计算机在生物医学中的应用：远程手术现已进入应用阶段

2024-10-29 百科知识版权反馈

【摘要】：目前进入应用阶段的远程外科还限于远程会诊、远程手术观摩，真正的远程手术尚处于研究阶段。

2.6　远程手术

2.6.1　远程外科

远程外科是将远程医疗手段用于外科疾病的诊断及治疗，包括远程会诊、手术观察、手术指导、手术等。另一个和远程外科密切联系的概念是虚拟现实，虚拟现实是指人们可以控制真实感极强的由计算机生成的三维图像界面。这样的系统可以快速修改和控制各种扫描装置采集的大量数据，也可以在外科医生的指挥下，在不干扰正常外科活动的情况下重构和传输虚拟的图像。

1）远程外科的发展概况

远程外科是随着远程医疗技术的发展而逐步发展起来的。迄今为止，国外大多数远程医疗系统用于地域较偏远或人员较少的地区，而在美国，远程医疗最早应用是为那些不可能获得常规医疗服务的人群提供必需的医疗保障，如宇航员、野战兵等。20世纪80年代以后，随着计算机及通讯技术日新月异的发展，越来越多的证据表明，用更低档的设备在更广大的范围内开展远程医疗能够成为现实。Mayo诊所是最早实施远程医疗和应用虚拟现实技术的医疗机构之一，目前正在开发虚拟现实辅助外科程序（VRASP）。外科医生使用该程序可在术前进行手术的规划、预演和模拟，最后医生用语音或交互式虚拟装置及精密传感系统，通过远程网络指挥远端站点内的机器人或精密机械手来完成手术。

远程医疗在国内起步较晚。1995年上海医科大学附属中山医院成功开通了国内第一套适用于程控电话的远程多媒体专家会诊系统。1998年6月26日，第一所中美远程会诊中心在西安医科大学正式启动，该中心通过Internet顺利地与美国斯坦福大学医疗中心接通，互动状态良好。目前，广东、天津、山东均从VTEL美网视讯公司引进智能多媒体会议电视及配套智能设备，建成省内ATM宽带远程医疗网络，TC 2000是VTEL平台推出的新一代多媒体远程医疗专用设备，可接耳、鼻、喉等观测镜和图像医疗外围设备。这些设备为远程医疗和远程外科提供了条件。上海瑞金医院采用的远程医疗系统，是一种高质量、高清晰度的传输手段，特别适合一点对多点的远程手术示范、医疗教学。1999年8月17日，在转播瑞金医院运用腹腔镜切除胆囊时，现场图像和音频信号经微波传输设备与上海的广播电视光纤网络接驳，传输到上海浦东维赛特卫星地面站，上行发送到亚太Ⅰ号通信卫星，再由深圳的卫星接收袋置接收来自转发器的信号并送到“第3期全国大型医院院长高级研修班”会场。这种高质量、高清晰度的通信传输手段，可向全世界任何国家或地区传输。

目前进入应用阶段的远程外科还限于远程会诊、远程手术观摩，真正的远程手术尚处于研究阶段。

2）室内外系统及信息传播

远程外科的室内连接网络可以是视听（同源、数字化、铜质、玻璃纤维）、ATM（异步传输方式）或内部网络。转播中心信号应能够在不同的房间切换，或通过各运行软件，在各端口的监控下按每个房间的要求进行连接。室外信号传播必须经过压缩和数字化，可借助于电话网络、ATM、卫星、Internet等不同的媒体。

手术室应有一台具有全景与主题摄影、变焦和自动聚焦功能的全景摄像机，有摄像支持的手术设备的系统与图像传播系统应兼容。此外手术室需配置录像机、字幕机、视频制作切换设备、音频制作台等。

患者信息应当如同放射信息系统一样数字化后存储。每一例病人都应建立一个广泛的、数字化的患者档案和外科专业化的信息系统（CIS）。除了会诊时手术中图像资料的实况转播外，应能够在任何时候调看上述系统中的信息。

2.6.2　远程手术

1）远程手术过程

①远程会诊与手术规划首先中心与远端站点的医生之间应使用外科信息系统对病人资料做出详细分析和研究，只有在得出使用远程手术对病人更为有利的结论后才能决定实施远程手术。应能保证执刀医师（位于中心站点）在术中能随时调用病例资料，并可与相应的同事、病理学家进行在线咨询。应用虚拟现实技术进行手术规划与预演时，应准备主要手术方案的可能替代方案（第二选择）。

②手术实施远程手术实施时，执刀医生位于中心站点，通过各种技术手段遥控位于远程站点的机器人（或其他智能型机械手）来进行手术。所以远程手术在位于中心站点的虚拟手术室和远端站点实际手术室同时进行，前者的手术对象是由患者的信息数据再现的虚拟病人。首先应用虚拟现实技术及精密传感技术将远端患者的空间透视图像以及患者的状态、姿态信息及重要的生理信息传送至控制中心，并精确地显示于操作者（外科医生）的一个虚拟图像环境中。外科医生以虚拟现实装置，利用订制的界面对虚拟的患者手术部位进行虚拟手术操作。

远程手术的完成尚需要一个受到中心站点精确控制的智能机械系统，包括机器人、操纵杆或精密机械手。这种机械装置可以在远端站点的手术室完全逼真地再现中心站点专家在虚拟现实环境中所进行的手术操作，使之准确地施加在与虚拟现实环境中完全相同的患者身体的部位。要实现这一过程，需要研究精确的远程传感器技术、控制技术、高速实时图像传输技术等。

远程手术系统是提高手术的精确度和安全性，并使外科医生从繁重、费力的手术过程中解放出来的新技术。各种语音操作、“触摸屏”、“头/眼跟踪”等目前正在测试其功能。虚拟现实技术中目前要解决的问题是脏器组织性质的模拟及节律性反馈装置。待这些研究取得成功，对推动远程外科的发展必将发挥重大的作用。

2）虚拟临场手术系统

图2.22　虚拟临场手术系统结构(www.chuimin.cn)

图2.23　遥控和机器人手术示意图

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术是20世纪90年代科学界和工程界所关注的技术，它为人机交互界面的发展开创了新的领域。虚拟现实技术利用计算机来模拟真实世界，让人通过计算机图形的三维空间去真正感受世界，使人遨游在逼真的“虚拟环境”中。VR技术就是提供了一个人机接口。在医学中，VR技术通过对人的视觉、触觉、听觉等方面的传感来实现对计算机的控制及同其他使用者打交道，完成各种操作。虚拟现实技术的优势就在于它能借助相应硬件处理大量的抽象数据，实时快速地显示结果。虚拟临场手术结合了机器人辅助外科系统与虚拟现实技术，实现了过去辅助手术系统中所不能提供的医疗数据直接实时的交互测量和操作功能，可以充分发挥这些数据在科研和医疗信息中的作用。虚拟临床手术正是随着VR技术的发展而得以实现的，它为医学手术的发展又开辟了一条新的途径。

目前，虚拟临场手术主要集中在研究遥控操作、仿真规划和视觉重建3个方面。这类系统的结构如图2.22所示。从此结构图中可以看出，系统要具有三维成像、网络通信、遥控机器人、计算机仿真和控制手术过程等多方面功能的综合才能得以实现，其难度相当大。但这种系统的应用价值很高。它不仅能在手术中起到辅助定位和导向作用，可以使医生在虚拟环境下进行手术规划和仿真，还可以作为医疗培训和教育的数据库。利用此手术系统，若手术医生不能亲临现场，他也可在异地通过遥控操作系统控制手术现场的机器人完成手术。如图2.23所示，手术器械上的受力情况通过临场感知系统从手术现场传递给手术者，手术现场的其他情况通过监视系统传递给手术者。由于此系统本身具有真实的效果，因此，在未来战争的战地救护中必将能及时有效地挽救战士的生命。自虚拟现实技术兴起以来，已有许多人工智能理论专家和机器人专家在此方面开展研究工作，具有代表性的机构有美国卡内基梅隆大学。

3）医疗外科机器人手术研究方向

目前，医疗外科机器人手术尚处于研究阶段，实际应用于临床的系统很少。外科手术对安全性、可行性、实时性、机器人运动的精度要求很高，因此实现比较困难。同时从上述介绍的系统来看，医疗外科机器人手术是一个多学科交叉的复合体，它涉及电子通信技术、机器人的机构设计、机器人控制技术、计算机图形学、虚拟现实技术、医学和微创伤手术方法等多方面的知识，因此实现的难度很大。目前，针对这些困难，医疗外科机器人系统的研究主要集中在以下几个方面：

①三维图像的重构研究：三维图像的产生为机器人手术系统提供前提。

②机器人的设计与实现。

③机器人运动控制和路径规划研究。要求机器人的运动精度高，当运动路径的选取更加科学时，系统整体的安全性将更好。

④虚拟现实技术和通信技术在医疗外科机器人系统中的应用研究。

⑤临床应用研究。

随着科技不断向前发展，各国对医疗外科机器人手术研究投入的人力和物力不断增加，相信在不久的将来，医疗外科机器人手术将能更好地为人类服务。

4）远程出席指导手术

远程出席指导手术是远程手术的一个重要方面，它充分体现了远程医疗给医生病人带来的好处。远程出席指导手术是指外科专家在不同于实施手术现场的异地接受手术现场的各种信息（数据、图像、声音、感觉等），修改手术的模式并将信息反馈给手术现场，从而指导机器人或医生来进行手术。实现远程出席指导手术能够带来许多好处，有利于提高边远地区以及城市医疗服务质量，降低医疗成本，同时有利于医务人员的培训和再教育。

目前，许多发达国家都在进行这方面的研究，在美国和欧洲地区，至少有10个研究小组正在开发远程外科系统。其中加州国际SRI公司已经开发成功一种被称之为“格林远程现场外科系统”的装置，外科医生坐在操纵台前，戴上一副三维成像镜，即可观察到手术室全景及放大后清晰的患者图像。手术医生可通过命令语言指挥摄像机拍摄手术过程。另外，手术时所有的声响均可通过音频设备实现传输，哪怕是手术的细微响声也能听得一清二楚。

实现远程出席指导手术的关键是要解决如何让远离手术台的专家真实地感受到手术现场的状况，因此，这一技术的关键在于实现多媒体交互信息的传输。德国一些大学研制的计算机辅助外科系统利用在手术灯的中心加入照相机，成功地实现了手术现场的拍摄，并将信息传输给外科专家，外科专家在监视器前指导手术的进行。他们利用这一系统已成功医治了6位有头盖骨疾病的患者。

远程出席指导手术虽有其许多优越性和先进性，但目前发展此技术尚有许多有待解决的问题。通信的延时性往往使手术者与专家观察到的现场情况并不是同步的；远程出席指导手术本身要求传输各种信息（图像、数据、语音等）目前还没有统一的技术标准，以致难以互相协调。随着医疗水平的不断提高，人们将不断地研究和解决远程手术中出现的问题，使远程手术更广泛地应用于人类。

可以看出，医疗外科机器人和远程出席指导手术之间并没有严格的界线，只是两者的出发点不同：前者主要强调机器人模拟或操纵手术；后者主要强调由外科专家去指导手术，解决手术中的疑难问题。随着远程手术技术的进一步发展，可望出现新的对远地病人施行手术的方案，使外科医生的“手”延伸到任何有需要的地方。

计算机在生物医学中的应用：远程手术现已进入应用阶段

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