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远程医疗机器人手术研究进展

 2022-11-23 17:01:04  来源:123杂志网 

  摘  要: 基于 5G 的远程医疗机器人手术( telerobotic surgery based on 5G networks) 是一 类以5G 通信网络为医学信息传递载体,采用主从方法,将机器人、虚拟现实和人工智能技 术拓展用于医疗手术的远程诊断、远程指导、远程操作和效果评估的远程医学新模式,是远 程医疗中最为重要、最难实现的部分,可有效改善医疗资源不均衡、看病难看病贵等医疗难 题 。但其技术仍需突破术区多模信息实时反馈与精准解析、适宜远程操作的人机交互界 面、低延时网络安全传输等关键技术问题,解决医学信息数据规范和安全伦理等问题。  文 中详细阐述远程手术机器人的发展历程以及主要进展,对其关键技术进行分析,并对其未 来发展前景进行展望。

  

  远程医疗是指通过网络使医生为异地患者进行远程诊治的一种医疗形式,具有诸多优 点,如缓解医疗资源不均衡,为边远地区提供高质量的医疗服务等。医用机器人技术是医疗 领域“新技术革命”的典型代表,通过机器人辅助提高手术的精准性和安全性 [1]  。随着手术 机器人技术的出现和成熟,远程机器人辅助手术成为研究的热点,但自 2001 年开展首例远 程机器人辅助手术以来,受到网络通信条件的限制,网络延迟影响手术的安全性,远程机器 人手术发展相对缓慢 。5G 技术是最新一代的移动通信技术,5G 网络技术较大地提高了网 络的带宽与传输速度,给包括医疗在内的诸多行业带来了进一步发展的可能 。基于 5G 的 远程医疗机器人手术( telerobotic surgery based on 5G networks) ,是一类以 5G 通信网络为医 学信息传递载体,采用主从方法,将机器人、虚拟现实和人工智能技术拓展用于医疗手术的 远程诊断、远程指导、远程操作和效果评估的远程医学新模式 [2]  。

  

  1   手术机器人发展及应用

  

  医用机器人技术是集医学、生物力学、机械学、材料学、计算机学以及机器人学等多学 科为一体的新型交叉研究领域,能够辅助医护人员完成医疗诊治或健康服务等任务,是医 疗领域“新技术革命”的典型代表,引领医疗行业进入一个全新的时代。

  

  1.1   国际研发历程

  

  医用机器人自诞生之日起就受到了广泛关注,目前已从早期的研究阶段过渡到产品研 发、市场推广阶段 。国际上也已经出现了以美国 Intuitive Surgical [3]  、日本的 Tmsuk [4]  等公 司为代表的一系列专业医用机器人公司 。其中美国 Intuitive Surgical 公司研发的达 ·芬奇 手术机器人( Da Vinci) 系统是最为成熟和知名的机器人产品,医生通过控制台上一个立体 观察窗口可以看到手术区域的高分辨率 3D 实时图像,并通过操作手柄来完成对手术器械 的实时控制,主要用于辅助微创手术,突破传统微创手术极限,较大地提高了手术的精 准性。

  

  1.2    中国研发历程

  

  我国医用机器人的研究在整体上仍处于起步阶段,1997 年北京航空航天大学联合中国 人民解放军海军总医院成功研制了用于脑外科的机器人辅助定位系统,并成功开展了临床 应用 [5]  。2004 年,北京积水潭医院联合北京航空航天大学共同研制了国内首台骨科手术机 器人系统,为小型模块化构型设计,在创伤骨科成功进行了临床应用 [6]  。2005 年,天津大学 研制了用于腹腔镜下微操作的“妙手”机器人系统,并成功开展临床应用 [7]  。  中科院沈阳自 动化研究所、中科院深圳先进技术研究院等单位先后开展了脊柱外科手术机器人的研究工作 [8]  。2019 年 11 月,上海微创机器人公司研制的“图迈”( Toumai) 腔镜手术机器人系统在 上海市东方医院成功完成机器人辅助腹腔镜下前列腺癌根治术 [9]  。北京理工大学研制了 微创血管介入手术机器人系统“鲁班”,并于 2019 年 12 月 19 日在北京天坛医院成功完成 了机器人辅助下的全脑血管造影手术 [10]  。北京积水潭医院与北京航空航天大学联合自主 研发的 Tirobot 骨科机器人是为数不多的实现产业转化的科技成果,由北京天智航医疗科技 股份有限公司完成产品化,是国内最早获得 III 类医疗器械产品注册证的骨科手术机器人 产品,可广泛用于脊柱全节段( 颈、胸、腰、骶) 、骨盆和四肢等部位的骨科手术,目前已在全 国数十家医院开展临床应用 [11]  。

  

  2   远程机器人手术发展历程

  

  远程医疗技术通过应用现代通信、人工智能、传感器等技术为载体,为异地患者提供远 程诊断、指导以及手术的医学模式,能够快速、高效地辐射优势医疗资源,缓解我国医疗资 源发展不充分、不平衡等难题 。2001 年,MARESCAUX 等 [12] 完成了世界首例远程机器人辅 助手术,即著名的“林白手术”,在美国纽约为法国斯特拉斯堡的患者完成机器人辅助下远 程胆囊切除术 [4]  ,验 证 了 远 程 机 器 人 辅 助 手 术 的 可 行 性,是 远 程 手 术 的 一 个 里 程 碑。 2003 年,海军总医院利用“黎元”手术机器人系统远程为脑肿瘤患者进行立体定位活检手 术 [13]  。2006 年,北京积水潭医院利用自主研发的骨科手术机器人系统,成功完成远程机器 人辅助下胫骨骨折髓内钉内固定手术,证实了远程骨科机器人手术系统的可靠性 [14]  。

  

  但远程手术对网络传输速率要求较高,传统网络由于网速慢,存在延迟等缺点无法保 障远程手术的安全开展,5G 网络通过“网络切片”创新技术,将网络架构划分为多个集合, 实现端到端的“专用”网络服务,具备高速率、高可靠、低时延等性能,高速 5G 互联网与远 程手术的结合将把当前的延迟期从 0.27 s 缩短到 0.01 s [15]  。这种延迟改进可有效解决与 远程手术相关的时间延迟问题。

  

  基于 5G 的远程医疗机器人手术可用于患者异地诊疗和医学应急救援 [16]  。

  

  为了开展精准、安全的 5G 远程医疗机器人手术,需要突破术区多模信息实时反馈与精 准解析、适宜远程操作的人机交互界面、低延时网络安全传输等关键技术问题,解决医学信 息数据规范和安全伦理问题 。随着 5G 网络基础设施的快速部署,5G 远程医疗机器人手术 的临床应用和示范推广呈现加速发展趋势 。临床应用范围持续扩展,临床新术式不断涌 现,已涵盖骨科 [17]  、腔镜外科 [18] 等多个领域。

  

  2019 年 2 月 27 日,西班牙巴塞罗那医疗团队通过 5G 网络远程指导了 1 例肠道肿瘤切 除手术,被认为是世界首例使用了 5G 通信的临床手术 [19]  。2019 年 3 月 16 日,解放军总医 院为远在解放军医院海南院区的患者完成首例基于 5G 网络的远程手术——— 帕金森病脑深 部电极植入手术,此类手术验证了5G 通信在医疗应用中的实时性 [20]  。2019 年 6 月全球首 例机器人多中心联合远程骨科手术在北京积水潭医院完成 。  田伟等 [21] 通过远程系统控制 平台与嘉兴市第二医院和烟台市烟台山医院同时连接,为两位脊柱骨折患者进行椎弓根螺 钉内固定手术,通过远程交替操控两台手术机器人为患者精准植入 12 颗螺钉,这是全球首 次利用 5G 技术多地同步实施的远程外科手术,标志着我国 5G 通信技术与医学人工智能应 用结合达到了新高度。

  

  远程手术模式持续革新,从既有的“一对一”主从单点远程控制,发展出了“一对多” “多对一”等网络化协同模式,不仅实现了一名临床专家同步开展不同患者( 多地) 的远程手术,也实现了不同领域临床专家( 多地) 协作诊疗同一名患者 [3]。“一对多”远程手术的 新概念是基于外科医生同时对多名患者进行手术 。这是一种让外科专业知识可以接触到 更多患者的方式 。以前,一对多远程手术的概念在时滞方面有很多限制 。得益于高速 5G 互联网,它减少了延迟并增加了带宽,时滞不再是限制 。应用场景也从常规临床远程手术 拓展到了公共卫生远程诊疗服务( 如: 新型冠状病毒肺炎患者的机器人辅助远程超声诊疗、 远程查房等) [19,21] 和突发性医学应急救援( 如: 自然灾害、空间/ 战地等远程急救等) [22]  。

  

  3   远程机器人手术研究进展

  

  作为 5G 远程医疗机器人手术系统的两大核心功能硬件,医疗机器人产品和 5G 通信网 络日趋成熟和多样化发展,为更广泛地开展 5G 远程医疗机器人手术提供了可能 。除了一 些技术初创公司之外,史赛克、微创医疗等传统医疗器械公司和华为、三星等通讯巨头也开 始布局 5G 远程医疗机器人手术产品和应用,与之相关的技术、产品和服务市场呈现加速增 长态势。

  

  5G 远程医疗机器人手术的软硬件部署成本正在持续降低,为日常开展远程手术和拓 展远程手术应用领域提供了条件 。医学人工智能技术将进一步融入 5G 远程医疗机器人手 术过程,解决远程诊疗大数据的有效信息挖掘和高效数据传输瓶颈 。远程医学伦理和监管 措施日趋规范,远程医学平台逐步体系化和标准化 。基于 5G 的远程医疗机器人手术已成 为“手术 4.0”(Surgery 4.0) [23]  的重要组成,正在推动智慧手术的持续性跨越发展,市场和应 用前景广阔。

  

  基于上述问题,在 5G 远程机器人手术发展时应侧重以下几个方面: ( 1) 加快制定 5G 远程机器人手术领域的相应监管法规以及临床指南,使该领域发展合规、合法,健康有序发 展。( 2) 推进 5G 网络的全面覆盖,需要积极推进 5G 网络的发展和普及。( 3) 医疗信息安 全问题也是限制 5G 远程机器人手术发展的主要原因之一,医疗数据涉及个人隐私和医学 伦理,因此,信息安全是医疗信息化建设的基本保障。( 4) 加强医工复合型人才的培养,加 强医工企合作,解决临床需求与工程开发易出现脱节、创新转化慢的问题; ( 5) 建立国际化 的创新平台和合作机制,实现教育资源和科研资源的最大利用。

  

  韩晓光 张琦  何达


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