遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)研究進(jìn)展

韓曉光，張琦，何達(dá)

(1.北京積水潭醫(yī)院 脊柱外科，北京，100035；2.北京市骨科機器人重點實驗室，北京，100035)

遠(yuǎn)程醫(yī)療是指通過網(wǎng)絡(luò)使醫(yī)生為異地患者進(jìn)行遠(yuǎn)程診治的一種醫(yī)療形式，具有諸多優(yōu)點，如緩解醫(yī)療資源不均衡，為邊遠(yuǎn)地區(qū)提供高質(zhì)量的醫(yī)療服務(wù)等。 醫(yī)用機器人技術(shù)是醫(yī)療領(lǐng)域“新技術(shù)革命”的典型代表，通過機器人輔助提高手術(shù)的精準(zhǔn)性和安全性[1]。隨著手術(shù)機器人技術(shù)的出現(xiàn)和成熟，遠(yuǎn)程機器人輔助手術(shù)成為研究的熱點，但自2001年開展首例遠(yuǎn)程機器人輔助手術(shù)以來，受到網(wǎng)絡(luò)通信條件的限制,網(wǎng)絡(luò)延遲影響手術(shù)的安全性，遠(yuǎn)程機器人手術(shù)發(fā)展相對緩慢。5G技術(shù)是最新一代的移動通信技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)較大地提高了網(wǎng)絡(luò)的帶寬與傳輸速度,給包括醫(yī)療在內(nèi)的諸多行業(yè)帶來了進(jìn)一步發(fā)展的可能?；?G的遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)(telerobotic surgery based on 5G networks)，是一類以5G通信網(wǎng)絡(luò)為醫(yī)學(xué)信息傳遞載體，采用主從方法，將機器人、虛擬現(xiàn)實和人工智能技術(shù)拓展用于醫(yī)療手術(shù)的遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、遠(yuǎn)程操作和效果評估的遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)新模式[2]。

1 手術(shù)機器人發(fā)展及應(yīng)用

醫(yī)用機器人技術(shù)是集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機械學(xué)、材料學(xué)、計算機學(xué)以及機器人學(xué)等多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域，能夠輔助醫(yī)護(hù)人員完成醫(yī)療診治或健康服務(wù)等任務(wù)，是醫(yī)療領(lǐng)域“新技術(shù)革命”的典型代表，引領(lǐng)醫(yī)療行業(yè)進(jìn)入一個全新的時代。

1.1 國際研發(fā)歷程

醫(yī)用機器人自誕生之日起就受到了廣泛關(guān)注，目前已從早期的研究階段過渡到產(chǎn)品研發(fā)、市場推廣階段。國際上也已經(jīng)出現(xiàn)了以美國Intuitive Surgical[3]、日本的Tmsuk[4]等公司為代表的一系列專業(yè)醫(yī)用機器人公司。其中美國Intuitive Surgical公司研發(fā)的達(dá)·芬奇手術(shù)機器人(Da Vinci)系統(tǒng)是最為成熟和知名的機器人產(chǎn)品，醫(yī)生通過控制臺上一個立體觀察窗口可以看到手術(shù)區(qū)域的高分辨率3D實時圖像，并通過操作手柄來完成對手術(shù)器械的實時控制，主要用于輔助微創(chuàng)手術(shù)，突破傳統(tǒng)微創(chuàng)手術(shù)極限，較大地提高了手術(shù)的精準(zhǔn)性。

1.2 中國研發(fā)歷程

我國醫(yī)用機器人的研究在整體上仍處于起步階段，1997年北京航空航天大學(xué)聯(lián)合中國人民解放軍海軍總醫(yī)院成功研制了用于腦外科的機器人輔助定位系統(tǒng)，并成功開展了臨床應(yīng)用[5]。2004年，北京積水潭醫(yī)院聯(lián)合北京航空航天大學(xué)共同研制了國內(nèi)首臺骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)，為小型模塊化構(gòu)型設(shè)計，在創(chuàng)傷骨科成功進(jìn)行了臨床應(yīng)用[6]。2005年,天津大學(xué)研制了用于腹腔鏡下微操作的“妙手”機器人系統(tǒng)，并成功開展臨床應(yīng)用[7]。中科院沈陽自動化研究所、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院等單位先后開展了脊柱外科手術(shù)機器人的研究工作[8]。2019年11月，上海微創(chuàng)機器人公司研制的“圖邁”(Toumai)腔鏡手術(shù)機器人系統(tǒng)在上海市東方醫(yī)院成功完成機器人輔助腹腔鏡下前列腺癌根治術(shù)[9]。北京理工大學(xué)研制了微創(chuàng)血管介入手術(shù)機器人系統(tǒng)“魯班”，并于2019年12月19日在北京天壇醫(yī)院成功完成了機器人輔助下的全腦血管造影手術(shù)[10]。北京積水潭醫(yī)院與北京航空航天大學(xué)聯(lián)合自主研發(fā)的Tirobot骨科機器人是為數(shù)不多的實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的科技成果，由北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司完成產(chǎn)品化，是國內(nèi)最早獲得 III 類醫(yī)療器械產(chǎn)品注冊證的骨科手術(shù)機器人產(chǎn)品，可廣泛用于脊柱全節(jié)段(頸、胸、腰、骶)、骨盆和四肢等部位的骨科手術(shù)，目前已在全國數(shù)十家醫(yī)院開展臨床應(yīng)用[11]。

2 遠(yuǎn)程機器人手術(shù)發(fā)展歷程

遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)通過應(yīng)用現(xiàn)代通信、人工智能、傳感器等技術(shù)為載體，為異地患者提供遠(yuǎn)程診斷、指導(dǎo)以及手術(shù)的醫(yī)學(xué)模式，能夠快速、高效地輻射優(yōu)勢醫(yī)療資源，緩解我國醫(yī)療資源發(fā)展不充分、不平衡等難題。2001年，MARESCAUX等[12]完成了世界首例遠(yuǎn)程機器人輔助手術(shù)，即著名的“林白手術(shù)”，在美國紐約為法國斯特拉斯堡的患者完成機器人輔助下遠(yuǎn)程膽囊切除術(shù)[4]，驗證了遠(yuǎn)程機器人輔助手術(shù)的可行性，是遠(yuǎn)程手術(shù)的一個里程碑。2003年，海軍總醫(yī)院利用“黎元”手術(shù)機器人系統(tǒng)遠(yuǎn)程為腦腫瘤患者進(jìn)行立體定位活檢手術(shù)[13]。2006年，北京積水潭醫(yī)院利用自主研發(fā)的骨科手術(shù)機器人系統(tǒng)，成功完成遠(yuǎn)程機器人輔助下脛骨骨折髓內(nèi)釘內(nèi)固定手術(shù)，證實了遠(yuǎn)程骨科機器人手術(shù)系統(tǒng)的可靠性[14]。

但遠(yuǎn)程手術(shù)對網(wǎng)絡(luò)傳輸速率要求較高，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由于網(wǎng)速慢，存在延遲等缺點無法保障遠(yuǎn)程手術(shù)的安全開展，5G 網(wǎng)絡(luò)通過“網(wǎng)絡(luò)切片”創(chuàng)新技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)劃分為多個集合，實現(xiàn)端到端的“專用”網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，具備高速率、高可靠、低時延等性能，高速 5G 互聯(lián)網(wǎng)與遠(yuǎn)程手術(shù)的結(jié)合將把當(dāng)前的延遲期從 0.27 s縮短到 0.01 s[15]。這種延遲改進(jìn)可有效解決與遠(yuǎn)程手術(shù)相關(guān)的時間延遲問題。

基于5G的遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)可用于患者異地診療和醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援[16]。

為了開展精準(zhǔn)、安全的5G遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)，需要突破術(shù)區(qū)多模信息實時反饋與精準(zhǔn)解析、適宜遠(yuǎn)程操作的人機交互界面、低延時網(wǎng)絡(luò)安全傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)問題，解決醫(yī)學(xué)信息數(shù)據(jù)規(guī)范和安全倫理問題。隨著5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的快速部署，5G遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)的臨床應(yīng)用和示范推廣呈現(xiàn)加速發(fā)展趨勢。臨床應(yīng)用范圍持續(xù)擴展，臨床新術(shù)式不斷涌現(xiàn)，已涵蓋骨科[17]、腔鏡外科[18]等多個領(lǐng)域。

2019年2月27日，西班牙巴塞羅那醫(yī)療團(tuán)隊通過5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程指導(dǎo)了1例腸道腫瘤切除手術(shù)，被認(rèn)為是世界首例使用了5G 通信的臨床手術(shù)[19]。2019年3月16日，解放軍總醫(yī)院為遠(yuǎn)在解放軍醫(yī)院海南院區(qū)的患者完成首例基于5G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程手術(shù)——帕金森病腦深部電極植入手術(shù)，此類手術(shù)驗證了5G通信在醫(yī)療應(yīng)用中的實時性[20]。2019年6月全球首例機器人多中心聯(lián)合遠(yuǎn)程骨科手術(shù)在北京積水潭醫(yī)院完成。田偉等[21]通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)控制平臺與嘉興市第二醫(yī)院和煙臺市煙臺山醫(yī)院同時連接，為兩位脊柱骨折患者進(jìn)行椎弓根螺釘內(nèi)固定手術(shù)，通過遠(yuǎn)程交替操控兩臺手術(shù)機器人為患者精準(zhǔn)植入12顆螺釘，這是全球首次利用5G技術(shù)多地同步實施的遠(yuǎn)程外科手術(shù)，標(biāo)志著我國5G通信技術(shù)與醫(yī)學(xué)人工智能應(yīng)用結(jié)合達(dá)到了新高度。

遠(yuǎn)程手術(shù)模式持續(xù)革新，從既有的“一對一”主從單點遠(yuǎn)程控制，發(fā)展出了“一對多”“多對一”等網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同模式，不僅實現(xiàn)了一名臨床專家同步開展不同患者(多地)的遠(yuǎn)程手術(shù)，也實現(xiàn)了不同領(lǐng)域臨床專家(多地)協(xié)作診療同一名患者[3]?！耙粚Χ唷边h(yuǎn)程手術(shù)的新概念是基于外科醫(yī)生同時對多名患者進(jìn)行手術(shù)。這是一種讓外科專業(yè)知識可以接觸到更多患者的方式。以前，一對多遠(yuǎn)程手術(shù)的概念在時滯方面有很多限制。得益于高速 5G 互聯(lián)網(wǎng)，它減少了延遲并增加了帶寬，時滯不再是限制。應(yīng)用場景也從常規(guī)臨床遠(yuǎn)程手術(shù)拓展到了公共衛(wèi)生遠(yuǎn)程診療服務(wù)(如：新型冠狀病毒肺炎患者的機器人輔助遠(yuǎn)程超聲診療、遠(yuǎn)程查房等)[19，21]和突發(fā)性醫(yī)學(xué)應(yīng)急救援(如：自然災(zāi)害、空間/戰(zhàn)地等遠(yuǎn)程急救等)[22]。

3 遠(yuǎn)程機器人手術(shù)研究進(jìn)展

作為5G遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)系統(tǒng)的兩大核心功能硬件，醫(yī)療機器人產(chǎn)品和5G通信網(wǎng)絡(luò)日趨成熟和多樣化發(fā)展，為更廣泛地開展5G遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)提供了可能。除了一些技術(shù)初創(chuàng)公司之外，史賽克、微創(chuàng)醫(yī)療等傳統(tǒng)醫(yī)療器械公司和華為、三星等通訊巨頭也開始布局5G遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)產(chǎn)品和應(yīng)用，與之相關(guān)的技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)市場呈現(xiàn)加速增長態(tài)勢。

5G遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)的軟硬件部署成本正在持續(xù)降低，為日常開展遠(yuǎn)程手術(shù)和拓展遠(yuǎn)程手術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域提供了條件。醫(yī)學(xué)人工智能技術(shù)將進(jìn)一步融入5G遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)過程，解決遠(yuǎn)程診療大數(shù)據(jù)的有效信息挖掘和高效數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)倫理和監(jiān)管措施日趨規(guī)范，遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)平臺逐步體系化和標(biāo)準(zhǔn)化?；?G的遠(yuǎn)程醫(yī)療機器人手術(shù)已成為“手術(shù)4.0”(Surgery 4.0)[23]的重要組成，正在推動智慧手術(shù)的持續(xù)性跨越發(fā)展，市場和應(yīng)用前景廣闊。

基于上述問題，在5G遠(yuǎn)程機器人手術(shù)發(fā)展時應(yīng)側(cè)重以下幾個方面：(1)加快制定5G遠(yuǎn)程機器人手術(shù)領(lǐng)域的相應(yīng)監(jiān)管法規(guī)以及臨床指南，使該領(lǐng)域發(fā)展合規(guī)、合法，健康有序發(fā)展。(2)推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，需要積極推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和普及。(3)醫(yī)療信息安全問題也是限制 5G 遠(yuǎn)程機器人手術(shù)發(fā)展的主要原因之一，醫(yī)療數(shù)據(jù)涉及個人隱私和醫(yī)學(xué)倫理，因此，信息安全是醫(yī)療信息化建設(shè)的基本保障。(4)加強醫(yī)工復(fù)合型人才的培養(yǎng)，加強醫(yī)工企合作，解決臨床需求與工程開發(fā)易出現(xiàn)脫節(jié)、創(chuàng)新轉(zhuǎn)化慢的問題；(5)建立國際化的創(chuàng)新平臺和合作機制，實現(xiàn)教育資源和科研資源的最大利用。