遠程手術(shù)機器人研究與關(guān)鍵技術(shù)分析

閆志遠 梁云雷 杜志江

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱，150080）

0 引言

隨著計算機技術(shù)和機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，醫(yī)療機器人開始走進大眾的視野，并應(yīng)用到醫(yī)療領(lǐng)域的各個方面，在很大程度上提高了人類的醫(yī)療技術(shù)水平。其中，手術(shù)機器人作為醫(yī)療機器人領(lǐng)域的重要組成成員，集成臨床技術(shù)和高精尖機器人技術(shù)，成為醫(yī)療領(lǐng)域中最具潛力的產(chǎn)業(yè)分支和戰(zhàn)略高地，以及全球機器人科學(xué)研究和商業(yè)應(yīng)用的熱點，市場前景廣闊。

與傳統(tǒng)人工手術(shù)相比，機器人輔助手術(shù)具有很多優(yōu)勢。首先，在手術(shù)過程中，機器人能在很大程度上消除醫(yī)生手部顫動的問題，極大地提高手術(shù)操作精度，并且可以通過運動縮放功能幫助醫(yī)生實現(xiàn)更加精細的手術(shù)操作；其次，由于機器人的參與，減輕了醫(yī)生的工作強度，同時醫(yī)生與機器人的相互配合，能在一定程度上減少患者創(chuàng)傷，提高手術(shù)質(zhì)量。

遠程醫(yī)療技術(shù)以向遠程患者提供醫(yī)療服務(wù)、遙測醫(yī)療信息、傳播醫(yī)學(xué)知識為目標[1]。遠程手術(shù)作為遠程醫(yī)療的重要組成部分，可以有效改善醫(yī)療資源的偏態(tài)分布、節(jié)省醫(yī)療資源與費用，提高病人的救治率。遠程手術(shù)是指醫(yī)生與患者分別處于不同的地理位置，手術(shù)醫(yī)生借助視頻、音頻、圖像、力覺等臨場感的裝備與技術(shù)開展手術(shù)的過程[2]，我們一般把患者所在位置稱為患者端，手術(shù)醫(yī)生所在位置稱為醫(yī)生端。理論上，機器人輔助手術(shù)極大縮小了醫(yī)生與患者的距離限制，通過遠程手術(shù)，大城市的醫(yī)生能夠很方便地為醫(yī)療條件較差的偏遠地區(qū)患者提供手術(shù)指導(dǎo)。同時，在射線、地震災(zāi)害、戰(zhàn)場等危險手術(shù)環(huán)境中，通過機器人的協(xié)助，醫(yī)生不需要到現(xiàn)場便能對患者進行診斷，避免了醫(yī)生身體受到傷害。此外，我國人口眾多，幅員遼闊，醫(yī)療資源分布不均，不同地區(qū)的醫(yī)療水平存在著較大差異，機器人輔助遠程手術(shù)能夠很好地平衡不同地區(qū)的醫(yī)療水平差異，提高醫(yī)療資源的利用效率。比如，醫(yī)生在手術(shù)室中通過操作主端機器人，可以控制遠在千里之外的末端手術(shù)器械，從而對患者實施手術(shù)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，國內(nèi)外高校及科研院所對遠程手術(shù)機器人技術(shù)進行了廣泛研究，并取得了一定成果。

1.1 國外研究現(xiàn)狀

2000年，Micali等人首先報道了5例從美國巴爾的摩市到意大利羅馬的機器人遠程手術(shù)指導(dǎo)實驗，其中4例獲得成功；同年，Cheah等人完成了自新加坡到美國巴爾的摩市的遠程腹腔鏡膽囊切除術(shù)。

2001年，Marescaux等人完成了世界首例從美國紐約到法國斯特拉斯堡橫跨大西洋的機器人遠程膽囊切除術(shù)，即著名的“林白手術(shù)”[3-4]，這是遠程手術(shù)的一個里程碑，驗證了遠程手術(shù)技術(shù)的可行性 ，標志著外科手術(shù)跨時代的飛躍。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)一些科研機構(gòu)也開展了遠程機器人系統(tǒng)研究。2003年，海軍總醫(yī)院利用“黎元”手術(shù)機器人系統(tǒng)完成了我國首次腦外科異地手術(shù)[5]。2006年，北京積水潭醫(yī)院利用自主研發(fā)的主從式機器人輔助脛骨髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術(shù)系統(tǒng)進行遠程骨科手術(shù)操作，結(jié)果證實了遠程骨科機器人手術(shù)系統(tǒng)安全有效[6]。腦科手術(shù)和骨科手術(shù)相對于腹腔外科手術(shù)來說，重要的是影像導(dǎo)航和定位，不需要全程無間斷的實時手術(shù)視頻遠程傳輸操作，對網(wǎng)絡(luò)延時的要求不大，對數(shù)據(jù)傳輸要求也不高。

2012年12月，北京航空航天大學(xué)和海軍總醫(yī)院合作開發(fā)的BH-7機器人系統(tǒng)完成了我國首次海上遠程手術(shù)。手術(shù)實施過程中，醫(yī)生位于北京的海軍總醫(yī)院遠程中心，患者位于太平洋某海域的醫(yī)院船上，手術(shù)通過衛(wèi)星通信建立通信連接，最后手術(shù)獲得成功[7]。然而，衛(wèi)星通信遠遠不能滿足遠程手術(shù)要求，其信號延遲的不確定性和數(shù)據(jù)丟包率等問題制約了遠程手術(shù)的安全開展。

隨著4G網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，其網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)遠遠高于衛(wèi)星通信，推動了遠程手術(shù)的發(fā)展。2015年，國產(chǎn)“妙手S”微創(chuàng)手術(shù)機器人借助10兆帶寬商用網(wǎng)絡(luò)，完成了約170km的遠程無線動物實驗，平均手術(shù)延時在250ms左右，兩地之間控制信號單項網(wǎng)絡(luò)時延最大為12.3ms，系統(tǒng)雙向總延時最大為302.6ms，丟包率最大為4.10%[8-9]。雖然整個實驗較為成功，但4G網(wǎng)絡(luò)的窄帶寬及網(wǎng)絡(luò)高時延仍限制了遠程手術(shù)的臨床應(yīng)用推廣。

隨著第5代移動通信技術(shù)的到來，醫(yī)療領(lǐng)域結(jié)合5G技術(shù)的優(yōu)勢開展了相應(yīng)的探索與嘗試。5G技術(shù)可為遠程手術(shù)提供高速率、多連接、大帶寬及低時延的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，滿足遠程手術(shù)實時性、高效性及穩(wěn)定性的需求。

2018年12月，中國人民解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心與蘇州康多機器人有限公司（以下簡稱康多機器人）合作，利用康多機器人公司自主研發(fā)的手術(shù)機器人在福州順利完成5G遠程手術(shù)動物實驗。手術(shù)過程中，主刀醫(yī)師遠程控制2個機械臂和鏡頭臂（如圖1所示），楔形切除約2cm×2cm×3cm大小的豬肝臟。術(shù)中高清3D影像及聲音傳輸實時、穩(wěn)定，機械臂操作靈活，主從跟隨性及一致性好，移動執(zhí)行器末端運動指令到機械臂末端平均時延小于150ms[10]。

2019年3月16日，中國人民解放軍總醫(yī)院完成了世界首例5G遠程人體手術(shù)，位于三亞的解放軍總醫(yī)院海南醫(yī)院的遠程操控專家成功對北京的一名患者進行遠程帕金森“腦起搏器”植入手術(shù)[11]，手術(shù)跨越3000km，開啟了5G遠程手術(shù)的新篇章。

2019年9月，全軍肝膽外科研究所與康多機器人公司合作，完成全球首例多點協(xié)同5G遠程多學(xué)科機器人手術(shù)試驗（如圖2所示），兩位手術(shù)醫(yī)生分別在北京和蘇州，通過遠程操控機械臂對試驗動物實施了胃腸切除和肝切除手術(shù)[12]。實驗結(jié)果表明，手術(shù)期間通信時延小，手術(shù)操作準確有效，試驗動物的生命體征平穩(wěn)。此次多點協(xié)同遠程手術(shù)打破了以往患者與醫(yī)生單點會診及手術(shù)的模式，可讓多位不同領(lǐng)域的專家共同遠程會診并為患者實施手術(shù)，這為未來遠程手術(shù)機器人協(xié)同操作手術(shù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)了臨床醫(yī)學(xué)、機器人學(xué)和通信工程交叉領(lǐng)域的重大創(chuàng)新。

圖2 多點協(xié)同5G遠程手術(shù)試驗示意圖

綜上分析表明，我國越來越重視遠程手術(shù)技術(shù)方面的研究工作，并且在遠程人體手術(shù)和多點遠程協(xié)同手術(shù)等方面均取得重大突破，但是在研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的遠程手術(shù)機器人方面仍處于起步階段，涉及到的多學(xué)科交叉領(lǐng)域等關(guān)鍵技術(shù)問題尚待進一步研究。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

本節(jié)主要從系統(tǒng)架構(gòu)、信號傳輸機制、視頻壓縮處理機制、主從安全處理機制4方面對遠程手術(shù)機器人的關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

圖3 機器人遠程手術(shù)系統(tǒng)模型

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

遠程手術(shù)機器人系統(tǒng)的研發(fā)是遠程手術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。不同于傳統(tǒng)同一物理空間下的手術(shù)機器人，遠程手術(shù)機器人需要將醫(yī)生操作端及手術(shù)操作端放置于不同物理空間下，其模型可以分為3種，如圖3a-3c所示。其中，圖3a為一個醫(yī)生操作端控制一臺手術(shù)操作端，圖3b為一個醫(yī)生操作端同時控制多臺手術(shù)操作端，圖3c為多個醫(yī)生操作端共同控制一臺手術(shù)操作端進行遠程手術(shù)。

目前，商用手術(shù)機器人主要在同一物理空間下使用，若要構(gòu)建遠程手術(shù)機器人系統(tǒng)，不僅要考慮其功能是否穩(wěn)定，還要為其添加可靠的遠程通信系統(tǒng)。其中，機器人系統(tǒng)包含遠程手術(shù)機械臂、醫(yī)生操作臺、附屬的腔鏡系統(tǒng)和手術(shù)器械單元；遠程通信系統(tǒng)主要為機器人主從兩端的多模態(tài)信號的傳輸提供網(wǎng)絡(luò)通道。遠程手術(shù)機器人系統(tǒng)具體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 遠程手術(shù)機器人系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 遠程信號傳輸機制

在機器人遠程手術(shù)中，醫(yī)生不僅需要發(fā)送操作指令控制患者端的機械臂進行手術(shù)操作，還需不斷確認患者端的反饋信息，以確保手術(shù)的安全進行，因此遠程信號的傳輸需是具有較高實時性的雙向傳輸機制。目前的遠程通信系統(tǒng)傳輸硬件主要以上位機為主，針對較高實時性的需求，大多數(shù)傳輸機制采用基于UDP的機器人控制信息傳輸協(xié)議。但由于UDP傳輸協(xié)議的傳輸可靠性較低，因此研發(fā)一種實時性較高且可靠的傳輸機制是遠程手術(shù)機器人未來發(fā)展的重要研究方向之一。

2.3 視頻壓縮處理機制

隨著計算機及醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)生可通過3D腹腔鏡圖像獲取更寬闊、更清晰的術(shù)野，使手術(shù)操作更簡便、更安全，而醫(yī)生如何獲取分辨率較高的3D腹腔鏡圖像是機器人遠程手術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于腹腔鏡圖像為3D高清圖像，需要較高的帶寬和網(wǎng)絡(luò)實時性，因此在患者端需采用外置高速數(shù)據(jù)采集卡對圖像進行采集和3D壓縮處理，這能夠有效節(jié)約系統(tǒng)處理及傳輸時間，降低圖像傳輸時延；同時增加斷點續(xù)傳功能，可在圖像中斷后再連接時，從斷點續(xù)傳，確保術(shù)中圖像的連續(xù)性。

此前，3D高清腹腔鏡圖像遠程傳輸一直受網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，隨著第5代移動通信技術(shù)的發(fā)展，如何在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下穩(wěn)定傳輸高清3D腹腔鏡圖像對于遠程手術(shù)技術(shù)的發(fā)展尤為重要。

2.4 遠程主從安全處理機制

在機器人遠程手術(shù)中，醫(yī)生與患者處于不同的物理環(huán)境，如何保障“醫(yī)生—患者”之間的信息對接、操作對接、故障處理等主從安全處理機制，對保證遠程手術(shù)的安全性和操作性尤為重要。主從安全處理機制主要受控于通信傳輸，若發(fā)生意外情況，其會立即停止雙向信號傳輸，手術(shù)機器人也會立即切換至待機狀態(tài)，保障遠程手術(shù)的安全性；當通信再次連接時，其通過建立機器人主從二次運動學(xué)映射機制，實現(xiàn)機器人由待機狀態(tài)切換到連接狀態(tài)，手術(shù)機械臂及器械能夠映射主操作端醫(yī)生的控制信息，從而保證手術(shù)過程中遠程控制信號的安全有效連接及映射。

3 展望

遠程手術(shù)是指醫(yī)生通過主操作手，以網(wǎng)絡(luò)為媒介控制患者端手術(shù)機器人來完成手術(shù)，是一個集機器人學(xué)、通信、醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科為一體的交叉研究領(lǐng)域。當前，機器人遠程手術(shù)還有幾方面的非技術(shù)問題需要突破：

1）倫理問題。醫(yī)療機器人技術(shù)的發(fā)展始終伴隨著該問題，遠程手術(shù)的醫(yī)學(xué)倫理問題尚待進一步研究。

2）責任主體。遠程手術(shù)機器人存在主從兩個操作端，醫(yī)療責任劃分需要相關(guān)法規(guī)支持。

3）收費問題。遠程手術(shù)技術(shù)費用很高，成本問題成為其具體實施的重大障礙。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和醫(yī)療領(lǐng)域法律法規(guī)的不斷健全，遠程手術(shù)機器人技術(shù)必將實現(xiàn)穩(wěn)步發(fā)展。界時，遠程手術(shù)機器人系統(tǒng)的應(yīng)用不僅僅局限于醫(yī)院的手術(shù)室，針對海上、戰(zhàn)場等復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用也將成為其未來發(fā)展和重點研究方向之一，對我國戰(zhàn)時醫(yī)療救援具有十分重要的意義。

4 總結(jié)

本文主要對近年國內(nèi)外遠程手術(shù)機器人的研究成果進行分析，并對其體系架構(gòu)、遠程信號傳輸機制、遠程圖像視頻壓縮處理機制及主從安全處理機制等關(guān)鍵技術(shù)進行分析，指出遠程手術(shù)機器人的應(yīng)用將有效解決我國目前醫(yī)療資源供需不平衡的矛盾，節(jié)省醫(yī)療資源，提高醫(yī)療救治率，而且對戰(zhàn)時醫(yī)療救援具有十分重要的意義。