遠程醫(yī)療在外科領(lǐng)域的研究現(xiàn)況概述

賈崧淏，貢鳴，武玉多，賀曉薈，張宏家

目前我國外科醫(yī)療的診治水平不斷提高，既往眾多復雜難治的疾病，正被逐一攻克。但訓練有素的醫(yī)療專家數(shù)量與患者需求間仍存在較大差距，有經(jīng)驗的外科醫(yī)生長途奔波指導手術(shù)需消耗大量時間，人們開始嘗試通過遠程會診、遠程手術(shù)等方法予以解決。然而，手術(shù)室環(huán)境相對封閉，不能實時與外界實現(xiàn)信息互聯(lián)，制約了遠程醫(yī)療在外科領(lǐng)域的發(fā)展。近年來，隨著最新第五代通信技術(shù)應用，高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲、廣接口等優(yōu)點將為外科遠程醫(yī)療領(lǐng)域帶來創(chuàng)新與發(fā)展。

1 國外遠程醫(yī)療在外科領(lǐng)域的發(fā)展歷程

20世紀90年代電話會議興起后，Cedars-sinai醫(yī)院的外科醫(yī)生最早嘗試應用最大程度的視頻壓縮通過1.5 mb/sec的電信數(shù)據(jù)線實現(xiàn)了腹腔鏡手術(shù)遠程圖像的傳遞，認為未來可通過視頻壓縮進行遠程腹腔鏡檢查，并為后續(xù)研究提供了可能性[1]。加拿大的麥克馬斯特微創(chuàng)手術(shù)中心于1999年啟動了遠程教學計劃，該計劃依靠雙向視頻會議進行遠程醫(yī)療培訓教學，之后的9年里該中心以此模式進行了100多期遠程醫(yī)療服務(wù)。在此過程中，項目也遇到了不少問題，首先是帶寬問題，當時帶寬僅為512K，可基本實現(xiàn)需求，但由于穩(wěn)定性差無法完成遠程傳送。其次是電信延時問題，幾乎每位導師和學員都認為當延時達到350 ms時嚴重干擾了有效教學。最后是成本問題，當時一家中心的基礎(chǔ)電信設(shè)備成本就達到了 10 000美元，制約了該項目在社區(qū)醫(yī)院的開展[2]。

雖然當時的遠程傳輸設(shè)備在一定程度上可滿足手術(shù)中的需要，但受到帶寬、延時和成本等問題的限制，以及外科醫(yī)生對于真正遠程參與手術(shù)的需求，研究者們不斷研發(fā)新技術(shù)來補充原來簡單的手術(shù)圖片和視頻的傳遞。自達芬奇手術(shù)機器人于1997年完成首例膽囊切除術(shù)以來，手術(shù)機器人迅速應用于外科的各個學科[3]。隨著電信技術(shù)的更新和手術(shù)機器人的出現(xiàn)，2003年醫(yī)生通過宙斯手術(shù)機器人遠程協(xié)助當?shù)蒯t(yī)生進行手術(shù)并在必要時接管手術(shù)。盡管當時的帶寬已達10 mbps，但網(wǎng)絡(luò)延時問題仍然存在，且機器人布置和手術(shù)室的電信改造要求也產(chǎn)生了新的問題[4]。2006年美國宇航局和軍方測試了在極端情況下遠程外科醫(yī)生為患者實施簡單緊急手術(shù)的可能性，試驗結(jié)果證實了便攜式機器人平臺的可行性，但其中出現(xiàn)了超過2 s的延時，這樣的延時在常規(guī)臨床操作中是不被接受的[5]。盡管遠程教學、遠程指導、遠程手術(shù)都已成為現(xiàn)實，但單純的影像傳遞并不能為外科醫(yī)生提供足夠的信息。AR技術(shù)誕生后，神經(jīng)外科醫(yī)生探索將增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）技術(shù)應用于神經(jīng)外科手術(shù)輔助和手術(shù)訓練中，該系統(tǒng)由本地工作站和遠程工作站組成，通過立體攝像機和容積再現(xiàn)核磁共振成像（MRI）的數(shù)字渲染，實現(xiàn)了本地和遠程實時虛擬交互并為兩端的外科醫(yī)生提供空間指導，但攝像機分辨率、色彩對比度和延時均是需進一步優(yōu)化的技術(shù)問題[6]。自動立體成像技術(shù)誕生后，醫(yī)生應用自動立體成像技術(shù)實現(xiàn)了手術(shù)場景更真實、直觀的3D遠程傳遞，試驗認為該技術(shù)基本滿足臨床需要，但未來需要優(yōu)化其分辨率、精度和實時性[7]。2016年英國研究者建立了Proximie平臺，外科醫(yī)生利用該平臺通過音頻、視頻和增強現(xiàn)實技術(shù)進行遠程協(xié)作，在復雜手術(shù)中實現(xiàn)了部分智能化應用功能[8]，但由于通訊技術(shù)受限，音視頻質(zhì)量有待提高。

5G移動網(wǎng)絡(luò)彌補了WiFi和4G網(wǎng)絡(luò)的缺陷，為遠程醫(yī)療場景提供了不可替代的技術(shù)保障，如超高速率：5G網(wǎng)絡(luò)可提供高達10G bps的傳輸速率，可承載4K高清手術(shù)視頻的傳輸；超低時延：5G空口時延約為4G空口的十分之一，結(jié)合邊緣計算技術(shù)，可提供的延遲遠小于人可感知的臨界值（140 ms），滿足遠程實時操控場景；高可靠性：5G網(wǎng)絡(luò)可提供高達99.999%的可靠性，可有效保障手術(shù)室網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和業(yè)務(wù)連續(xù)性，保障手術(shù)質(zhì)量；高安全性和隔離性：5G網(wǎng)絡(luò)采用增強的用戶隱私保護和完整性保護標準，結(jié)合獨享基站、傳輸虛擬專用網(wǎng)（VPN）隔離、專享核心網(wǎng)用戶面網(wǎng)元，保障了數(shù)據(jù)隔離性，可對患者的醫(yī)療數(shù)據(jù)提供更高層級的保護；可定制化：5G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)更加靈活，根據(jù)手術(shù)室具體情況，從硬件和軟件及調(diào)制層面進行定制化和按需組網(wǎng)，滿足遠程實時醫(yī)療場景的網(wǎng)絡(luò)需求[9]。5G網(wǎng)絡(luò)可提供最高10 GB/s的速度，滿足實時遠程醫(yī)療的網(wǎng)速要求。此外之前的網(wǎng)絡(luò)信號易受局域網(wǎng)信號、建筑、微波等干擾，而5G網(wǎng)絡(luò)能同時為大量用戶提供穩(wěn)定的連接，也為遠程醫(yī)療提供了更好的穩(wěn)定性。且5G網(wǎng)絡(luò)還支持大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)連接快速、靈活且能夠?qū)崿F(xiàn)智能傳感器連接，為未來醫(yī)療中的智能交互提供了技術(shù)支持[10]。

2019年1月美國電話電報公司與拉什大學醫(yī)學中心簽署協(xié)議，將5G技術(shù)應用于醫(yī)院設(shè)備中，探索建立第一個基于5G的醫(yī)療系統(tǒng)[11]。2019年2月27日，西班牙醫(yī)療團隊通過5G網(wǎng)絡(luò)遠程指導腸道腫瘤切除，成為世界上首例使用5G網(wǎng)絡(luò)完成的人體手術(shù)，其間交互及時，未出現(xiàn)明顯延時[12]。

2 國內(nèi)遠程醫(yī)療在外科領(lǐng)域的發(fā)展歷程

國內(nèi)于1988年就由解放軍總醫(yī)院的專家們通過衛(wèi)星與德國一家醫(yī)院進行了神經(jīng)外科遠程病歷討論，德國專家給予了治療指導，但當時傳輸信息非常有限[13]。1997年衛(wèi)生部衛(wèi)星專網(wǎng)—中國金衛(wèi)醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)開通，國內(nèi)知名醫(yī)院相繼成立了遠程會診中心，依靠衛(wèi)星通訊進行簡單會診，但傳送內(nèi)容受限，時效性不佳且成本高昂[14]。2003年在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和我國自主研發(fā)的“黎元”手術(shù)機器人幫助下，海軍總醫(yī)院為600 km外的患者成功實施了顱內(nèi)血腫清除術(shù)，但要完成更為復雜的手術(shù)該設(shè)備的精度和實時性還有待提高[14]。此后隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，國內(nèi)陸續(xù)開展了基于遠程視頻的遠程會診、高清終端會診、3D手術(shù)遠程示教和遠程培訓等，而網(wǎng)絡(luò)延時和建設(shè)成本始終是困擾遠程醫(yī)療的兩大挑戰(zhàn)。系統(tǒng)性回顧研究顯示，遠程手術(shù)教學指導和現(xiàn)場教學指導在安全性和教學效果上無差異，但也重點強調(diào)了網(wǎng)絡(luò)延時和信息傳輸?shù)陌踩L險[15]。

2019年3月16日，國內(nèi)完成了首例基于5G的遠程人體手術(shù)—腦起搏器植入術(shù)，遠程手術(shù)過程流暢，未出現(xiàn)明顯延時[16]。在5G技術(shù)的加持下，未來必將有更多新技術(shù)融入基于5G的遠程醫(yī)療中。

新型冠狀病毒肺炎疫情暴發(fā)極大推動了5G遠程醫(yī)療的發(fā)展，遠程查房、遠程病區(qū)管理、遠程會診、遠程數(shù)據(jù)共享、遠程手術(shù)，5G遠程醫(yī)療在疫情防控中大量應用[17]。而在外科領(lǐng)域，國內(nèi)外研究者均認為，新型冠狀病毒肺炎新冠疫情推動了遠程醫(yī)療在外科領(lǐng)域的應用并將產(chǎn)生持久影響[18]。

3 遠程醫(yī)療當前存在的不足

遠程醫(yī)療在外科領(lǐng)域的應用發(fā)展至今最大的問題仍是網(wǎng)絡(luò)延遲，如可能出現(xiàn)聽覺、視覺甚至觸覺延遲[19]。這種延遲不僅延長手術(shù)時間，還可能出現(xiàn)重大的外科手術(shù)誤差，危及生命，延遲患者康復[20,21]。理想的延遲時間應小于100 ms，大于300 ms的延遲可能產(chǎn)生較大誤差[22]。此前應用達芬奇手術(shù)機器人進行的遠程手術(shù)操作，其延時達到了340 ms[23]，應用虛擬互動技術(shù)時其平均延時達到了760±606 ms[24]，這樣的網(wǎng)絡(luò)延時問題是亟待解決的。盡管當今的高速光纜和專用光纖異步傳輸模式可以把一般手術(shù)信息的傳遞延時控制在100 ms以下，但至少需要40名技術(shù)人員參與保障，極大制約了遠程醫(yī)療的開展[25]。且大多數(shù)手術(shù)室不具備相關(guān)光纖設(shè)備，若進行改造將耗費巨大的人力物力，遠程手術(shù)的成本更高。傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無法滿足上述遠程醫(yī)療系統(tǒng)的需求。行動熱點（WiFi）技術(shù)弱點明顯：覆蓋范圍有限，無法支持移動使用；無法支持大連接，多設(shè)備訪問體驗差；可靠性差，易受干擾，業(yè)務(wù)連續(xù)性無法保障；傳輸安全性低，易被攻擊，數(shù)據(jù)易被竊取；現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)傳輸速率無法滿足4K高清手術(shù)視頻信號的傳輸要求；4G網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)不夠靈活，業(yè)務(wù)能力差，不能滿足低時延業(yè)務(wù)的需求。

4 展望

5G通訊技術(shù)的高速率、低延遲、大連接等優(yōu)點給各行業(yè)帶來了重大變革，改變了移動網(wǎng)絡(luò)的應用模式，提供最高10 Gb/s的速度，足以滿足實時遠程視頻、多種異構(gòu)數(shù)據(jù)實時交互的網(wǎng)速要求。同時5G網(wǎng)絡(luò)能提供穩(wěn)定的連接，也為遠程醫(yī)療提供了更好的穩(wěn)定性。未來以5G通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，疊加虛擬現(xiàn)實、人工智能等技術(shù)，必然會為遠程醫(yī)療在外科領(lǐng)域的應用帶來更大的變革。如將虛擬現(xiàn)實技術(shù)融入到外科遠程醫(yī)療中，在遠距離轉(zhuǎn)播中，讓指導專家身臨其境，對手術(shù)操作的深度及精細度等具有很好的感知，對術(shù)者提供有效指導。當然該過程中的信息安全、數(shù)據(jù)倫理等問題也是要特別關(guān)注的方面，相信隨著系列配套政策、法律的出臺，遠程醫(yī)療在外科領(lǐng)域?qū)⒕哂懈鼜V闊的應用前景。