5G遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

摘要 遠(yuǎn)程外科手術(shù)中，術(shù)者在進(jìn)行外科手術(shù)操作時(shí)不與患者實(shí)際接觸。近年來(lái)，隨著器人輔助手術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)、 5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)的發(fā)展、融合，使得遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)成為現(xiàn)實(shí)，并逐漸被應(yīng)用于各?？祁I(lǐng)域。本文就5G遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀作一綜述。

關(guān)鍵詞 遠(yuǎn)程外科；機(jī)器人輔助手術(shù)；5G網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)；遠(yuǎn)程急救；

中圖分類號(hào) R692 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-7721（2025）03-0503-05

Progress and application status of 5G robot-assisted telesurgery

Abstract In telesurgery， surgical operations are performed by surgeons who do not have actual contact with patients. In recent years， with the development and integration of robot-assisted surgery， computer-assisted surgical system and 5G network communication technology， remote robotic surgery has become a reality and is applied in various specialty fields. The development and application status of 5G robot-assisted telesurgery were reviewed in this paper.

Key words Telesurgery; Robot-assisted surgery; 5G network; Remote Monitoring; Remote First Aid

遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)是將遠(yuǎn)程通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)與各類醫(yī)學(xué)技術(shù)結(jié)合來(lái)進(jìn)行醫(yī)學(xué)實(shí)踐的一門交叉學(xué)科[1]。廣義的遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)涵蓋遠(yuǎn)程醫(yī)療指導(dǎo)和會(huì)診[2-3]，遠(yuǎn)程醫(yī)療合作[4-5]，遠(yuǎn)程手術(shù)[6]，遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)會(huì)議[7]，遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育和培訓(xùn)等[8]。遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)是一個(gè)開放的分布式系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)用集合了雙向視、聽技術(shù)為主的通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)技術(shù)等，能夠?yàn)椴煌貐^(qū)患者提供醫(yī)療服務(wù)，為身處異地的醫(yī)務(wù)工作者開展學(xué)術(shù)交流提供平臺(tái)[9]。近年來(lái)，隨著器人輔助手術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)、5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)的發(fā)展、融合，外科手術(shù)突破了空間限制，使得遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)成為現(xiàn)實(shí)[10-11]。本文就5G遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 手術(shù)機(jī)器人的誕生與演進(jìn)

1.1手術(shù)機(jī)器人發(fā)展簡(jiǎn)史 二十世紀(jì)八十年代，隨著工業(yè)革命的深入發(fā)展，各類工業(yè)機(jī)器人設(shè)備逐步發(fā)展成熟并被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，其在動(dòng)作穩(wěn)定度與靈巧度、操作準(zhǔn)確度與持久度等方面比人工更具優(yōu)勢(shì)[12]。機(jī)器人相關(guān)技術(shù)在外科領(lǐng)域亦開始萌芽：Puma560工業(yè)機(jī)器人于1978誕生，并于數(shù)年后（1985年）被用于輔助腦組織活檢手術(shù)，該手術(shù)系統(tǒng)經(jīng)改良、迭代后于1989年被用于泌尿外科手術(shù)[13]。Staubli RX90工業(yè)機(jī)器人于1999年被用于骨科關(guān)節(jié)手術(shù)的定位及骨骼磨削（精度達(dá)0.1 mm）。然而，工業(yè)機(jī)器人制造特點(diǎn)難以滿足外科手術(shù)的高度專業(yè)性與操作復(fù)雜性需求。1994年，Aesop機(jī)器人由美國(guó)Computer Motion公司推出并獲得美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）認(rèn)證，成為第一臺(tái)能夠應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)用機(jī)器人[14]。1996年，Zeus機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)被推出，這也是機(jī)器人主從操作手術(shù)系統(tǒng)的初型機(jī)。通過(guò)該系統(tǒng)，術(shù)者從傳統(tǒng)的“臨臺(tái)手術(shù)”模式中被解放出來(lái)，可遠(yuǎn)程操控機(jī)器設(shè)備實(shí)施各類手術(shù)操作，使外科醫(yī)生“離臺(tái)施術(shù)”成為可能[15]。隨后，達(dá)芬奇（Da Vinci）機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)由美國(guó)Intuitive Sungical公司推出，并在2000年獲得美國(guó)FDA批準(zhǔn)應(yīng)用于臨床。該手術(shù)系統(tǒng)是基于“切身實(shí)景式接觸”理念設(shè)計(jì)的，機(jī)器人主從軟件系統(tǒng)的改進(jìn)和提升使得術(shù)者能夠在操作終端精準(zhǔn)操控手術(shù)器械，并能夠同時(shí)操控鏡頭與2～3個(gè)機(jī)械臂；鏡頭為雙目鏡合成三維成像，將人體解剖結(jié)構(gòu)深度還原，為術(shù)者完成精細(xì)解剖與復(fù)雜操作提供了保證。隨著達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)不斷迭代升級(jí)，其已成為目前與外科臨床實(shí)踐契合度最高、在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)[16-17]。截至2023年3月，全球70個(gè)國(guó)家共有7779臺(tái)達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)應(yīng)用于臨床，已完成逾1000萬(wàn)例手術(shù)[18]。

1.2我國(guó)手術(shù)機(jī)器人發(fā)展情況 我國(guó)手術(shù)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)起步較晚，但增長(zhǎng)潛力巨大。1996年，中國(guó)人民解放軍海軍總醫(yī)院與北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所共同研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)（未應(yīng)用于臨床）。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累和沉淀，我國(guó)自主研發(fā)的首款機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)于2021年獲批臨床應(yīng)用[19]。此后，國(guó)內(nèi)的精鋒[20]、微創(chuàng)與康諾思騰等諸多創(chuàng)新型手術(shù)機(jī)器人公司陸續(xù)完成手術(shù)機(jī)器人的自主研發(fā)并獲批上市，不斷推動(dòng)國(guó)產(chǎn)手術(shù)機(jī)器人行業(yè)朝著更高精度、更大靈活度、應(yīng)用更廣與更貼近臨床專業(yè)需求的方向發(fā)展，已在泌尿外科、普通外科、婦科、胸外科、肝膽外科、耳鼻喉科、整形外科、骨科以及神經(jīng)外科等實(shí)現(xiàn)常規(guī)手術(shù)應(yīng)用[21]。國(guó)產(chǎn)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)較低的安裝與使用成本以及我國(guó)高速網(wǎng)絡(luò)、人工智能算法和成像技術(shù)的進(jìn)步，為其在遠(yuǎn)程手術(shù)中實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新奠定了重要基礎(chǔ)[22]。

2 遠(yuǎn)程指導(dǎo)手術(shù)與遠(yuǎn)程手術(shù)

2.1機(jī)器人輔助手術(shù) 機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)“主從式操作模式”的革命性技術(shù)將術(shù)者從患者手術(shù)臺(tái)旁解放出來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離為患者實(shí)施手術(shù)[23]。以達(dá)芬奇機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)主要由醫(yī)生操作系統(tǒng)、床旁機(jī)械臂系統(tǒng)和視頻成像系統(tǒng)組成：醫(yī)生操作系統(tǒng)是控制核心，術(shù)者并可通過(guò)手控、踏板、聲控來(lái)操控手術(shù)機(jī)械；床旁機(jī)械臂系統(tǒng)包括2～3只操作臂及1只鏡頭臂，操作臂用于完成術(shù)中各種操作，鏡頭臂用于術(shù)中握持腹腔鏡物鏡，提供更加穩(wěn)定的圖像；3D高清影像系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)技術(shù)中二維平面成像的弊端，為術(shù)者提供了更加真實(shí)的操作視野[24-25]。

2.2計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)高速信息處理能力，綜合先進(jìn)的成像設(shè)備和空間定位方法，結(jié)合圖像技術(shù)，能夠準(zhǔn)確顯示術(shù)區(qū)截屏結(jié)構(gòu)、提高病灶定位精度、降低手術(shù)創(chuàng)傷、增加手術(shù)的效率與安全性，這也為遠(yuǎn)程手術(shù)操作提供了重要技術(shù)支持[26-27]。

2.3醫(yī)學(xué)信息學(xué)技術(shù) 區(qū)域醫(yī)療信息共享與交互技術(shù)的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了區(qū)域醫(yī)療衛(wèi)生信息系統(tǒng)在機(jī)構(gòu)內(nèi)部和機(jī)構(gòu)之間的協(xié)同工作，解決了部門之間的條塊分隔、應(yīng)用系統(tǒng)互相獨(dú)立、醫(yī)療信息資源難以共享的問(wèn)題，其核心為多媒體信息技術(shù)與音視頻編解碼技術(shù)[28]。異地患者的CT、MRI、PET等醫(yī)學(xué)圖像資料、患者生命體征監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)、手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)音視頻信息經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)壓縮等處理后，通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行姆?wù)器；數(shù)據(jù)解壓后，異地專家可對(duì)手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手術(shù)指導(dǎo)或通過(guò)主從式手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程手術(shù)[29]。

綜上所述，機(jī)器人輔助技術(shù)可以突破人眼和人手的局限，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)中可視化技術(shù)和配準(zhǔn)技術(shù)，能夠微創(chuàng)、精確地完成手術(shù)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將采集到的圖像信息實(shí)時(shí)傳輸至實(shí)際操作臺(tái)，同時(shí)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將傳輸?shù)漠嬅孢M(jìn)行高度虛擬3D重現(xiàn)，然后由術(shù)者在虛擬的環(huán)境中控制操縱桿，將指令傳輸?shù)綑C(jī)器人手術(shù)現(xiàn)場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)。

3 5G通信技術(shù)在遠(yuǎn)程醫(yī)療中的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)相比，5G（第五代移動(dòng)通信）技術(shù)增強(qiáng)的移動(dòng)帶寬基站峰值可達(dá)20 Gb/s，平均網(wǎng)速為4G的20～100倍，并具有超可靠、低時(shí)延的通信特點(diǎn)。此外，5G能夠?qū)崿F(xiàn)海量機(jī)器類通信，能夠支持超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)/每平方千米的設(shè)備連接[30-31]。近年來(lái)，5G遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用場(chǎng)景已逐步分階段實(shí)現(xiàn)。第一階段：遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)、移動(dòng)查房。5G網(wǎng)絡(luò)支持連接更大容量的醫(yī)療監(jiān)測(cè)設(shè)備，傳輸心率、呼吸、血壓等人體各種醫(yī)學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并能夠通過(guò)大數(shù)據(jù)分析對(duì)異常情況進(jìn)行智能報(bào)警，特別是重癥監(jiān)護(hù)患者數(shù)據(jù)分析、報(bào)警均基于毫秒級(jí)[32]，且能夠在線上及時(shí)完成遠(yuǎn)程查房醫(yī)囑的下達(dá)與執(zhí)行。第二階段：遠(yuǎn)程醫(yī)療急救。在現(xiàn)場(chǎng)急救與急救車內(nèi)場(chǎng)景，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上傳各個(gè)終端設(shè)備采集的監(jiān)測(cè)信息（包括實(shí)時(shí)音視頻信息、患者數(shù)據(jù)等），通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)同步共享準(zhǔn)確的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，并對(duì)急救現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施遠(yuǎn)程急救指導(dǎo)，進(jìn)而實(shí)施急救會(huì)診等[33]。第三階段：遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)。遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)代表了5G遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用的最高標(biāo)準(zhǔn)。遠(yuǎn)程手術(shù)的安全、順利實(shí)施，除了需要有效、穩(wěn)定地完成內(nèi)窺鏡三維術(shù)野影像的傳輸，還需要確保機(jī)器人控制信號(hào)“端到端”的低時(shí)延（≤200 ms），以達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制的要求。此外，5G遠(yuǎn)程醫(yī)療在遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)中的應(yīng)用場(chǎng)景還包括術(shù)者端與患者端的實(shí)時(shí)視頻會(huì)議溝通[34]。

4 5G遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)的探索與應(yīng)用

2018年5月，中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院張旭院士團(tuán)隊(duì)將5G混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)與機(jī)器人微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)相結(jié)合，在三亞成功完成世界首例混合現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程協(xié)作機(jī)器人手術(shù)[35]。同年底，劉榮教授團(tuán)隊(duì)完成國(guó)際上5G遠(yuǎn)程手術(shù)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)的首次嘗試，值得一提的是，該實(shí)驗(yàn)由自主研發(fā)的國(guó)產(chǎn)機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)實(shí)施，術(shù)中高清3D影像及聲音傳輸實(shí)時(shí)、穩(wěn)定，機(jī)械臂操作靈活，主從跟隨性及一致性好，移動(dòng)執(zhí)行器末端運(yùn)動(dòng)指令到機(jī)械臂末端平均時(shí)延lt;150 ms[36]。近年來(lái)，隨著我國(guó)政策的支持和5G網(wǎng)絡(luò)基建的完善，國(guó)產(chǎn)手術(shù)機(jī)器人的研發(fā)迅速崛起，泌尿外科、肝膽外科、胸外科、胃腸外科等均完成了多例遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)實(shí)踐[37-39]。

解放軍總醫(yī)院婦產(chǎn)醫(yī)學(xué)部孟元光教授團(tuán)隊(duì)于2023年6月成功完成了全球首例5G遠(yuǎn)程機(jī)器人婦科手術(shù)（術(shù)式為全子宮雙附件切除術(shù)），術(shù)者端位于北京，患者端位于新疆和田（相隔4200 km），手術(shù)時(shí)間62 min，出血量5 mL，術(shù)中延時(shí)148.481 ms～268.742 ms，平均延時(shí)161.959 ms[40]。截至2024年5月，本團(tuán)隊(duì)又相繼完成了6例5G遠(yuǎn)程機(jī)器人婦科手術(shù)，主從端距離為1100 km～3000 km不等，成功率100%，最大延時(shí)22.627 ms～55.818 ms，平均延時(shí)為20.331 ms～52.781 ms，網(wǎng)絡(luò)傳輸丟包率穩(wěn)定控制在0.01%以下，涵蓋了子宮肌瘤剔除、全子宮切除、巨大子宮切除、輸卵管切除、附件切除以及盆腹腔粘連分解等多種術(shù)式及盆腹腔多個(gè)象限的操作[41]。不僅完成了5G遠(yuǎn)程機(jī)器人復(fù)雜婦科手術(shù)操作的驗(yàn)證、不同網(wǎng)絡(luò)條件下遠(yuǎn)程機(jī)器人婦科手術(shù)的嘗試，還完成了主從端對(duì)調(diào)的雙向5G遠(yuǎn)程機(jī)器人婦科手術(shù)的探索。

盡管目前已對(duì)5G遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)的可行性與安全性進(jìn)行了驗(yàn)證，但該手術(shù)模式的推廣仍有很多問(wèn)題亟待解決。例如，遠(yuǎn)程機(jī)器人操作系統(tǒng)的靈活性、穩(wěn)定性、可靠性是手術(shù)成功的關(guān)鍵，探索更加高效、合理的人機(jī)交互方法是未來(lái)遠(yuǎn)程手術(shù)的發(fā)展方向[42]；此外，完善的網(wǎng)絡(luò)通信身份認(rèn)證和通信加密、深度防火墻設(shè)置、防病毒軟件的開發(fā)等網(wǎng)絡(luò)安全措施是遠(yuǎn)程手術(shù)安全實(shí)施的重要保障[43]；最后，遠(yuǎn)程手術(shù)的核心仍是與患者圍手術(shù)期治療相關(guān)的全部診療行為，應(yīng)將遠(yuǎn)程手術(shù)患者的“全程化”遠(yuǎn)程管理作為改進(jìn)目標(biāo)，讓更多患者獲益。

5 5G遠(yuǎn)程手術(shù)平臺(tái)外延與展望

遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展，代表著遠(yuǎn)程外科發(fā)展到了一個(gè)新高度，而5G遠(yuǎn)程手術(shù)平臺(tái)的建立與完善，令其外延不斷拓展[44]。第一，5G遠(yuǎn)程指導(dǎo)手術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、低延時(shí)性以及高速率等特點(diǎn)，不僅大大降低了遠(yuǎn)程指導(dǎo)手術(shù)成本，還能夠完成“一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)”、“多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)”以及“多點(diǎn)協(xié)同”等遠(yuǎn)程指導(dǎo)手術(shù)，使得不同地域的優(yōu)質(zhì)外科手術(shù)資源充分共享，下沉到基層醫(yī)療單位，為更多患者提供醫(yī)療服務(wù)。第二，5G遠(yuǎn)程培訓(xùn)。利用5G網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)時(shí)的多媒體通信技術(shù)，能夠完成線上理論授課、操作指導(dǎo)、典型病例分享以及線上答疑等，有助于克服時(shí)空障礙，提升基層衛(wèi)生人員的專業(yè)技術(shù)水平，并完成線上考核與認(rèn)證。第三，5G遠(yuǎn)程多學(xué)科協(xié)作診療。隨著電子病歷網(wǎng)絡(luò)化的全面推進(jìn)，遠(yuǎn)程化驗(yàn)、跨機(jī)構(gòu)檢查影像共享、智能病理診斷系統(tǒng)等技術(shù)的深度整合，現(xiàn)代醫(yī)療信息化體系正逐步實(shí)現(xiàn)多學(xué)科資源的實(shí)時(shí)交互與協(xié)同應(yīng)用。通過(guò)構(gòu)建覆蓋診療全流程的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，不僅實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)結(jié)果、醫(yī)學(xué)影像和病理數(shù)據(jù)的云端同步與即時(shí)調(diào)閱，更促進(jìn)了不同學(xué)科醫(yī)療資源的深度融合與持續(xù)完善。這種立體化的信息協(xié)作模式為多學(xué)科聯(lián)合診療提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，使跨地域、跨層級(jí)的遠(yuǎn)程協(xié)同會(huì)診得以突破時(shí)空限制，推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療向更高層次的智能化診療邁進(jìn)。第四，遠(yuǎn)程手術(shù)平臺(tái)在野戰(zhàn)外科中的應(yīng)用。我軍多軍兵種聯(lián)合作戰(zhàn)的特殊屬性，決定了衛(wèi)勤保障需在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與未知風(fēng)險(xiǎn)中實(shí)施快速精準(zhǔn)的傷病救治。作為戰(zhàn)創(chuàng)傷救治體系的核心環(huán)節(jié)，遠(yuǎn)程手術(shù)平臺(tái)通過(guò)模塊化部署、智能化協(xié)同與動(dòng)態(tài)化優(yōu)化，將多學(xué)科專家會(huì)診、復(fù)合傷同步處置及智能手術(shù)輔助等功能延伸至戰(zhàn)斗前沿，能夠大大提前戰(zhàn)傷救治時(shí)間窗口、提高救治效率、保存戰(zhàn)斗力[45]。

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