5G远程医疗机器人手术的现状和展望2025

5G远程医疗机器人手术的现状和展望2025远程医疗是医护人员通过网络系统为异地患者进行远程诊断与治疗的一种新型医疗模式，具有诸多优点，包括缓解区域性医疗资源分配不均、减轻医护人员工作压力、缩短医护人员之间及医患之间的距离、提高医疗监测诊断及治疗的时效性等。机器人手术被认为是继开放手术和腔镜手术后，外科技术的第三次革命，也是医疗领域“新技术革命”的典型代表。随着医疗机器人手术技术的日益成熟，依托机器人手术系统开展的远程手术逐渐成为研究热点。但自2001年全世界首例远程机器人手术开展以来，受网络通信条件等限制，远程机器人手术在起步后的10余年间发展相对缓慢，其中最大的障碍为网络延时和不稳定性所造成的潜在安全风险。作为最新一代移动通信技术的5G网络，其极大提高网络的带宽与传输速度，给包括医疗在内的诸多行业带来跨越式发展的可能。基于5G网络的远程医疗机器人手术在近期的各项研究和临床实践中展现出巨大优势，令人瞩目。笔者查阅相关文献，结合团队开展5G远程机器人手术经验，详细介绍5G远程医疗机器人手术的应用现状和未来展望，旨在促进该新技术的深度发展和推广。

一、机器人手术的发展机器人手术的起源和发展世界上有记载的首例机器人辅助外科手术于1985年开展，美国洛杉矶的神经外科医师在CT检查引导下，采用PUMA560机器人的手术臂精准实施脑部活组织病理学检查［1］。此后近40年间，机器人手术不断在医学领域大放异彩。早期的机器人手术系统通常需根据每例患者的固定解剖标志进行预编程，在术中欠缺对信息和指令的动态交互能力，因此，在传统意义上的外科手术中，其应用受限［2］。20世纪90年代，随着远程呈现和远程操控理念的发展与融合，研究者提出“主从式手术机器人系统”概念。具备即时交互功能的各类机器人手术系统相继问市，并在外科领域发挥重要作用。如ComputedMotion公司推出的最佳定位自动内镜系统和在此基础上开发的Zeus系统，以及IntuitiveSurgical公司推出的Lenny系统、Mona系统和达芬奇系统［3］。2000年7月，达芬奇机器人手术系统获得美国食品药品监督管理局批准，成为全世界第一台能够应用于临床实践的手术机器人。2003年，ComputedMotion公司和IntuitiveSurgical公司合并，从此两家公司的成果和特色技术得到良好整合，机器人手术系统进入达芬奇时代。随着时间的推移，达芬奇机器人手术系统经历四次迭代，发展到第四代Xi系统，其在手术过程中的可视化、操作灵活性和精确度不断提高，成为全世界应用广泛的机器人手术系统，并成为多种临床适应证的标准治疗选择［45］。机器人手术在中国的发展2006年，达芬奇机器人手术系统首次引入解放军总医院并应用于机器人辅助腹腔镜前列腺癌根治术，之后几年内达芬奇机器人手术系统在中国的普及速度仍较缓慢，但2019年前后迎来增长高峰。截至2022年底，我国257家医疗机构累计安装314台达芬奇机器人手术系统，完成37.8万例手术，并推动手术适用范围不断扩大［6］。笔者认为：采用机器人手术系统的趋势在未来一段时间内将持续强化，尤其是随着近年来我国多款国产机器人手术系统的面世和相关医保政策的颁布，促使机器人手术系统的性价比和患者接受度显著提升。2014年3月26日，依托天津大学、中南大学等单位联合研发的妙手S机器人手术系统在中南大学湘雅三医院顺利应用于机器人辅助胃穿孔修补术，标志着国产机器人手术系统应用于临床。2022年7月，上海MedBot公司研发的SkyWalker机器人手术系统（中文注册名鸿鹄系统）获得美国食品药品监督管理局认证，成为首个获得认证的中国机器人手术系统，并在骨科手术中发挥重要的作用［7］。由此可见，除了在手术数量上进行追赶，中国各大科技公司和医疗机构也不断在技术层面实现机器人手术系统的创新和超越。机器人手术系统的优势和局限性经典的机器人手术系统通常由3部分组成：外科医师控制台、手术台旁机械臂系统和成像系统。外科医师控制台置于手术室无菌区以外，主刀医师坐在控制台中通过三维高清成像系统细致观察患者体腔内动态情况，并通过控制器和脚踏板控制手术台旁机械臂系统施行手术。与传统腔镜手术系统比较，机器人手术系统的优势主要体现为：（1）微创性。如减少术中出血量、减轻术后疼痛、降低术后感染发生率、缩短术后住院时间。（2）操作性。如高清三维可视化显像、灵活的器械臂、消除术者颤动、提高解剖部位的可及性、改善术者人体工学体验［89］。然而，安装程序复杂、手术成本高昂、手术时间较长和触觉反馈缺乏等客观因素仍然存在并限制机器人手术系统的使用和普及［1011］。随着以5G通信和人工智能为代表的新兴技术发展，机器人手术系统正朝着微型化、无创化、远程化、智能化方向不断进步，现存的问题有望得到逐步解决，更多高级别人机交互和手术模式也逐渐进入人们的视野［6］。近年来，越来越多的公司投入大量成本开发新的机器人手术系统，其中不乏许多国产机器人手术系统，如SkyWalker、MicroHandS、EdgeMP1000、ToumaiMT1000等。这种百家争鸣的形势也推动机器人手术系统在中国的技术进步和应用普及，笔者相信：未来机器人手术系统将在横向水平和纵向层面取得长足进步，并为更多患者带来更精准、优质的外科治疗。

二、5G远程医疗模式在机器人手术中的应用价值远程医疗是指利用无线通信、传感器、人工智能、可穿戴设备等技术，远距离为患者提供诊断与治疗服务的一种新兴医疗模式［1213］。远程医疗可在很大程度上缓解各种客观因素造成的医疗资源分配不均衡问题，促使偏远地区和特殊环境乃至地球外部空间患者也能够获得及时、高效的医疗保健服务［1415］。远程医疗的固有属性决定其发展依赖于通信互联技术的进步，从过去的电话问诊、视频会诊到后来的互联网医院、可穿戴设备远程健康监测，更先进的通信技术意味着更强大、快速的信息交互能力，对应的实际服务载体也就可以提供更高级别、多元化的医疗服务项目。远程手术通常指远程机器人手术，广义上可分为近距离远程手术和远距离远程手术。虽然目前的临床实践中以前者更为常见，但从历史渊源上看，机器人手术系统的设计初心其实更倾向于后者，即“机器人”只是手段，“远程”才是目的。据记载，最早关于远程手术的设想始于20世纪50年代。当时美国国家航空航天局计划开发一款能够远距离操控的机器人手术系统，以保障身处太空的宇航员在紧急情况下能够及时获得有效的外科手术治疗［2，16］。但由于当时通信技术和自动化技术的限制，“太空手术”的计划一度搁浅。与此同时，关于远程手术这一全新手术模式的设想，凭借其在战场、灾区、远洋等特殊场景下所具备的巨大潜在意义而受到广泛认可，并在未来几十年内得到进一步发展。2001年9月3日，依托于Zeus机器人手术系统和光纤电缆连接的以太网传输模式，美国纽约的Marescaux等［17］为身处法国斯特拉斯堡的患者施行LC，这开创了人体远程外科手术的先河。然而在当时的手术过程中，手术医师能够感受到现场操作与手术画面之间存在明显延迟，干扰手术过程。据估算，为保证手术安全，远程机器人手术中可兼容的操作画面延时极限约为330ms，理想情况下延时应<100ms以避免手术过程中器械出现重大错误或误差［1822］。而在上述Marescaux等［17］的远程手术中，平均延时为155ms。这是前期耗费大量人力、物力铺设海底电缆以及进行各项针对性准备措施的基础上所能达到的最优水平。一旦手术场景切换为诸如战场、灾区、远洋、偏远山区等网络连通较差、随机性意外又相对频发的地区，手术的效率甚至安全性就可能受到损害。此外，随着虚拟增强现实、触觉反馈等各种新技术的不断引入，一台机器人手术所产生的实时数据总量也随之呈现指数级增长［23］。如果仍然以初代通信技术承载经数次迭代后的手术数据，所导致的手术数据延迟、波动乃至丢失将可想而知。因此，基于患者生命安全和术者手术体验立场，提高传输速率、降低交互延迟都是远程机器人手术发展道路上必须克服的障碍。5G网络是目前最新一代移动通信技术。经过数次迭代，5G网络的诞生从某种意义上实现了量变到质变的跨越，与前几代移动通信技术比较，其不仅实现网络速度的飞跃式提升，而且从根本上改变了移动网络的应用模式，为大规模物联网的开发奠定物质基础，促进了用户与数据交互的重大模式转变［24］。5G网络最大的优点为网络速度快速且稳定。4G网络平均传输速度为100Mbps，而5G网络可达10GB/s，平均延时也将压缩至<10ms，并且具有高带宽以及不易被无线局域网信号、建筑物、微波等干扰的特点，能够同时为大量终端用户提供稳定高速的连接［25］。5G网络的引入极大助推远程医疗的发展，目前新兴的基于5G网络的医疗场景包括：智能导诊、远程会诊、远程监护、远程超声、远程手术、应急救援、智慧院区管理、人工智能辅助诊断与治疗等［2627］。而这其中，远程手术由于对低延迟、高带宽的高度依赖，伴随5G网络的发展，也获益尤甚。2019年2月27日，世界移动通信大会在西班牙巴塞罗那举行，AntonioDeLacy医师在会议现场通过5G网络远程视频连接5km外的医院手术室，并指导完成1例肠道肿瘤切除手术，这是有记载的世界首例依托5G网络完成的人体手术［28］。在此基础上，5G网络的发展使机器人手术中引入触觉反馈机制成为可能［29］。目前，越来越多的临床实践表明：5G网络凭借优异的低延时、高带宽、稳定性和交互性，使机器人手术不仅在手术内容上不断推陈出新，更在手术模式上真正突破“远程”瓶颈，最终在远程医疗领域大放异彩，开创了一类以5G网络为医学信息传递载体，将机器人手术系统、虚拟现实和人工智能技术完美整合并拓展应用于医疗手术的远程医学新模式［30］。机器人手术系统和远程医疗发展史上共同的全新纪元——5G远程医疗机器人手术时代就此揭开帷幕。

三、5G远程医疗机器人手术的现状国际现状国外的远程机器人手术起步较早，如前所述，早在2001年即有报道［17］。考虑到当时远程手术中较差的术中延时，以及前期电缆专线铺设工作所耗费的巨大成本，此后国际上关于远程机器人手术系统的研发重心逐渐向改良网络方案倾斜［31］。自2019年2月首例依托5G网络的人体远程手术成功开展以来，国外诸多研究将5G网络应用到远程手术中。2019年10月，Acemoglu等［32］依托5G网络对距离15km解剖实验室中的1例人体标本施行经口激光显微声带手术，最终的术中平均延时为102ms。受限于技术条件、地理因素、伦理和法律限制等原因，目前国际上5G网络在远程机器人手术中的应用仍主要局限于动物试验、大体试验或人体手术中的远程指导，真正将5G网络应用于完整人体手术的案例目前仍十分有限。国内现状虽然机器人手术在中国起步较晚，但得益于5G网络在我国的快速普及和覆盖，基于5G网络的远程机器人手术在我国已发展至国际领先水平。中国工业和信息化部最新数据结果显示：截至2023年4月，我国5G基站数达273.3万个，网络覆盖规模居全世界第一，这为5G网络超远程机器人手术在中国的开展创造了有利条件［33］。2019年3月16日，身处海南的神经外科专家为身处>3000km，位于中国人民解放军总医院的一例患者远程施行帕金森病“脑起搏器”植入术。这是我国首例，也是世界首例基于5G网络的超远程人体手术［34］。2019年6月，北京积水潭医院脊柱外科团队开创性采用“OnetoMany”模式：一位身处北京的脊柱外科专家，同时为身处山东、浙江的两例患者施行远程手术治疗，最终的术中平均延时为28ms，术中未观察到不良事件及任何网络相关问题。该“OnetoMany”模式属于世界首创，受到国际同行广泛关注，也进一步推动远程医疗和远程手术的发展［35］。作为5G远程医疗机器人手术系统的两大核心功能硬件，机器人手术系统和5G网络缺一不可。目前，国内高密度、广覆盖的5G网络，国产手术机器人实现技术突破和自研自产并成功应用于临床实践，为5G远程医疗在中国的繁荣发展注入新力量。2020年9月24日，依托5G网络和国产机器人手术系统，青岛大学附属医院手术团队，为身处3000km外贵州安顺西秀区人民医院的膀胱癌患者施行膀胱癌根治术，这是国产机器人手术系统首次应用于超远程人体手术［36］。2023年2月16日，在电信5G网络加持下，笔者团队应用国产图迈机器人手术系统，为身处5000km外国家区域医疗中心建设单位新疆阿拉尔医院的患者成功施行胆囊切除术，实现我国5G超远程机器人肝胆手术零的突破［37］。2023年6月及9月，笔者团队再次应用国产机器人手术系统，分别为身处新疆的患者施行全世界首例5G超远程机器人肝切除术和保留脾脏胰体尾肿瘤切除术，我国远程机器人手术系统已处于全世界前沿地位［38］。笔者认为：5G远程机器人手术可以突破资源配置的时空限制，节约医师和患者的时间，降低经济成本，提高救治效率，极大拓展远程诊断与治疗的应用边界，通过5G超远程机器人手术模式可让优质医疗资源辐射山区、海岛、边疆等地的更多基层患者。2020年9月至2024年2月，国内依托“5G+国产机器人手术系统”完成的远程机器人手术已>240例。优势与传统的开放手术和腹腔镜手术比较，5G远程医疗机器人手术系统的优势主要在机器人手术和远程手术各自优势的相互交织中得以体现。机器人手术具有微创性和操作性优势，并在许多技术层面实现突破；远程手术的优势更多体现在公共卫生领域和人文社会层面，可最大限度缓解优质医疗资源相对匮乏和分布不均。1.扩大外科医疗服务的可及范围：在大多数发展中国家，优质医疗服务的覆盖范围通常比较局限，其分布也相对不均衡。应用5G远程医疗将为许多偏远地区的居民提供优质外科医疗服务。此外，5G远程医疗机器人手术系统还可应用于太空、灾区、战场、远洋等各种特殊环境，确保患者能够得到及时的救治［3940］。2.降低患者转院求医的负担：5G远程医疗可降低患者因进一步诊断与治疗需求，转至上级医院而产生的各项负担。这不仅可促进治疗流程上的便利，还可降低患者因转院而导致的经济负担、健康风险甚至病情延误［18］。3.促进多中心外科专家实时协作：5G远程医疗可促进不同区域外科医师间的实时互动和协作。这种高效的互动不仅可为患者提供来自多中心不同医师间更为综合、全面的医疗服务，也能促进不同区域外科医师间的专业交流与知识共享［40］。4.促进远程外科培训发展：5G远程医疗的发展将对外科学教育和培训领域产生重要影响。通过5G远程医疗机器人手术系统，手术现场的低年资外科医师可与身处远地，操作机器人手术系统的外科专家进行实时交流，获得身临其境的学习体验。这不仅有利于提高低年资外科医师的执业水平，更有助于推动建立专业扎实且高度互联的“外科医师共同体”，从而让所有医疗决策和操作都能得到全方位的考虑，为患者提供最优质的治疗［41］。（四）限制因素尽管5G远程医疗具备巨大的发展潜力，但目前仍面临诸多短期或长远的限制因素，需加以解决才能充分发挥其全部优势。经济成本：远程机器人手术高昂的费用一方面源于手术设备的成本及维护费用，另一方面为保证远程手术安全，患者所在地也需要配备一个完整的手术团队随时待命进行现场干预，这也增加了整体的手术成本。目前虽然许多推广性的5G远程医疗机器人手术可获得多方面补贴，从而提高患者的接受度。但真正想让5G远程医疗机器人手术在未来获得更稳固的推广，还需成本控制［42］。医学伦理和法律监管的复杂性：与5G自动驾驶技术一样，5G远程医疗机器人手术系统作为涉及人类身体健康安全的新兴技术，势必要经历一段与现行伦理准则和法律法规的磨合期，尤其是关于许可和责任问题需要得到妥善处理，这是保障医患双方安全必备环节［43］。全世界网络互连的困难：为了践行机器人手术的设计初心，让远程手术成为世界上任何角落、任何患者的可选方案，需建立良好的全世界覆盖网络。5G基站的无线电磁波频率高、衰减快、绕射能力差，因此，5G网络的大面积覆盖非常依赖高密度的基站建设，这对一个普通的发展中国家而言是十分困难的，而要想实现全世界范围的覆盖，更是开展全球化远程外科服务需要克服的巨大挑战［40］。

四、5G远程医疗机器人手术的展望5G远程医疗机器人手术的未来大有可为，更多新型技术和理念的引入将进一步提高远程机器人的手术综合能力。远程手术中的触觉反馈机制触觉反馈系统可通过精细的传感器采集详细的触觉信息，并通过网络传输给操作台上的外科医师，这可让外科医师真切感知机械臂操作时受到的组织张力，使其对手术的每一步操作都更有把握，更加精确。2015年，Stark等［44］报道以触觉反馈和眼球追踪技术为特色的TelelapAlfx原型机应用于机器人辅助胆囊切除术，并显著缩短了手术时间。但系统化的术中触觉反馈机制仍处于空白状态，成为机器人手术中一个长期存在的难题，很大程度上影响远程机器人手术