远程医疗在外科领域的研究现况概述

贾崧淏，贡鸣，武玉多，贺晓荟，张宏家

目前我国外科医疗的诊治水平不断提高，既往众多复杂难治的疾病，正被逐一攻克。但训练有素的医疗专家数量与患者需求间仍存在较大差距，有经验的外科医生长途奔波指导手术需消耗大量时间，人们开始尝试通过远程会诊、远程手术等方法予以解决。然而，手术室环境相对封闭，不能实时与外界实现信息互联，制约了远程医疗在外科领域的发展。近年来，随着最新第五代通信技术应用，高数据传输速率、低延迟、广接口等优点将为外科远程医疗领域带来创新与发展。

20世纪90年代电话会议兴起后，Cedars-sinai医院的外科医生最早尝试应用最大程度的视频压缩通过1.5 mb/sec的电信数据线实现了腹腔镜手术远程图像的传递，认为未来可通过视频压缩进行远程腹腔镜检查，并为后续研究提供了可能性[1]。加拿大的麦克马斯特微创手术中心于1999年启动了远程教学计划，该计划依靠双向视频会议进行远程医疗培训教学，之后的9年里该中心以此模式进行了100多期远程医疗服务。在此过程中，项目也遇到了不少问题，首先是带宽问题，当时带宽仅为512K，可基本实现需求，但由于稳定性差无法完成远程传送。其次是电信延时问题，几乎每位导师和学员都认为当延时达到350 ms时严重干扰了有效教学。最后是成本问题，当时一家中心的基础电信设备成本就达到了 10 000美元，制约了该项目在社区医院的开展[2]。

虽然当时的远程传输设备在一定程度上可满足手术中的需要，但受到带宽、延时和成本等问题的限制，以及外科医生对于真正远程参与手术的需求，研究者们不断研发新技术来补充原来简单的手术图片和视频的传递。自达芬奇手术机器人于1997年完成首例胆囊切除术以来，手术机器人迅速应用于外科的各个学科[3]。随着电信技术的更新和手术机器人的出现，2003年医生通过宙斯手术机器人远程协助当地医生进行手术并在必要时接管手术。尽管当时的带宽已达10 mbps，但网络延时问题仍然存在，且机器人布置和手术室的电信改造要求也产生了新的问题[4]。2006年美国宇航局和军方测试了在极端情况下远程外科医生为患者实施简单紧急手术的可能性，试验结果证实了便携式机器人平台的可行性，但其中出现了超过2 s的延时，这样的延时在常规临床操作中是不被接受的[5]。尽管远程教学、远程指导、远程手术都已成为现实，但单纯的影像传递并不能为外科医生提供足够的信息。AR技术诞生后，神经外科医生探索将增强现实技术（AR）技术应用于神经外科手术辅助和手术训练中，该系统由本地工作站和远程工作站组成，通过立体摄像机和容积再现核磁共振成像（MRI）的数字渲染，实现了本地和远程实时虚拟交互并为两端的外科医生提供空间指导，但摄像机分辨率、色彩对比度和延时均是需进一步优化的技术问题[6]。自动立体成像技术诞生后，医生应用自动立体成像技术实现了手术场景更真实、直观的3D远程传递，试验认为该技术基本满足临床需要，但未来需要优化其分辨率、精度和实时性[7]。2016年英国研究者建立了Proximie平台，外科医生利用该平台通过音频、视频和增强现实技术进行远程协作，在复杂手术中实现了部分智能化应用功能[8]，但由于通讯技术受限，音视频质量有待提高。

5G移动网络弥补了WiFi和4G网络的缺陷，为远程医疗场景提供了不可替代的技术保障，如超高速率：5G网络可提供高达10G bps的传输速率，可承载4K高清手术视频的传输；
超低时延：5G空口时延约为4G空口的十分之一，结合边缘计算技术，可提供的延迟远小于人可感知的临界值（140 ms），满足远程实时操控场景；
高可靠性：5G网络可提供高达99.999%的可靠性，可有效保障手术室网络的稳定性和业务连续性，保障手术质量；
高安全性和隔离性：5G网络采用增强的用户隐私保护和完整性保护标准，结合独享基站、传输虚拟专用网（VPN）隔离、专享核心网用户面网元，保障了数据隔离性，可对患者的医疗数据提供更高层级的保护；
可定制化：5G网络组网更加灵活，根据手术室具体情况，从硬件和软件及调制层面进行定制化和按需组网，满足远程实时医疗场景的网络需求[9]。5G网络可提供最高10 GB/s的速度，满足实时远程医疗的网速要求。此外之前的网络信号易受局域网信号、建筑、微波等干扰，而5G网络能同时为大量用户提供稳定的连接，也为远程医疗提供了更好的稳定性。且5G网络还支持大规模互联网连接，网络连接快速、灵活且能够实现智能传感器连接，为未来医疗中的智能交互提供了技术支持[10]。

2019年1月美国电话电报公司与拉什大学医学中心签署协议，将5G技术应用于医院设备中，探索建立第一个基于5G的医疗系统[11]。2019年2月27日，西班牙医疗团队通过5G网络远程指导肠道肿瘤切除，成为世界上首例使用5G网络完成的人体手术，其间交互及时，未出现明显延时[12]。

国内于1988年就由解放军总医院的专家们通过卫星与德国一家医院进行了神经外科远程病历讨论，德国专家给予了治疗指导，但当时传输信息非常有限[13]。1997年卫生部卫星专网—中国金卫医疗网络开通，国内知名医院相继成立了远程会诊中心，依靠卫星通讯进行简单会诊，但传送内容受限，时效性不佳且成本高昂[14]。2003年在互联网技术和我国自主研发的“黎元”手术机器人帮助下，海军总医院为600 km外的患者成功实施了颅内血肿清除术，但要完成更为复杂的手术该设备的精度和实时性还有待提高[14]。此后随着网络技术不断发展，国内陆续开展了基于远程视频的远程会诊、高清终端会诊、3D手术远程示教和远程培训等，而网络延时和建设成本始终是困扰远程医疗的两大挑战。系统性回顾研究显示，远程手术教学指导和现场教学指导在安全性和教学效果上无差异，但也重点强调了网络延时和信息传输的安全风险[15]。

2019年3月16日，国内完成了首例基于5G的远程人体手术—脑起搏器植入术，远程手术过程流畅，未出现明显延时[16]。在5G技术的加持下，未来必将有更多新技术融入基于5G的远程医疗中。

新型冠状病毒肺炎疫情暴发极大推动了5G远程医疗的发展，远程查房、远程病区管理、远程会诊、远程数据共享、远程手术，5G远程医疗在疫情防控中大量应用[17]。而在外科领域，国内外研究者均认为，新型冠状病毒肺炎新冠疫情推动了远程医疗在外科领域的应用并将产生持久影响[18]。

远程医疗在外科领域的应用发展至今最大的问题仍是网络延迟，如可能出现听觉、视觉甚至触觉延迟[19]。这种延迟不仅延长手术时间，还可能出现重大的外科手术误差，危及生命，延迟患者康复[20,21]。理想的延迟时间应小于100 ms，大于300 ms的延迟可能产生较大误差[22]。此前应用达芬奇手术机器人进行的远程手术操作，其延时达到了340 ms[23]，应用虚拟互动技术时其平均延时达到了760±606 ms[24]，这样的网络延时问题是亟待解决的。尽管当今的高速光缆和专用光纤异步传输模式可以把一般手术信息的传递延时控制在100 ms以下，但至少需要40名技术人员参与保障，极大制约了远程医疗的开展[25]。且大多数手术室不具备相关光纤设备，若进行改造将耗费巨大的人力物力，远程手术的成本更高。传统无线网络技术无法满足上述远程医疗系统的需求。行动热点（WiFi）技术弱点明显：覆盖范围有限，无法支持移动使用；
无法支持大连接，多设备访问体验差；
可靠性差，易受干扰，业务连续性无法保障；
传输安全性低，易被攻击，数据易被窃取；
现有的4G网络传输速率无法满足4K高清手术视频信号的传输要求；
4G网络组网不够灵活，业务能力差，不能满足低时延业务的需求。

5G通讯技术的高速率、低延迟、大连接等优点给各行业带来了重大变革，改变了移动网络的应用模式，提供最高10 Gb/s的速度，足以满足实时远程视频、多种异构数据实时交互的网速要求。同时5G网络能提供稳定的连接，也为远程医疗提供了更好的稳定性。未来以5G通讯技术为基础，叠加虚拟现实、人工智能等技术，必然会为远程医疗在外科领域的应用带来更大的变革。如将虚拟现实技术融入到外科远程医疗中，在远距离转播中，让指导专家身临其境，对手术操作的深度及精细度等具有很好的感知，对术者提供有效指导。当然该过程中的信息安全、数据伦理等问题也是要特别关注的方面，相信随着系列配套政策、法律的出台，远程医疗在外科领域将具有更广阔的应用前景。