1 5G在外科手术中的应用现状

5G与外科手术的融合极大地促进了远程手术与远程会诊的发展， 如2001年世界上首次远程机器人手术成功开展，但由于高延迟的技术障碍，当时尚未纳入临床实践[1]。2019年我国为12例脊柱疾病的患者完成了5G远程机器人脊柱手术，平均网络延迟为28ms，手术结果均令人满意[2]。

2022年我国实施了跨越3 000 km的5G远程超声引导下的泌尿系结石取石术，术中单向数据传输延迟70 ms，偶发性数据丢包率为5%等[3]。2019年4月3日，广东省 人民医院与高州市人民医院完成全国首例AI+5G的心脏病手术。运用5G的高速传输，仅用2 min就完成了心脏建模。随着第5代移动通信技术的发展，必将进一步推动外科领域的发展[4]。

5G以其高速率、 低延迟、大容量的特点，推动了远程医疗领域的高速发展，在外科手术中远程协同及辅助决策展方面前景广阔[5]。

2 5G+人工智能在外科手术过程中的需求分析

2.1 外科手术室设备缺乏连接5G 的应用终端

目前，外科手术的录制、转播及术中会诊通常采用传统摄影设备录制，需提前布置设备、 对接线路，技术人员进入手术室参与保障，手术图像采集设备采用有线网络连接的方式进行远程转播，过程中会耗费大量的物力财力，同时会对手术室内的无菌层流环境造成破坏，增加患者感染风险[6]。传统行动热点（WiFi）技术弱点明 显：覆盖范围有限，无法支持移动使用；无法支持大容量，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，不能满足低时延业务的需求。5G移动网络弥补了WiFi和4G网络的缺陷，其组网更加灵活，可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，满足实时医疗场景的网络需求。

2.2 外科手术中远程会诊需求

尽管各地手术室医疗设备的差异日益缩 小，但由于外科医生水平差异较大，治疗质量差距仍较大。因此，当手术中面临突发事件时，通常需要请高级别专家紧急会诊，而专家的稀缺及难以准时到达等因素制约着术中会诊的实现，因此，远程会诊平台成了更好的选择[7]。国内外专家对远程会诊模式进行了探索与尝试，应用远程会诊很大程度地提高了患者的治疗效果，但由于网络技术所带来的远程传输过程中图像质量不佳、信号不稳定、数据传输延迟等因素，影响了远程专家决策的准确性[7]。传统无线网络技术无法满足上述远程医疗系统的需求，5G移动网络弥补其不足，为远程医疗场景提供不可替代的技术保障。比如超高速率：5G网络可提供高达10Gbps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1/10。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，保障手术质量等[8]。

2.3 外科手术中人工智能辅助决策需求

数字化时代的来临，促进人工智能领域的高速发展及与医学领域的广泛融合。人工智能可作为人工会诊的补充，通过辅助手术决策、识别术中风险因素、识别并发症等方式改善外科手术质量[9]。然而，医疗行业是一个大数据量的行业，手术过程中会产生大量珍贵的病理、多维度手术操作、多模态监测及检测数据，医务工作者可将此类数据用于手术的全面记录、远程互动示教（或协作）、科研及手术质量控制，从而规范化外科手术治 疗，提高治疗水平。并根据医院内特殊环境及不同需求模块化部署5G专用网络，建立数据中心及整合手术方案决策人工智能产品， 验证、改进人工智能辅助决策方案或将数据传输至远程人工（专家） 端辅助决策，从而达到术中辅助协作，提高手术治疗质量，更好地保障患者的生命安全，实现外科治疗的均质化服务的目标[7,10]。

3 5G+人工智能在外科手术 过程中的应用实践

3.1 5G终端设备即术中信息采集机 器人

面对术中信息采集和远程交互的困境，首都医科大学附属北京安贞医院与北京航空航天大学合作，开发了术中信息采集机器人设备。机器人主体由智能关节、机械臂及可随机械臂自动升降的云台构成，云台前端配备有高清摄像头， 集成三维智能摄像及传感单元、高清音视频等技术，全面采集术野、手术室整体情况，医护人员状态等视频、音频信息，还可与手术室内麻醉机、监护仪、呼吸机等多种设备相连，全方位采集患者的术中信 息。医护人员可操作机器人自动升降至适合高度，无需技术人员进入手术室，避免对手术室无菌环境造成破坏。既往的术中信息采集设备普遍通过有线网络连接，经由公共5G信号进行传输，网络性能波动范围大，受其他用户影响大，而且无法保障数据安全。本装置内置 了5G SIM模组，通过手术室5G专网，高速、稳定、安全地传输手术中的音视频信号，使5G技术的优势完全发挥出来。

3.2 5G远程会诊平台的构建

为实现远程术中协作指导，需要安贞医院和对端医院间实现手术音视频的高速率、低时延、高可靠性和高稳定性的数据传输。通过在安贞医院手术室内部署5G新型室分无线设备，实现手术室的5G信号覆盖， 同时在医院数据中心建设面向园区专网的轻量化5G核心网（5GC）， 包含控制面功能的AMF、SMF、UDM模块，以及用户面功能的UPF模块，即5G核心网设备全量下沉至安贞医院院区，无线设备和核心网设备通过光纤连接。整体组网示意见图1。远程专家只需通过电脑、手机等终端设备，即可掌握患者术中的全部信息。远程专家也可以通过网络，远程直接控制现场设备，进行在线实时、高清音视频手术指导。 手术室内的机器人和术中采集设备内置有5G模组，5G模组中插入5G SIM卡，通过5G无线信号上联至5G室分基站，机器人采集的数据就可以通过5G网络进行数据分发。下沉至园区的独享5GC和UPF设备可以实现信令面和数据面数据与现网环境的隔离，有效保证数据隔离安全性的同时，实现数据在本地的速、低时延处理。手术的高清音视频数据通过UPF传送至互联网，利用广域网聚合传输服务，提供医院间数据高质量传输的保障。 同时，在院区逻辑边缘侧部署 了人工智能平台，提供面向医疗行业的AI平台能力，实现手术视频的智能化分析，提高术中实时质控水平和术后结果追踪效率，将5G和人工智能有机结合，充分发挥两者优势。我院结合已有的PACS、HIS等系统，将各科室具备网口的仪器设备纳入医院局域网，结合基于5G专网的全数据接入技术来实现不同系统间异构数据的实时汇总融合，实现各科室仪器设备资料共享，科室间、不同医院间互相调用，便于主刀医生及远程会诊专家全面掌握患 者信息，节约检索时间。

4 应用效果

2022年3月3日，我院瓣膜外科中心手术团队借助手术室术中协同及质控系统的远程会诊功能，完成了我院历史上首例、全国第2例PERCEVAL免缝合主动脉瓣植入术。借助术中协同及质控系统，远在意大利手术指导专家得以获取最真实、清晰、稳定的手术视野图像，并对手术过程中的疑点进行实时解答，顺利完成手术，使1例饱 受风湿性心脏病困扰的老年主动脉瓣狭窄患者重获新生。在实时转播过程中，借助5G进行远程手术指导，手术时延基本维持在60 ms、带 宽始终高于30 M、丢包率＜10-8，外 院专家如临现场面对面指导手术。 我院将5G和人工智能与医疗相结合，研发胎儿心脏病的智能筛查数据模型和软件、冠心病外科一体化精准诊疗系统[11]。此外，我院已 建立急性主动脉综合征疾病的高危 患者预警模型，可对主动脉疾病患者的术中风险进行准确预测。通过让 智能体学习外科医生的规范化手术诊疗，制定与高水平级别专家相似的决策方案，帮助术者在会诊过程中做出最优的手术决策，从而规范了外科手术治疗过程，提高了治疗水平。

5 讨论

5.1 5G+人工智能在远程术中会诊时的优势 

5.1.1 提高手术中远程会诊质量

5G网络具有高速率、低延迟、大容量等优点，基于5G专网建立术中远程会诊平台，降低时延、图像质量等因素对远程会诊的不利影响，让 各领域顶级专家通过术中远程会诊，“面对面”指导基层医生的手术操作过程，患者无须转诊至上级医院，即可接受上级医院专家的指导治疗，可明显改善偏远地区和资源匮乏地区患者的预后[12]。

5.1.2 降低医学生的学习曲线

以往培育1名合格的外科医生，除需要数年的理论学习外，更重要的是在临床工作中上级医师的言传身教。 既往的图片或文字教学方法很难满足外科教学需要，而“手把手”的实践教学又很难普及。此外，由于心血管外科手术的特殊性及复杂性，一般低年资医生的学习曲线要比其他外科医生更久。通过5G远程术中会诊平台，组织医学生、低年资医生在线学习，提升医疗服务水平，为低年资医师的手术顺利进行保驾护航[13]。

5.2 5G+人工智能在远程术中会诊时的不足 

5.2.1 应用成本较高

手术室内5G专网布置的相关配套设施费用较高， 尚未在众多医院普及；5G终端的研发成本较高，未能形成量产。同时，由于大量高清视频数据的采集、存储，会造成存储硬件的压力，需要大量存储硬件支持，进一步增加了应用成本。

5.2.2 技术局限性

5G边缘计算、人工智能在外科手术中处于起步阶 段，人工智能的算力不足限制了术中AI辅助决策的发展，人工智能分析、术中智能辅助决策的实现还有很长的路要走。

5.2.3 行业标准仍待完善

目前5G数据传输以及终端设备的应用在医疗行业内还未形成较为完善的规范化标准。虽然我国在2020年发布 了《基于5G技术的医院网络建设标准（MEC分册）》，但仍需完善。未来需要出台更加完善的法律政策，为5G医疗保驾护航。

5.3 未来展望

5G+人工智能技术平台在医疗领域的应用，具备自主操控、深度学习、人际协作等发展特征，以及无线、快速部署、信息实时融合传输、安全稳定可追溯等应用优势[8]。期待将来推出更加轻量化、操作更加便捷的术中信息采集机器人，辅以更加完善、先进的5G+人工智能技术，对外科手术进行精准指导。同时，还可以将增强现实技术融入系统中，通过对传统 影像数据进行三维（3D）重建，再 将3D模型通过3D眼镜投射到现实 场景中，从而实现虚拟世界和现实世界的融合，将其运用在医疗过程中可使术中信息更加直观。

参考文献

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[3]周翔,杨杰,艾克巴尔•阿布来提,等.5G远程超声引导下经皮肾穿刺碎石 取石术1例报告[J].南京医科大学学(自然科学版),2022,42(3):452-456. 

[4]陈近梅,李兰松.从互联网医院到"AI+5G"远程手术智慧医疗开启无限想 象[J].科技与金融,2019(5):59-60. 

[5]孔祥溢,王靖,方仪.5G网络技术在 医疗领域的应用前景[J].医学信息学杂 志,2019,40(4):17-20. 

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[7] TYLER J L,PATRICK J T,AMANDA C F,et al.Artificial intelligence and surgicaldecision-making[J].JAMA Surgery,2019,155(2):148-158. 

[8]黄学庆.5G网络技术在医疗领域 的应用探讨[J].医学信息学杂志,2020, 41(12):52-55. 

[9]杨吉江,费晓璐,朱卫国.临床数字 化转型中的若干思考[J].中国数字医 学,2022,17(1):2-7. 

[10] PADOY N.Machine and deep learning for workflow recognition during surgery[J].Minim Invasive Ther Allied Technol,2019,28(2):82-90. 

[11]武玉多,贡鸣,谷孝艳,等.机器学习 在心脏超声领域中的研究进展[J].临床 超声医学杂志,2021,23(9):692-694. 

[12] LU E S,REPPUCCI V S,HOUSTON S K S , e t a l . T h r e e - d i m e n s i o n a l telesurgery and remote proctoring over a 5G network[J].Digital Journal of Ophthalmology,2021,27(3):38-43. 

[13]卫荣,马锋,侯梦薇,等.人工智能在 医学教育领域的应用研究[J].医学教育 研究与实践,2017,25(6):835-838. 

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