焦伟　牛海涛

｛青岛大学附属医院泌尿外科｝

李建民

｛天津大学机械工程学院｝

张昕

｛中国移动通信集团山东有限公司青岛分公司｝

远程手术是在先进的通信技术支撑下，借助机器人手术系统远距离为患者施行治疗的手术方式，具备远程呈现与人机交互功能，一般包含外科医师、机器人手术系统、网络支撑、安全保障措施等节点［1］。医师根据反馈的视觉、触觉、听觉等信息，结合手术需求进行操作输入，并在远端由机械臂复现医师手术动作，达到治疗的目的。近年来，国内外对远程手术开展了一系列研究，其在多个学科得到了发展及应用。我们结合已开展的远程手术临床经验，从未来可能的应用场景入手，分析远程手术发展中的问题并提出解决方案，以期促进远程手术发展和远程机器人手术系统的优化。

1.远程急诊手术：2001年，Marescaux等［2］在美国纽约为远在法国斯特拉斯堡的1例患者实施了远程腹腔镜胆囊切除术，即“Charles Lindbergh手术”，该手术横跨大西洋，验证了远距离下为患者实施手术治疗的可行性，并证明在某些特定场景下，远程手术可作为一种治疗选择。我们在前期模拟训练和动物试验基础上，开展了一系列远程泌尿外科手术临床研究（器临伦审批件号：QYFYEC 2020-012-01），目前已经完成肾癌根治性切除、膀胱癌根治性切除、肾上腺肿瘤切除等复杂远程手术50余例，均取得成功，进一步佐证了远程手术的可行性。

在目前已有的研究中，远程手术主要选择需要行择期或限期手术的患者，而急诊手术相关研究较少。随着网络时延和数据传输功能的不断优化，急诊手术也将成为远程手术的重要应用场景。远程急诊手术可节约患者的转运时间和术者的差旅时间，在目前中国医疗资源分布不均及疫情防控的背景下，远程急诊手术在降低患者转运过程中的风险、缩短患者就医时间、降低疫情传播风险、提高患者医疗质量4个方面具有明显的优势。

2.远程高难度、高风险手术：远程手术可实现通过多个控制系统对同一患者进行手术，既可以采用相同的操作通道同时进行多个邻近器官的手术，还可以由不同中心的手术医师联合进行手术操作［3, 4］。这种“多对一”的手术模式可以为病情复杂、需要多学科会诊的患者提供新的治疗选择。此外，目前远程机器人手术系统的机械臂自由度高，数据处理稳定，可以顺利完成高精度操作，这也为复杂手术的开展奠定了基础。远程手术团队成员除了应达到远程手术医师及护理人员的准入标准之外，还应具备强大的心理素质，拥有处理术中突发情况的丰富经验，同时患者端助手也应具备处理突发事件的能力。未来远程手术的相关法律法规有助于保障医患双方权益，提高远程诊疗模式的知晓度。因此，高难度、高风险手术有望成为远程手术的重要应用场景之一。

3.新模式的构建：远程手术的发展必将催生全新的医疗模式，重点集中在以下两个模式。（1）新型区域医疗中心帮扶模式。以远程手术为代表的远程医疗可以打破地域的空间限制，专家可以借助网络平台开展各种形式的在线培训，甚至可以实现“手把手”式的操作辅导，更大范围地提高基层医院医疗水平。（2）标准化远程手术体系的建立。随着技术的不断进步和对远程手术的需求不断增长，未来必将催生更加便携的设备、更加灵活的通信方案、更加成熟的远程医学团队及更加普适的远程操作流程，为远程手术最终发展成为新型常规医疗模式奠定基础。

（一）网络支撑相关问题

1.网络时延：远程手术的发展需要配套的远程网络系统。据统计，医师可以接受的机器人手术系统操作的最大综合时延为330 ms；而从机械臂运动性能及复杂手术操作有效性的角度考虑，200 ms以内的综合时延是远程手术顺利开展的理想状态［5］。

2007年，Nguan等［6］应用IP-VPNe网络对雌猪进行机器人系统辅助腹腔镜肾盂成形术，时延为510 ms，存在较大的操作延迟，尚无法满足远程手术需求。2015年，原二炮总医院李爱民团队应用第4代移动通信技术联合机器人手术系统完成远程动物实验，平均手术时延为约250 ms，系统双向总时延最大为302.6 ms［7］。2018年12月，解放军总医院刘荣团队首次应用第5代移动通信技术进行动物实验，顺利完成猪的肝楔形切除，医师操作至远程机械臂动作完成的平均时延<150 ms［8］。2021年5月，我院团队采用确定性网络完成远程手术，双向网络传输时延<15 ms［9］，证明了现有网络支撑条件可进一步优化，进而可作为极具潜能的未来远程手术组网方案之一。

未来，中低轨道卫星系统有望实现全球无盲区覆盖。该系统由多个卫星构成，采用低轨星座网络架构，可进行实时信息处理，通过卫星网络与地面网络相互融合提供网络信号［10］。与传统网络相比，该系统中的信息不必传回地面处理，避免了二次业务分配，可进一步降低通信时延［11］。基于此网络技术，远程手术可以继续拓展至无法接入地面网络的地区及特殊场景，实现远程手术应用场景的不断扩大。

2.数据传输：网络时延主要取决于传输距离和数据传输所经过的物理链路，受到经过的路由器个数和各路由器的处理时间的影响。固定传输节点的传输路线和路由线路通常是一定的，但网络存在共享性和竞争性，路由器处理时间和处理任务是变化的，且不同时刻数据包在路由器上的等待时间和处理时间也是变化的，会产生数据包乱序、延迟等问题。因此，为满足手术操作的严苛要求，建议采用专用网络并通过时延补偿和滤波来解决数据传输波动，确保机器人手术系统运行稳定。

2015年，李爱民团队应用第4代移动通信技术开展的动物实验中丢包率（传输中丢失数据包数量占发送数据包数量的比例）约为4%［7］。手术安全对数据的准确性和完整性要求极高，核心关键的数据不允许丢包；而目前尚无通信网络能够确保零丢包。这种情况下，手术机器人患者端需要增加判断数据是否完整的检验模块，并根据丢失的数据类型，自动作出信息提示、中止运动或锁定机械臂等反应［12］。

为了实现网络状态的可视化，我团队改进了延迟监测软件（Ping Delay软件），使其不仅能够以图像形式实时反映网络延迟，并且在瞬时延迟增大超过设定的阈值时发出警报，预警手术医师，为远程手术的顺利实施增加了安全保障［9］。远程手术的顺利实施，对网络性能要求很高，建议采用专线或独享网络空间的形式，目前第5代移动通信技术的切片技术能够在一定程度上实现网络资源的独享，但在带宽、时延、稳定性等方面仍需要采取手段，不断提升。

（二）机器人手术系统相关问题

1.机械臂自由度：机器人手术系统性能的稳定性、可植入的远程通信系统、配套的远程网络系统是远程手术成功实施的3大要素［13］。就机器人手术系统而言，应最大程度提高机械手的自由度和稳定度，降低信息处理过程中的延迟和数据丢失，以满足远程手术对机械臂操作复杂性、精准性和稳定性的要求。宙斯机器人手术系统的机械臂自由度较低，仅能完成较简单的远程操作［14］；达·芬奇机器人手术系统的机械臂拥有7个自由度，可以完成更复杂的远程操作［15］；我国自主研发的“妙手”机器人手术系统在拥有7个自由度基础上，采用器械解耦设计和位姿分治的控制策略，降低了远程手术中联动关节的数量，更大程度提高了远程机器人手术系统主从操作协同性、精准性和稳定性［16, 17］。微创机器人手术系统采用了较多的丝传动设计，由弹性变形和传动间隙造成的反向迟滞也是造成机械臂操作延迟并影响操作精度的重要因素。这一影响可以通过控制器中的间隙补偿算法来消除。

2.机器人手术系统数据处理：目前远程机器人手术系统的固有时延（包括机械臂的机械反应延迟、内窥镜成像与图像处理延迟，以及视频编解码延迟）尚无法降低，是限制远程手术普及推广的主要原因；提升机器人手术系统的数据处理能力遂成为突破点［18］。远程手术的数据处理涉及对精细动作的捕捉，以及对组合式动作的合理再现。处理系统需要通过学习术者的动作，读取术者意图；不仅是“依葫芦画瓢”，更要知晓操作的目的。从该角度着眼，人工智能和机器学习（对手术视频进行学习）未来有望在数据处理方面有其用武之地。

为了克服固有时延的影响，可以从图像传输处理及机械臂力反馈两方面入手。采用高速图像处理芯片可以提高机器人手术系统图像传输处理能力。力反馈是目前传统机器人手术系统发展的主要方向之一，但由于高透明性的力反馈一般需要交互频率>1 kHz，受网络时延的限制，该功能的实现面临较大的挑战。除此之外，机器人手术系统应具备完善的安全保障程序，基于通信传输建立医师操作台和患者操作台的安全处理机制。如通信发生意外，如网络出现连续丢包现象，两端的远程控制箱将会立即停止双向信号传输，两端操作台全部关节处的抱闸立即启用，使机械臂停止全部动作，同时发出报警信号并进入待机状态，从而保障远程手术的安全。

（三）手术医师及团队相关问题

传统机器人手术与远程机器人手术存在较大区别，加之网络时延对手术过程的影响，手术医师在实施远程手术前需接受大量不同时延条件下的模拟训练［19］。2014年，Xu等［5］提出不同时延条件下手术医师远程操作的模拟方案；此外再无远程手术医师准入标准和手术室护理人员相关考核标准，这也是远程手术发展中需要解决的问题。

传统机器人手术可以减轻医师的操作负荷，降低心理压力，但远程手术中缺乏与患者的直接接触，难以及时获取全面的手术信息，术者往往需要克服更多的精神心理因素带来的影响，因此，也需要制定统一的远程手术医师心理量表对其心理状态进行评估和干预［20］。

远程手术操作助手应接受充分的机器人手术系统本地及远程环境下的操作培训。除手术操作外，助手还需熟悉系统的操作模式及操作规范，能够及时知晓系统反馈的各项运行状态提示的含义，能够准确地根据手术要求对系统进行干预，确保远程手术安全。远程手术对仪器、通信设备等要求区别于传统手术，安全保障措施必须纳入团队的整体规划中。助手还应熟悉系统连接、设置及测试的各项流程，保证机器人与各模块之间的连接准确、可靠；应掌握远程手术前对系统进行全面测试的能力，涵盖机械、通信、控制、运动、传感等各个方面，这样才能多层次多角度保障远程手术的实施安全有效。

（四）制度保障相关问题

发展远程手术不仅需要技术层面的支持，还需要满足伦理与法律方面的要求。远程手术相关的制度保障主要体现在两个方面［21］。首先，从国家发展的全局角度出发，亟待完善能够同时保护患者和医疗团队的相关法律法规；其次，实践操作中需要软硬件的支持，包括标准化流程、远程设备的运输和存放、专业人员的配备等。

任何形式的手术干预均需要相应政策法规来保障医患双方的权益。在把握远程手术指征，避免过度医疗方面，不同国家及地区的相关法律法规有着较大区别［22］。例如，医师方面，芬兰、法国和德国不支持医师匿名提供远程医疗服务；患者方面，芬兰和意大利不允许患者匿名接受远程医疗服务，而比利时、法国和德国则允许。不同国家及地区政府基于本地医疗实际制定相关法律及诊疗标准，也有利于学界广泛而深入地开展远程手术模式的探索。

远程手术的最终目的是为患者去除病痛，应以患者为核心，衡量远程手术的风险及患者获益，警惕远程手术成为医师获利的手段［23］。目前，远程手术尚处于临床试验阶段，在医患沟通模式和患者整体评估如手术难易程度、预计手术时间、出血量、术中关注点等方面，尚未形成指导原则或专家共识，患者和基层医师对远程手术抱有疑虑。我们认为，在远程手术尚处于发展起步阶段的现在，将其应用场景严格限定在一些特殊场合，未必不是对该领域发展前景的保护。

尽管目前远程手术在多个学科取得了初步应用成效，但包含远程手术的医疗新模式要实现普及推广，尚需技术、政策法规等诸方面的协同推进。发展远程手术时要树立底线意识，警惕其变成个体的“炫技”。此外，在基本医疗已实现覆盖的今天，远程手术作为远程医疗的延伸，应致力于参与医疗卫生工作重心下移，推动优质医疗资源更精准、高效下沉。以患者为中心，顺应发展潮流，才能在迎来新的发展机遇的同时，切实造福广大患者。

题图  via  周吉荣《贵州“天眼”》