遠程手術的發展歷史及現狀

編者按 近年來，機器人手術系統在泌尿外科、婦科、胸外科、普外科、骨科等領域的應用日益深入，其在小兒外科、耳鼻喉科、口腔科、血管外科等領域也已積累了大量的臨床經驗。隨著5G技術、虛擬現實技術（VR）、增強現實技術（AR）等高新技術的發展和應用，遠程機器人手術也在持續開展并已取得階段性進展。

然而，機器人手術自面世起就面臨著諸多爭議，如技術安全、責任認定、患者隱私泄露、醫學倫理等問題；另一方面，機器人手術的治療效果是否明顯優于傳統腔鏡手術仍缺乏循證醫學證據。與傳統開放手術和腔鏡手術相比，機器人手術的優缺點究竟如何？目前機器人手術在各學科的應用處于什么階段？機器人手術的未來前景如何？這需要從事機器人手術臨床工作的各位專家、同仁共同探討和論證。

摘 要 遠程手術是一種新興的手術模式，通過利用先進的手術機器人及網絡技術，允許外科醫生對距離較遠的患者進行手術。遠程手術系統不僅有利于改善目前高水平外科醫生短缺的現狀，而且還可以消除地理障礙，為患者帶來及時、高質量的手術干預，減輕患者經濟負擔、減少并發癥和遠距離就醫的苦惱。本文主要就國內外遠程手術的發展歷史及現狀展開一系列介紹，并對遠程手術的發展前景進行展望。

關鍵詞 遠程手術；手術機器人；組網方案

中圖分類號 R608 TN711.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-7721（2022）05-0343-08

History and current situation of telesurgery

TIAN Dongxu， NIU Haitao

（Department of Urology， the Affiliated Hospital of Qingdao University， Qingdao 266000， China）

Abstract As a new surgical system， telesurgery enables surgeons to perform surgeries on patients from long-distance by using advanced robotic surgical technology and network technology. Telesurgery could not only help to solve the problem of shortage of high-level surgeons， but also eliminate geographical obstacles with timely and high-quality of surgical intervention， reduce complications， relieve economic burden and distress of patients from long-distance. The history and current situation of telesurgery at home and abroad are reviewed in this paper， and future development of telesurgery is prospected.

Key words Telesurgery; Surgical robot; Networking scheme

遠程手術是指醫生與患者位于相距較遠的地理位置，醫生借助手術機器人、網絡技術及虛擬現實技術等為患者開展手術的新興醫療方式[1-2]。其中醫生所在的操作中心被稱為手術端，患者所在手術室被稱為患者端。遠程手術的設想最早是為了在戰爭時期給后方醫院創傷患者提供快速、高質量的手術治療[3]。由于當時機器人技術和網絡技術等水平有限，相關的研究進展緩慢。當前，由于現代醫療資源分配不均衡及特殊地區的限制導致很多患者失去了最佳手術機會，目前新冠疫情全球大范圍流行也進一步阻礙了遠距離就醫，這導致患者對遠程手術的需求也不斷增大。遠程通信技術及手術機器人技術的發展使遠程手術的設想逐步成為現實，并已經使部分患者獲益。

國外遠程手術在20世紀90年代已步入正軌，經過數年的摸索創新，最終在2001年成功完成真正意義上的遠程手術[4]，并進入現代化遠程手術探索階段。國內遠程手術雖研究較晚，但發展迅速，并迅速建立起適合中國國情的遠程手術模式，為后期5G遠程手術積累了豐富的經驗。如果說國外遠程手術自2001年進入遠程現代化，那么，5G網絡的誕生則可視為中國遠程手術現代化的標志性創新。

1 國外遠程手術發展歷史

美國作為醫療水平相對發達的國家，在遠程醫學領域研究較早，在進入遠程手術正式研究之前就已經進行了多家醫院的遠程會診、遠程視頻醫療教育等基礎研究。20世紀90年代以來，外科手術的遠程醫療發展迅速，并有大量研究結果被報道。第一個關于遠程手術的實時遠程會診于1992年被報道，其在手術過程中應用標準電話專線網絡進行病理切片之間的傳輸并由遠程病理學專家給予實時病理診斷，但由于當時網絡技術及醫療水平有限，35例病例中僅有37%的診斷幫助率[5]。同年，Satava R M等[6]使用SRI遠程操作系統直接控制機械針尖的運動來完成部分操作，并基于此操作系統開發了目前著名的達芬奇機器人[7]，這是遠程手術機器人的開始，也是遠程手術從現場到遠程操作的轉折點。

有學者于1994年在美國馬里蘭州開展了泌尿外科遠程手術指導[8]，在手術室所在醫院建立遠程站點，醫生端與患者端相距約1 609km，手術中所有組件之間連接到手術室中信號源，手術系統中添加一個開關用以控制組織切割及止血，在這種初始遠程手術設備下完成了32次簡單手術操作，但遠程手術發展中的關鍵問題并未得到解決，即兩站點之間手術關鍵數據的傳輸問題。針對該關鍵問題，Kavoussi L R及其團隊在1996年嘗試性進行了7例遠程手術的基礎操作[9]，應用區域網網絡線路，以1.5Mb/s的帶寬在約5.6km以外的站點完成手術中切割、止血等操作，并進行了術中音頻、視頻、操作指令及必要數據的傳輸，這項研究中確定了遠程手術的幾個關鍵特征，即高質量的音頻、視頻傳導。

在上述研究的經驗下，Kavoussi L R團隊在1998年嘗試進行跨洲距離的遠程腹腔鏡機器人指導手術[10]，分別指導位于約8 047km、14 484km及17 703km外的年輕醫師完成了不同的泌尿外科手術，通過綜合業務數字網絡進行數據間的傳輸，網絡延遲約為1s，帶寬約為384kb/s。盡管這項研究中存在地理位置、網絡技術水平有限等限制，但在遠程手術指導下手術均順利完成。隨后，該團隊應用相同網絡技術，在位于7 242km以外的意大利進行了經皮腎穿刺操作[11]，應用一種專門研發的機器人系統，在平均20min內完成腎臟穿刺。

除泌尿系統手術外，普通外科的其他手術如疝修補術等因操作相對簡單均成為遠處手術中研究重點。1999年，Cubano M A團隊[12]嘗試將航空母艦戰斗群與其他設施相連，計劃完成5例遠程腹腔鏡疝修補術的指導手術。該研究在當時挑戰性應用國際航空站的網絡通信，雖然網絡延遲并未達到理想結局，但顯示出國外在不停發掘遠程手術中組網方案的潛力，為以后的遠程手術奠定了基礎。

20世紀90年代，在不斷探索遠程手術的基礎上，國外部分國家已掌握了遠程手術中的關鍵技術，由最初的遠程簡單操作到遠程手術系統基本成形，并開始不斷嘗試真正意義上的獨立遠程手術，且于2001年完成了第一個真正的遠程外科手術，即著名的“Charles Lindbergh手術”[4，13]。

接受手術的患者是一名在法國斯特拉斯堡的68歲女性膽囊結石患者，而外科大夫在距離7 000km以外的美國紐約進行手術。手術中應用了一種特殊的專線網絡進行信號之間的傳遞，手術中數據傳輸穩定，操作信號及影像信號傳輸流暢，網絡時延維持在較低水平。這是遠程手術的一個里程碑，驗證了遠程手術技術的可行性。

2 國內遠程手術發展歷史

中國醫療資源分布不均，高水平外科大夫及先進醫療設備基本分布在大中城市，農村及偏遠地區則明顯落后，存在著明顯地域性差別。大量需要手術的患者無法得到高質量、及時的手術治療，因此遠程手術在我國更有發展的必要性。盡管相比于歐美等發達國家，我國遠程手術研究起步較晚，但發展速度驚人，并迅速探索出了適合我國國情的遠程手術發展模式。

在21世紀初期，海軍總醫院利用遠程手術機器人系統為腦腫瘤患者行立體定位活檢手術[14]，完成了我國首次腦外科異地手術；北京積水潭醫院應用主從式機器人手術系統進行遠程骨科輔助手術操作[15]。盡管兩項手術順利完成，但研究中遠程手術系統僅起到輔助定位、影像傳輸作用，無法實現手術醫師靈活無間斷的實時手術操作，手術中影像信號及手術信號的傳輸無嚴格要求，且對網絡時延等必要條件無法嚴格把控。隨后，我國也開始對遠程手術中網絡方案及機器人系統等關鍵因素進行發掘性研究，使遠程手術能夠安全、穩定地完成。2012年12月，北京航空航天大學聯合海軍總醫院成功完成我國首次遠程海上手術[16]，手術通過衛星鏈接網絡將位于北京的海軍總醫院遠程中心的醫生端及位于太平洋海域的患者端建立通訊聯系，應用BH-7機器人系統完成手術，然而，衛星通信信號網絡延遲的不確定性和數據丟包率等問題成為該研究的最大問題，遠遠不能滿足遠程手術要求。

4G 網絡通信的發展，推動了我國遠程手術歷史發展，其網絡穩定性優于衛星通信。2015年，國產“妙手S”手術機器人借助10Mb/s帶寬商用網絡，完成了約170km的遠程無線動物實驗，實驗中應用當時熱門4G網絡，平均手術延時在250ms左右，系統雙向總延時最大為302.6ms，丟包率約為4%[17]。雖然整個實驗較為成功，但4G網絡的窄帶寬及高時延仍限制了遠程手術的臨床應用及推廣。4G網絡方案即目前5G無線網絡的起源，雙側網關通過4G通信方式接入互聯網。當多個用戶發生業務關系時，信息流通過互聯網到達對方設備。由于數據流要經過4G和公網兩個瓶頸的制約，與其他用戶數據流共享公網帶寬，當4G信號較弱和公網資源不足時，實際可用帶寬就會下降。因此，此種組網方式的帶寬穩定性較差，會對雙向視音頻交互應用產生不利影響。該組網方式也僅僅是在該網絡剛剛產生時用在動物實驗中，隨后即被其他組網方案迅速取代。

3 國外遠程手術現狀

自2001年完成真正意義上遠程手術后，國外遠程手術的研究進入現代化遠程手術探索模式。雖然“Charles Lindbergh手術”中報道信號傳輸穩定、網絡延時較低，但前期準備工作中鋪設的海底電纜專線耗資巨大，人力、物力花費過多，準備周期過長，因此國外現代化遠程手術的重心主要在于網絡方案及機器人的改良。

自2003年起，Anvari M團隊[18]于漢密爾頓在相距400km的教學醫院及農村醫院之間建立了遠程機器人手術系統，協助當地醫院的外科醫生完成腹腔鏡手術。截至2005年，這項研究共計完成了21例遠程手術，建立了世界首個為農村社區服務的遠程機器人系統。該系統應用IP-VPNe網絡（互聯網協議-虛擬私人網絡），將兩家醫院的Zeus機器人系統連接，21例手術均以較低時延完成，患者術后恢復良好。但該研究主要是建立一種遠程手術指導系統，探索遠程手術中網絡時延的優化，遠程醫生卻不能獨立地完成整個手術操作。

在2007年，Nguan C Y等[19]對18例雌豬分別在實時手術、IP-VPNe網絡和衛星鏈接三種情況下進行了機器人輔助下腹腔鏡下腎盂成形術，研究發現遠程手術盡管存在網絡延遲和波動，但與實時手術相比，進行遠程腎盂成形術是可行的，而不會顯著延長手術時間或影響手術結果。衛星鏈接網絡利用人造地球衛星作為中繼站來轉發無線電波，進而實現醫生及患者端之間的互聯互通，具有覆蓋范圍廣，地域限制小，組網方便迅速，便于實現全球無縫鏈接等眾多優點。但其缺點在這項研究中也很明顯，即音視頻、數據的傳輸會有約600ms的延時，這會嚴重影響手術流暢性。

前期大多數遠程手術研究都試圖尋找一種合適的網絡布置，以保障遠程手術低時延、高質量地進行，但卻很少有研究明確具體多少時延可能會影響手術順利進行。直至2014年，才有諸多關于時延數值對手術開展研究的報道。XU S等[20]將16名醫學生采用盲法隨機分配至0～1 000ms的時延組中，采用機器人模擬系統進行解剖等練習，記錄模擬手術中不同時延下手術難易程度、安全性、精確性等指標。最終研究結果顯示，在200ms以下的時延為遠程手術理想狀態，但300ms以內不會影響手術順利完成，更高的網絡時延則會影響手術的安全性、精確度，甚至無法進行操作。這項研究為遠程手術中網絡方案選擇提供了參考，目前國內外諸多遠程研究也多以此結論作為網絡選擇的標準。

自2019年起，國外諸多研究開始嘗試將5G網絡應用到遠程手術中，并得到滿意的結果。首先是Lacy A M團隊[21]應用5G網絡對患者端年輕醫生進行遠程手術指導，雖然在遠程指導下手術順利進行，但這并未完全開發出5G網絡在該領域的潛力。在此研究基礎上，Acemoglu A等[22]報道了其團隊應用5G網絡對距離15km外的解剖實驗室中一具尸體進行了機器人聲帶手術，最終手術以140ms的平均網絡時延順利完成，這項研究表明5G網絡的低延時、高帶寬特點是遠程手術的關鍵技術，可作為未來遠程手術的網絡發展方向。

4 國內遠程手術現狀

5G網絡商用化是我國遠程手術進入現代化的標志，其低時延、高帶寬、高移動性的特點能夠滿足遠程手術實時性、高效性及穩定性的需求，從而推進了國內遠程手術研究熱潮。2018年12月，中國人民解放軍總醫院應用國內自主研發的手術機器人在福州順利完成5G遠程手術動物實驗[23]。醫生端遠程控制機械臂和鏡頭臂，切除部分豬肝臟，術中高清3D影像及聲音傳輸實時、穩定，機械臂操作靈活，主從一致性良好，兩端之間單程平均時延小于150ms。2019年9月，全軍肝膽外科研究所完成全球首例多點協同5G遠程多學科動物實驗[24]，實驗中網絡時延穩定，手術操作流暢，術中動物生命體征平穩。此次多點協同遠程機器人手術試驗使得位于北京及蘇州的兩位醫師通過遠程操控機械臂對實驗動物實施了胃腸切除和肝切除。該項實驗打破了以往傳統醫患單點會診及手術模式，為患者提供多學科遠程會診及治療選擇，實現了遠程手術中多學科合作診治的重大創新。

現階段我國遠程手術的發展不僅僅應用在動物實驗模型中，同時也實現了醫生為患者遠程實時不間斷手術的改革。2019年3月，中國人民解放軍總醫院完成了世界首例5G遠程人體手術[25]，位于三亞的1名醫生通過遠程控制機器人對北京患者進行了遠程帕金森“腦起搏器”植入手術，這是我國5G遠程手術走向世界的重要一步，對國內遠程手術發展具有重要指導意義。同年，北京積水潭醫院通過5G網絡系統對12例患者施行機器人輔助胸腰椎椎弓根螺釘置入，同時該研究還同時對山東、江蘇患者實現“一對多”同時治療，證實了中國境內5G網絡在遠程手術中的可行性及發展潛力[26]。

國內遠程手術進入5G模式后發展迅速，并由單中心、少樣本的探索模式向多中心、大樣本的臨床研究模式轉型。2020年9月，青島大學附屬醫院牛海濤團隊在動物實驗中應用5G無線網絡進行了4次超遠程腹腔鏡手術[27]，包括機器人輔助下腹腔鏡左腎切除術、部分肝切除術、膽囊切除術和膀胱切除術。結果初步證明，即使在超遠程距離下，借助5G無線網絡的支持，遠程手術可以安全、順暢地進行。在此基礎上，該團隊在山東省內多家醫院為患者實施遠程腎臟、腎上腺切除手術超過50例，并在逐漸擴大遠程手術范圍，5G網絡低時延、高帶寬的優點為遠程手術提供了通信保障。

目前已有多種網絡技術被應用到網絡線路中來維持手術的穩定性，其中多鏈路聚合傳輸技術是目前遠程手術中較為成熟且廣泛使用的網絡技術[28]。多鏈路聚合技術保證了遠程手術的數據傳輸能力，即高寬帶特征。在傳統的鏈路層之上增添了一個虛擬層，該虛擬層實現了對數據幀的分發，這些數據幀通過輪轉算法被分發到各條鏈路中，實現了將多條物理鏈路的傳輸帶寬進行聚合，從而實現在同一個終端上帶寬疊加的高速傳送效果。應用程序和物理設備能按照原來的方式繼續工作。多鏈路傳輸和單鏈路傳輸可以并存，可以按照應用的實際需求選擇多鏈路傳輸或者是單鏈路傳輸，具有較強的靈活性。作為組網方案的輔助技術，其為遠程手術的未來發展提供了保障，特別是在5G網絡普及之后擁有很大發展潛力。

5 遠程手術發展方向

根據目前國內遠程手術發展現狀及術中存在的問題來看，未來遠程機器人手術的發展主要包含三個方面：①創新網絡傳輸技術，保障遠程手術穩定性、安全性。遠程手術信號傳輸系統由最初階段的區域網網絡線路、IP-VPNe及衛星鏈接網絡等發展至現階段專線網絡、無線5G網絡，大幅度改善了傳統遠程手術中的高成本、高時延、穩定性差等缺點。現階段5G通信技術具有高帶寬、低時延等優點，滿足了遠程手術的基本需要，促進了遠程手術的發展，這充分說明了網絡傳輸技術在遠程手術中的重要性。而未來組網方案的不斷創新也是遠程手術推廣中的重要方向之一。②手術機器人系統優化。手術機器人系統需要精確的運動控制系統和力反饋技術。當外科醫師在實施遠程手術時，手術機器人系統將外科醫師在控制臺上的運動精確地轉換為機械臂的相應運動，從而模仿外科醫師的自然手部運動進行操作。通過機械臂的反饋信息，外科醫師可隨時調整自己的手部操作，從而精確地完成手術。但是機械臂的力反饋并不能像傳統手術中那樣精確，還可能會造成誤差，因此更為先進的觸覺反饋技術、觸覺機器人及人工智能技術可有效改善機器人手臂的力反饋，提高遠程手術的精確度。③機器人自主手術能力研發。在戰場、災難現場等危險手術環境中，往往存在醫護人員犧牲情況，而一名合格外科醫師的培養需要耗費巨大的人力和時間成本，機器人自主手術能力的研發可保障危險環境中醫護人員安全。除了軍事環境及災害場所，深海和航空航天環境下的醫療資源有限且環境不穩定，不適合醫務人員進行手術操作。但具有獨立手術能力的遠程機器人則可在緊急情況下克服一定程度的環境波動進行手術操作。

6 遠程手術發展的局限性

盡管網絡技術的發展使得手術延遲大大降低，遠程實時手術突破了最重要的數據實時傳輸問題，但在技術領域之外仍存在諸多實際問題限制著國內遠程手術的推廣。

首先，對于遠程手術設備的監管及手術醫師的執照問題存在明確的規章制度，不同國家針對該技術的法規并不相同，而要建立一個具體可行的行業標準需要大量的人力和時間成本。

其次，網絡安全性及信息保密性是遠程手術推廣必不可少的重要環節。網絡攻擊可引起嚴重的觸覺反饋修改、手術時間延長，甚至使手術機器人完全失去控制，從而導致患者受到傷害。盡管目前遠程機器人系統在端到端加密及身份驗證技術保障下尚未發生嚴重的網絡攻擊，但仍需開展更多安全措施以保證手術安全及信息保密。

成本問題也是遠程機器人和遠程手術應用及推廣的重大障礙。目前國外使用的專線網絡技術多采用電信光纖進行，雖然在多個國家都有此類光纖，但大多數醫院都未配備該光纖。據估計，僅網絡線路開發成本就高達150 000美元，而購置遠程機器人手術系統則是一筆更加昂貴的開支，這嚴重限制了其在貧困地區醫院的推廣，后續的線路檢修、機器維修等各種費用的支出也需要費用分配及報銷制度的完善。

最后，倫理、責任問題在國內遠程手術推廣之前也需明確。如果出現并發癥，如何建立現場應急搶救小組，如何明確職責并分配給遠程指導員、遠程外科醫生及系統維護人員；在面對國際患者時，如何處理國際患者及外科醫生關系；患者及家屬是否要被告知網絡安全存在的隱患并自愿承擔風險等。目前遠程手術機器人在國內仍處于初步發展階段，其技術發展和面臨的相關問題尚需不斷探索。相信隨著機器人手術技術的完善及網絡信息的發展，遠程機器人手術時代將會到來，同時促使該技術廣泛應用于臨床并造福人類。

7 展望

隨著機器人技術的不斷創新及網絡方案的優化，以及患者對遠程手術的需求增加，尤其是在新冠疫情封鎖隔離現狀下，遠程手術已由科幻傳說進入現實生活中。盡管現階段遠程手術仍局限于設備齊全、安全穩定的手術環境中進行，但海上環境、戰場環境、太空環境等復雜情況下的研究也在進行中，對網絡及機器人手術系統等也提出了新的挑戰。相信在不久的將來，隨著5G網絡普及化，廣大患者可以選擇遠程手術進行就診治療，不僅是普通地區患者，在偏遠貧窮地區及疫情封鎖地區的患者也可以跨越地域限制，選擇自己信任的醫生進行手術治療，提高手術滿意率。

遠程機器人手術技術作為21世紀新興的突破性技術，憑借先進的實時傳輸技術和機器人手術系統被諸多國家列為重大研究項目。且人工智能作為我國戰略發展計劃，具有巨大發展潛力，而自主手術能力的開發作為手術機器人發展方向之一，受到廣大研究者的重視。手術機器人替代外科大夫進入眾多危險環境獨立完成遠程救治工作，在國防軍事、重大災害、未來戰場及航空航天等領域發揮了重大作用。相信隨著遠程手術量的不斷增多，遠程手術經驗及數據得到豐富后，能夠自主完成遠程手術的機器人系統將得到進一步發展。

影像傳輸及視野呈現作為遠程手術中關鍵環節之一，也在不斷創新和應用。在保障清晰度的前提下，影像傳輸的數據處理速度也決定著遠程手術中時延大小及手術順利程度。遠程手術中數據轉換離不開臨場感系統，該系統當前發展方向是將術中圖像與患者的3D模型結合，并與虛擬/增強現實成像相結合，從而實現遠程3D視野下的手術，為術者提供各角度的高清視野。

目前遠程手術推廣存在諸多困難，如在國家層面缺少對遠程手術相應法律及法規以保障醫患雙方權益，傳統就診方式觀念根深蒂固而使患者難以接受新型診療模式，遠程手術費用目前尚無統一定價等。但相信隨著遠程手術體系不斷成熟，人們對遠程手術的認識及接受度增加，國家對遠程手術體制不斷完善。在不久的將來，遠程手術可以極大地提升治療滿意率并使廣大患者獲益。

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