地区提供高质量的医疗服务等。 医用机器人技术是医疗领域“新技术革命”的典型代表，通过机器人辅助提高手术的精准性和安全性[1]。随着手术机器人技术的出现和成熟，远程机器人辅助手术成为研究的热点，但自2001年开展首例远程机器人辅助手术以来，受到网络通信条件的限制,网络延迟影响手术的安全性，远程机器人手术发展相对缓慢。5G技术是最新一代的移动通信技术，5G网络技术较大地提高了网络的带宽与传输速度,给包括医疗在内的诸多行业带来了进一步发展的可能。基于5G的远程医疗机器人手术(telerobotic surgery based on 5G networks)，是一类以5G通信网络为医学信息传递载体，采用主从方法，将机器人、虚拟现实和人工智能技术拓展用于医疗手术的远程诊断、远程指导、远程操作和效果评估的远程医学新模式[2]。

1 手术机器人发展及应用

医用机器人技术是集医学、生物力学、机械学、材料学、计算机学以及机器人学等多学科为一体的新型交叉研究领域，能够辅助医护人员完成医疗诊治或健康服务等任务，是医疗领域“新技术革命”的典型代表，引领医疗行业进入一个全新的时代。

1.1 国际研发历程

医用机器人自诞生之日起就受到了广泛关注，目前已从早期的研究阶段过渡到产品研发、市场推广阶段。国际上也已经出现了以美国Intuitive Surgical[3]、日本的Tmsuk[4]等公司为代表的一系列专业医用机器人公司。其中美国Intuitive Surgical公司研发的达·芬奇手术机器人(Da Vinci)系统是最为成熟和知名的机器人产品，医生通过控制台上一个立体观察窗口可以看到手术区域的高分辨率3D实时图像，并通过操作手柄来完成对手术器械的实时控制，主要用于辅助微创手术，突破传统微创手术极限，较大地提高了手术的精准性。

1.2 中国研发历程

我国医用机器人的研究在整体上仍处于起步阶段，1997年北京航空航天大学联合中国人民解放军海军总医院成功研制了用于脑外科的机器人辅助定位系统，并成功开展了临床应用[5]。2004年，北京积水潭医院联合北京航空航天大学共同研制了国内首台骨科手术机器人系统，为小型模块化构型设计，在创伤骨科成功进行了临床应用[6]。2005年,天津大学研制了用于腹腔镜下微操作的“妙手”机器人系统，并成功开展临床应用[7]。中科院沈阳自动化研究所、中科院深圳先进技术研究院等单位先后开展了脊柱外科手术机器人的研究工作[8]。2019年11月，上海微创机器人公司研制的“图迈”(Toumai)腔镜手术机器人系统在上海市东方医院成功完成机器人辅助腹腔镜下前列腺癌根治术[9]。北京理工大学研制了微创血管介入手术机器人系统“鲁班”，并于2019年12月19日在北京天坛医院成功完成了机器人辅助下的全脑血管造影手术[10]。北京积水潭医院与北京航空航天大学联合自主研发的Tirobot骨科机器人是为数不多的实现产业转化的科技成果，由北京天智航医疗科技股份有限公司完成产品化，是国内最早获得 III 类医疗器械产品注册证的骨科手术机器人产品，可广泛用于脊柱全节段(颈、胸、腰、骶)、骨盆和四肢等部位的骨科手术，目前已在全国数十家医院开展临床应用[11]。

2 远程机器人手术发展历程

远程医疗技术通过应用现代通信、人工智能、传感器等技术为载体，为异地患者提供远程诊断、指导以及手术的医学模式，能够快速、高效地辐射优势医疗资源，缓解我国医疗资源发展不充分、不平衡等难题。2001年，MARESCAUX等[12]完成了世界首例远程机器人辅助手术，即著名的“林白手术”，在美国纽约为法国斯特拉斯堡的患者完成机器人辅助下远程胆囊切除术[4]，验证了远程机器人辅助手术的可行性，是远程手术的一个里程碑。2003年，海军总医院利用“黎元”手术机器人系统远程为脑肿瘤患者进行立体定位活检手术[13]。2006年，北京积水潭医院利用自主研发的骨科手术机器人系统，成功完成远程机器人辅助下胫骨骨折髓内钉内固定手术，证实了远程骨科机器人手术系统的可靠性[14]。

但远程手术对网络传输速率要求较高，传统网络由于网速慢，存在延迟等缺点无法保障远程手术的安全开展，5G 网络通过“网络切片”创新技术，将网络架构划分为多个集合，实现端到端的“专用”网络服务，具备高速率、高可靠、低时延等性能，高速 5G 互联网与远程手术的结合将把当前的延迟期从 0.27 s缩短到 0.01 s[15]。这种延迟改进可有效解决与远程手术相关的时间延迟问题。

基于5G的远程医疗机器人手术可用于患者异地诊疗和医学应急救援[16]。

为了开展精准、安全的5G远程医疗机器人手术，需要突破术区多模信息实时反馈与精准解析、适宜远程操作的人机交互界面、低延时网络安全传输等关键技术问题，解决医学信息数据规范和安全伦理问题。随着5G网络基础设施的快速部署，5G远程医疗机器人手术的临床应用和示范推广呈现加速发展趋势。临床应用范围持续扩展，临床新术式不断涌现，已涵盖骨科[17]、腔镜外科[18]等多个领域。

2019年2月27日，西班牙巴塞罗那医疗团队通过5G网络远程指导了1例肠道肿瘤切除手术，被认为是世界首例使用了5G 通信的临床手术[19]。2019年3月16日，解放军总医院为远在解放军医院海南院区的患者完成首例基于5G网络的远程手术——帕金森病脑深部电极植入手术，此类手术验证了5G通信在医疗应用中的实时性[20]。2019年6月全球首例机器人多中心联合远程骨科手术在北京积水潭医院完成。田伟等[21]通过远程系统控制平台与嘉兴市第二医院和烟台市烟台山医院同时连接，为两位脊柱骨折患者进行椎弓根螺钉内固定手术，通过远程交替操控两台手术机器人为患者精准植入12颗螺钉，这是全球首次利用5G技术多地同步实施的远程外科手术，标志着我国5G通信技术与医学人工智能应用结合达到了新高度。

远程手术模式持续革新，从既有的“一对一”主从单点远程控制，发展出了“一对多”“多对一”等网络化协同模式，不仅实现了一名临床专家同步开展不同患者(多地)的远程手术，也实现了不同领域临床专家(多地)协作诊疗同一名患者[3]。“一对多”远程手术的新概念是基于外科医生同时对多名患者进行手术。这是一种让外科专业知识可以接触到更多患者的方式。以前，一对多远程手术的概念在时滞方面有很多限制。得益于高速 5G 互联网，它减少了延迟并增加了带宽，时滞不再是限制。应用场景也从常规临床远程手术拓展到了公共卫生远程诊疗服务(如：新型冠状病毒肺炎患者的机器人辅助远程超声诊疗、远程查房等)[19，21]和突发性医学应急救援(如：自然灾害、空间/战地等远程急救等)[22]。

3 远程机器人手术研究进展

作为5G远程医疗机器人手术系统的两大核心功能硬件，医疗机器人产品和5G通信网络日趋成熟和多样化发展，为更广泛地开展5G远程医疗机器人手术提供了可能。除了一些技术初创公司之外，史赛克、微创医疗等传统医疗器械公司和华为、三星等通讯巨头也开始布局5G远程医疗机器人手术产品和应用，与之相关的技术、产品和服务市场呈现加速增长态势。

5G远程医疗机器人手术的软硬件部署成本正在持续降低，为日常开展远程手术和拓展远程手术应用领域提供了条件。医学人工智能技术将进一步融入5G远程医疗机器人手术过程，解决远程诊疗大数据的有效信息挖掘和高效数据传输瓶颈。远程医学伦理和监管措施日趋规范，远程医学平台逐步体系化和标准化。基于5G的远程医疗机器人手术已成为“手术4.0”(Surgery 4.0)[23]的重要组成，正在推动智慧手术的持续性跨越发展，市场和应用前景广阔。

基于上述问题，在5G远程机器人手术发展时应侧重以下几个方面：(1)加快制定5G远程机器人手术领域的相应监管法规以及临床指南，使该领域发展合规、合法，健康有序发展。(2)推进5G网络的全面覆盖，需要积极推进5G网络的发展和普及。(3)医疗信息安全问题也是限制 5G 远程机器人手术发展的主要原因之一，医疗数据涉及个人隐私和医学伦理，因此，信息安全是医疗信息化建设的基本保障。(4)加强医工复合型人才的培养，加强医工企合作，解决临床需求与工程开发易出现脱节、创新转化慢的问题；(5)建立国际化的创新平台和合作机制，实现教育资源和科研资源的最大利用。