引用本文： 田禹, 黃佳, 李劍濤, 姜龍, 朱宏炟, 羅清泉. 5G遠程機器人輔助胸腔鏡下肺葉切除術的動物實驗研究. 中國胸心血管外科臨床雜志, 2023, 30(8): 1112-1115. doi: 10.7507/1007-4848.202303058 復制
隨著外科理念及機器人工程技術的不斷更新、發展，機器人手術在臨床醫療過程中的應用越發普及。區別于傳統腔鏡手術，其穩定的操控性和先進的人工智能系統為外科醫生的手術操作提供了助力。而手術機器人設計的初衷，除了為術者提供操作上的便利，也希冀能在戰場、災區等特殊場景下實現遠程醫療援助。2001年第1例真正意義上的遠程外科手術在美國紐約與法國斯特拉斯堡進行，主刀醫生借助宙斯（Zeus）機器人系統及海底跨洋光纖成功對7 000 km外的1例膽囊結石患者實施手術，這即是著名的“林德伯格手術”（Lindbergh手術）[1]。作為外科手術史上的一個里程碑，Lindbergh手術的成功第一次驗證了遠程手術的可行性。自此盡管陸續有諸多遠程手術進行了嘗試，但受限于通訊技術和機器人工程水平的相對不足，遠程機器人手術的發展仍相對緩慢。
第5代移動通信技術（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）的出現，讓遠程手術的應用推廣真正成為可能。5G以高速率、低時延、大連接的特點提供了遠程醫療所需的超高可靠低時延通信。自2018年中國人民解放軍總醫院應用國產手術機器人完成首例5G遠程動物實驗手術以來，5G遠程機器人手術陸續在多個學科中取得了從動物實驗到臨床試驗的成功[2-5]。
目前5G遠程機器人已經完成了泌尿外科、肝膽外科、胃腸外科5G遠程輔助手術，但由于胸腔鏡手術的特殊性，現階段5G遠程機器人輔助胸外科手術尚未開展[6]。本研究借助上海微創醫療機器人公司的圖邁?四臂腔鏡手術機器人及中國電信建立的5G網絡，開展了首例5G遠程機器人輔助肺葉切除的動物實驗，旨在為后續開展遠程胸外科手術臨床研究進行可行性及安全性的初步驗證和經驗積累。
1 資料與方法
1.1 一般資料
本次動物實驗手術在上海微創醫療機器人（集團）股份有限公司進行，主操作臺置于微創機器人集團的互聯互通遠程手術控制大廳，備用操作臺及床旁操作系統置于微創模擬手術中心，主操作臺與床旁操作系統間隔約500 m。實驗選取30 kg雌性實驗用豬1頭，常規靜脈麻醉，雙腔氣管插管，實驗行右肺尖葉切除術。圖邁?腔鏡手術機器人已在全國范圍內完成了泌尿外科、普外科、婦科、胸外科的多學科超400例機器人輔助臨床驗證手術，并于2022年1月獲得國家藥品監督管理局（NMPA）的上市批準。
1.2 手術設備及網絡連接
動物實驗手術全程使用圖邁?四臂腔鏡手術機器人完成，操作過程中使用3D鏡頭、機器人無損傷抓鉗、單極電勾、雙極馬里蘭鉗、機器人持針器完成對應操作。機器人主操控臺與床旁手術平臺通過公共5G無線網絡（中國電信）和5G客戶端設備（customer premise equipment，CPE）進行連接，手術室內副操作臺與手術平臺采用常規有線連接。為保障控制數據和三維影像的平穩傳輸，微創機器人互聯互通技術團隊將遠程控制和5G物聯網切片通訊技術結合，確保5G網絡穩定傳輸。此外，為避免網絡異常導致手術誤操作，技術團隊對5G手術系統進行實時網絡檢測，通過使用Latency test以0.5 ms為檢測周期，確保及時捕捉網絡異常，最大程度維持手術安全模式。遠程手術控制大廳與手術室之間通過在線會議平臺進行實時溝通；見圖1。
圖1
5G遠程機器人動物實驗手術的操作場景
a：上海市胸科醫院羅清泉教授在遠程手術控制大廳操作主操控臺；b：實時視頻通訊畫面；c：手術助手在模擬手術室配合機器人操作
1.3 手術步驟與操作
實驗用豬完成麻醉后，取左側臥位，于第7肋間置入機器人鏡頭專用Trocar，機械臂操作孔分別位于鏡頭孔兩側同一水平旁開7～8 cm，均通過機械臂Trocar置入，于第5肋間置入15 mm腔鏡穿刺器作為助手輔助操作孔。手術采用2、3、4號機械臂進行操作，機器人手臂與Trocar連接完成裝機后，現場人員確認手術視野清楚、機械臂操控順暢，將機器人手術控制權切換到遠程端，在手術室內監測手術情況并隨時待命。遠程端主操控臺確認接管操控權后手術正式開始。首先由助手將豬右肺向下牽拉，暴露上縱隔區域，主刀依次使用電鉤及雙極馬里蘭鉗進行上縱隔淋巴結清掃。繼而對肺門結構進行解剖，首先暴露豬右肺尖葉支氣管并充分游離，由助手使用切割閉合器離斷，隨后依次游離并離斷尖葉靜脈、動脈，最后離斷剩余連接處的肺組織，完成豬右肺尖葉切除。手術期間4號臂換用機器人持針器，模擬對出血點的處理進行正常肺組織的縫合。手術各步驟畫面見圖2。
圖2
手術主要操作過程
a：裝機完成，置入機器人操作器械；b：機器人電勾解剖上縱隔淋巴結區域；c：雙極馬里蘭鉗完成上縱隔淋巴結清掃；d：主刀解剖游離豬右肺尖葉支氣管；e：助手使用切割閉合器離斷支氣管；f：使用機器人持針器進行縫合操作
1.4 倫理審查
本研究經上海市胸科醫院倫理委員會審查批準，審批項目名稱為“三代多孔手術機器人系統國產化關鍵技術研發與胸外科臨床應用” ，受理號：IS22092
2 結果
2023年3月3日上午，5G遠程機器人輔助肺葉切除的動物實驗順利完成，主刀醫生遠程操控圖邁?四臂腔鏡手術機器人完成豬右肺尖葉切除加縱隔淋巴結清掃。整個動物實驗耗時約60 min，其中主刀操作時間約40 min，術中出血量20 mL，手術視野3D影像與操控信號的傳輸穩定、即時，主操作臺的操作臂與手術平臺的機械臂的主、從運動一致性理想，各連接節點平均雙向網絡延遲125（110～155）ms。手術過程中未發生網絡故障及機器人不良事件，但由于第三方在線會議平臺采取常規移動通訊連接，實驗過程中出現2次語音通訊卡頓，恢復時間分別為40 s與1 min，未對手術過程造成明顯影響。
3 討論
遠程手術是繼微創外科手術后的又一次外科革新，自2001年Lindbergh手術宣告成功以來，國內外諸多團隊開始對遠程手術進行了各自的嘗試。由于遠程手術依托手術機器人作為開展平臺，依靠以Da Vinci機器人為代表的先進手術機器人系統，歐美國家一度在遠程手術的探索中取得領先。而隨著我國在自主研發的國產手術機器人以及5G通訊技術領域的突破，遠程機器人手術的開展獲得更加堅實的技術支持，國內多家中心更是在遠程機器人手術的研究中取得突破性進展。
中國人民解放軍總醫院于2018年12月應用國產機器人順利完成了5G遠程豬肝臟楔形切除，這是首例獲得成功的5G遠程機器人動物實驗手術[2]。2019年3月，中國人民解放軍總醫院完成了全球首例5G遠程人體手術，跨越從三亞到北京的距離，遠程為1例帕金森患者植入了腦起搏器[3]。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，實現了遠程手術多中心合作的創新[4]。同年，北京積水潭醫院借助5G網絡實現了一站對多地的遠程機器人輔助脊柱內固定手術，進一步拓寬了遠程手術的應用[7]。青島大學牛海濤團隊2020年完成了5G超遠程腹腔鏡手術的動物實驗，并在后續的研究中開展了較大規模的臨床試驗，完成了數十例5G遠程機器人輔助腎臟手術[8-9]。
在本研究中，我們首次在動物實驗中開展了5G遠程機器人輔助肺葉切除術，并模擬了淋巴結清掃過程，填補了5G遠程機器人手術在胸外科領域的空白，并初步驗證了遠程肺部手術的技術可行性及安全性，為后續在臨床實踐中開展遠程胸外科手術奠定了基礎。在研究過程中，我們對5G遠程機器人肺部手術的完整流程進行歸納，并總結可進一步優化的環節。首先是通訊系統的優化，如在本次實驗中，主刀的操控臺和手術室的通訊連接并未采取和機器人系統一樣的5G通信，實驗期間出現了語音卡頓、不清晰的情況，為了避免在實際手術過程中因溝通的延遲導致手術意外，語音通訊應與手術系統的信號同步傳輸。此外，在實驗過程中，除了機器人手術的助手，為了在出現突發情況時可以隨時接手操作，模擬手術室中還配置了一位副主刀醫生。在未來的實際應用場景中，像這樣由主刀團隊派遣一位醫生全程保駕護航是不現實的。如此，為了保障遠程手術的順利進行，不僅變相地提高了對機器人手術助手的要求，對發生意外時患者端醫療機構的應急團隊也將是一個考驗。因此，除了手術操控系統和通訊系統的研發，一個完整、規范的機器人手術團隊的培訓體系，也將成為推廣遠程機器人手術應用的關鍵。
盡管目前的技術條件在一定程度上已能支持開展遠程手術，但對通訊信號及手術設備的要求較高，仍然是限制遠程手術推廣的主要因素。Xu等[10]的研究表明200 ms以下的時延為遠程手術理想狀態，將延遲放寬到200～300 ms不會影響手術順利完成，而更高的網絡時延則會影響手操作的精度和安全性，甚至無法進行正常操作，而各大運營商現有的5G網絡在民用水平仍無法滿足相應的要求。為了應對信號時滯對手術的影響，在未來的實驗與實踐中，應優化網絡平臺及信號結構，同時在主刀和助手的可視界面提供實時的時滯測量數值，以便術者提前發現嚴重的信號延遲并作出應對。另一方面，目前遠程手術的操作仍依賴基于手術機器人系統的主、從傳輸，未來有望通過手術機器人設備的小型化及虛擬/增強現實等技術的發展，在不影響操作信號傳輸的基礎上進一步簡化相關流程及設備要求，降低患者端醫療中心的參與門檻，從而進一步推廣遠程手術的應用。
綜上所述，本研究完成了首例5G遠程機器人輔助肺葉切除的動物實驗，初步驗證了基于5G信號進行遠程機器人胸外科手術的可行性及安全性，同時總結歸納了相應手術流程，為后續實驗的開展及將來5G遠程機器人手術的臨床應用奠定了基礎。遠程手術為我們展現了未來外科的發展前景，醫療援助和協助會診的跨越空間進行，將有助于實現優質醫療資源下沉，切實解決當前社會所面臨的醫療資源分布不均等問題。國產機器人手術與國產通訊技術強強聯合，也有助于打破相關領域原有的技術封鎖，加快醫療產業由“中國制造”向“中國智造”的轉型。
利益沖突：無。
作者貢獻：羅清泉、田禹、黃佳負責文章構思和設計；羅清泉、黃佳、李劍濤、田禹提供研究材料；姜龍、朱宏炟負責數據收集和整理；李劍濤負責數據分析和解釋；田禹、黃佳負責論文寫作；羅清泉、李劍濤、姜龍負責論文修改與定稿。
隨著外科理念及機器人工程技術的不斷更新、發展，機器人手術在臨床醫療過程中的應用越發普及。區別于傳統腔鏡手術，其穩定的操控性和先進的人工智能系統為外科醫生的手術操作提供了助力。而手術機器人設計的初衷，除了為術者提供操作上的便利，也希冀能在戰場、災區等特殊場景下實現遠程醫療援助。2001年第1例真正意義上的遠程外科手術在美國紐約與法國斯特拉斯堡進行，主刀醫生借助宙斯（Zeus）機器人系統及海底跨洋光纖成功對7 000 km外的1例膽囊結石患者實施手術，這即是著名的“林德伯格手術”（Lindbergh手術）[1]。作為外科手術史上的一個里程碑，Lindbergh手術的成功第一次驗證了遠程手術的可行性。自此盡管陸續有諸多遠程手術進行了嘗試，但受限于通訊技術和機器人工程水平的相對不足，遠程機器人手術的發展仍相對緩慢。
第5代移動通信技術（5th Generation Mobile Communication Technology，5G）的出現，讓遠程手術的應用推廣真正成為可能。5G以高速率、低時延、大連接的特點提供了遠程醫療所需的超高可靠低時延通信。自2018年中國人民解放軍總醫院應用國產手術機器人完成首例5G遠程動物實驗手術以來，5G遠程機器人手術陸續在多個學科中取得了從動物實驗到臨床試驗的成功[2-5]。
目前5G遠程機器人已經完成了泌尿外科、肝膽外科、胃腸外科5G遠程輔助手術，但由于胸腔鏡手術的特殊性，現階段5G遠程機器人輔助胸外科手術尚未開展[6]。本研究借助上海微創醫療機器人公司的圖邁?四臂腔鏡手術機器人及中國電信建立的5G網絡，開展了首例5G遠程機器人輔助肺葉切除的動物實驗，旨在為后續開展遠程胸外科手術臨床研究進行可行性及安全性的初步驗證和經驗積累。
1 資料與方法
1.1 一般資料
本次動物實驗手術在上海微創醫療機器人（集團）股份有限公司進行，主操作臺置于微創機器人集團的互聯互通遠程手術控制大廳，備用操作臺及床旁操作系統置于微創模擬手術中心，主操作臺與床旁操作系統間隔約500 m。實驗選取30 kg雌性實驗用豬1頭，常規靜脈麻醉，雙腔氣管插管，實驗行右肺尖葉切除術。圖邁?腔鏡手術機器人已在全國范圍內完成了泌尿外科、普外科、婦科、胸外科的多學科超400例機器人輔助臨床驗證手術，并于2022年1月獲得國家藥品監督管理局（NMPA）的上市批準。
1.2 手術設備及網絡連接
動物實驗手術全程使用圖邁?四臂腔鏡手術機器人完成，操作過程中使用3D鏡頭、機器人無損傷抓鉗、單極電勾、雙極馬里蘭鉗、機器人持針器完成對應操作。機器人主操控臺與床旁手術平臺通過公共5G無線網絡（中國電信）和5G客戶端設備（customer premise equipment，CPE）進行連接，手術室內副操作臺與手術平臺采用常規有線連接。為保障控制數據和三維影像的平穩傳輸，微創機器人互聯互通技術團隊將遠程控制和5G物聯網切片通訊技術結合，確保5G網絡穩定傳輸。此外，為避免網絡異常導致手術誤操作，技術團隊對5G手術系統進行實時網絡檢測，通過使用Latency test以0.5 ms為檢測周期，確保及時捕捉網絡異常，最大程度維持手術安全模式。遠程手術控制大廳與手術室之間通過在線會議平臺進行實時溝通；見圖1。
圖1
5G遠程機器人動物實驗手術的操作場景
a：上海市胸科醫院羅清泉教授在遠程手術控制大廳操作主操控臺；b：實時視頻通訊畫面；c：手術助手在模擬手術室配合機器人操作
1.3 手術步驟與操作
實驗用豬完成麻醉后，取左側臥位，于第7肋間置入機器人鏡頭專用Trocar，機械臂操作孔分別位于鏡頭孔兩側同一水平旁開7～8 cm，均通過機械臂Trocar置入，于第5肋間置入15 mm腔鏡穿刺器作為助手輔助操作孔。手術采用2、3、4號機械臂進行操作，機器人手臂與Trocar連接完成裝機后，現場人員確認手術視野清楚、機械臂操控順暢，將機器人手術控制權切換到遠程端，在手術室內監測手術情況并隨時待命。遠程端主操控臺確認接管操控權后手術正式開始。首先由助手將豬右肺向下牽拉，暴露上縱隔區域，主刀依次使用電鉤及雙極馬里蘭鉗進行上縱隔淋巴結清掃。繼而對肺門結構進行解剖，首先暴露豬右肺尖葉支氣管并充分游離，由助手使用切割閉合器離斷，隨后依次游離并離斷尖葉靜脈、動脈，最后離斷剩余連接處的肺組織，完成豬右肺尖葉切除。手術期間4號臂換用機器人持針器，模擬對出血點的處理進行正常肺組織的縫合。手術各步驟畫面見圖2。
圖2
手術主要操作過程
a：裝機完成，置入機器人操作器械；b：機器人電勾解剖上縱隔淋巴結區域；c：雙極馬里蘭鉗完成上縱隔淋巴結清掃；d：主刀解剖游離豬右肺尖葉支氣管；e：助手使用切割閉合器離斷支氣管；f：使用機器人持針器進行縫合操作
1.4 倫理審查
本研究經上海市胸科醫院倫理委員會審查批準，審批項目名稱為“三代多孔手術機器人系統國產化關鍵技術研發與胸外科臨床應用” ，受理號：IS22092
2 結果
2023年3月3日上午，5G遠程機器人輔助肺葉切除的動物實驗順利完成，主刀醫生遠程操控圖邁?四臂腔鏡手術機器人完成豬右肺尖葉切除加縱隔淋巴結清掃。整個動物實驗耗時約60 min，其中主刀操作時間約40 min，術中出血量20 mL，手術視野3D影像與操控信號的傳輸穩定、即時，主操作臺的操作臂與手術平臺的機械臂的主、從運動一致性理想，各連接節點平均雙向網絡延遲125（110～155）ms。手術過程中未發生網絡故障及機器人不良事件，但由于第三方在線會議平臺采取常規移動通訊連接，實驗過程中出現2次語音通訊卡頓，恢復時間分別為40 s與1 min，未對手術過程造成明顯影響。
3 討論
遠程手術是繼微創外科手術后的又一次外科革新，自2001年Lindbergh手術宣告成功以來，國內外諸多團隊開始對遠程手術進行了各自的嘗試。由于遠程手術依托手術機器人作為開展平臺，依靠以Da Vinci機器人為代表的先進手術機器人系統，歐美國家一度在遠程手術的探索中取得領先。而隨著我國在自主研發的國產手術機器人以及5G通訊技術領域的突破，遠程機器人手術的開展獲得更加堅實的技術支持，國內多家中心更是在遠程機器人手術的研究中取得突破性進展。
中國人民解放軍總醫院于2018年12月應用國產機器人順利完成了5G遠程豬肝臟楔形切除，這是首例獲得成功的5G遠程機器人動物實驗手術[2]。2019年3月，中國人民解放軍總醫院完成了全球首例5G遠程人體手術，跨越從三亞到北京的距離，遠程為1例帕金森患者植入了腦起搏器[3]。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，實現了遠程手術多中心合作的創新[4]。同年，北京積水潭醫院借助5G網絡實現了一站對多地的遠程機器人輔助脊柱內固定手術，進一步拓寬了遠程手術的應用[7]。青島大學牛海濤團隊2020年完成了5G超遠程腹腔鏡手術的動物實驗，并在后續的研究中開展了較大規模的臨床試驗，完成了數十例5G遠程機器人輔助腎臟手術[8-9]。
在本研究中，我們首次在動物實驗中開展了5G遠程機器人輔助肺葉切除術，并模擬了淋巴結清掃過程，填補了5G遠程機器人手術在胸外科領域的空白，并初步驗證了遠程肺部手術的技術可行性及安全性，為后續在臨床實踐中開展遠程胸外科手術奠定了基礎。在研究過程中，我們對5G遠程機器人肺部手術的完整流程進行歸納，并總結可進一步優化的環節。首先是通訊系統的優化，如在本次實驗中，主刀的操控臺和手術室的通訊連接并未采取和機器人系統一樣的5G通信，實驗期間出現了語音卡頓、不清晰的情況，為了避免在實際手術過程中因溝通的延遲導致手術意外，語音通訊應與手術系統的信號同步傳輸。此外，在實驗過程中，除了機器人手術的助手，為了在出現突發情況時可以隨時接手操作，模擬手術室中還配置了一位副主刀醫生。在未來的實際應用場景中，像這樣由主刀團隊派遣一位醫生全程保駕護航是不現實的。如此，為了保障遠程手術的順利進行，不僅變相地提高了對機器人手術助手的要求，對發生意外時患者端醫療機構的應急團隊也將是一個考驗。因此，除了手術操控系統和通訊系統的研發，一個完整、規范的機器人手術團隊的培訓體系，也將成為推廣遠程機器人手術應用的關鍵。
盡管目前的技術條件在一定程度上已能支持開展遠程手術，但對通訊信號及手術設備的要求較高，仍然是限制遠程手術推廣的主要因素。Xu等[10]的研究表明200 ms以下的時延為遠程手術理想狀態，將延遲放寬到200～300 ms不會影響手術順利完成，而更高的網絡時延則會影響手操作的精度和安全性，甚至無法進行正常操作，而各大運營商現有的5G網絡在民用水平仍無法滿足相應的要求。為了應對信號時滯對手術的影響，在未來的實驗與實踐中，應優化網絡平臺及信號結構，同時在主刀和助手的可視界面提供實時的時滯測量數值，以便術者提前發現嚴重的信號延遲并作出應對。另一方面，目前遠程手術的操作仍依賴基于手術機器人系統的主、從傳輸，未來有望通過手術機器人設備的小型化及虛擬/增強現實等技術的發展，在不影響操作信號傳輸的基礎上進一步簡化相關流程及設備要求，降低患者端醫療中心的參與門檻，從而進一步推廣遠程手術的應用。
綜上所述，本研究完成了首例5G遠程機器人輔助肺葉切除的動物實驗，初步驗證了基于5G信號進行遠程機器人胸外科手術的可行性及安全性，同時總結歸納了相應手術流程，為后續實驗的開展及將來5G遠程機器人手術的臨床應用奠定了基礎。遠程手術為我們展現了未來外科的發展前景，醫療援助和協助會診的跨越空間進行，將有助于實現優質醫療資源下沉，切實解決當前社會所面臨的醫療資源分布不均等問題。國產機器人手術與國產通訊技術強強聯合，也有助于打破相關領域原有的技術封鎖，加快醫療產業由“中國制造”向“中國智造”的轉型。
利益沖突：無。
作者貢獻：羅清泉、田禹、黃佳負責文章構思和設計；羅清泉、黃佳、李劍濤、田禹提供研究材料；姜龍、朱宏炟負責數據收集和整理；李劍濤負責數據分析和解釋；田禹、黃佳負責論文寫作；羅清泉、李劍濤、姜龍負責論文修改與定稿。
