基于5G的远程手术机器人多点协同手术应用研究

产品功能及原型设计理念和框架
（1）5G远程手术系统设计理念
5G远程手术系统主要由5G网络和5G远程机器人系统两部分构成，其中5G远程机器人系统采用主从遥操作模式，能够实现在5G通讯技术下进行远程腹腔镜手术。该系统实现将机器人技术、微创外科技术与5G通讯技术相结合，有效突破人类手、眼的生理极限，极大提升操作范围和灵巧度，提高手术质量与安全性，解决医疗资源分配不均等问题。
5G远程机器人系统主要分为患者端（从端）和医生端（主端）两部分，患者端医疗设备包括手术机器人、系列多自由度手术微型器械、3D腹腔镜影像系统和高频电刀等辅助医疗设备；医生端医疗设备主要包括医生控制台和3D视频影像接收装置及3D显示器。医生控制台与手术机器人之间的控制信号、语音信号及3D腹腔镜影像系统均需要通过5G网络进行远程传输，因此5G网络传输模块分别布置在患者端和医生端，具体总体架构如图所示，其中3D腹腔镜影像系统包括3D腹腔镜镜头、3D腹腔镜光源及摄像设备，视频采集模块及视频发送设备。

5G远程手术系统的数据传输机制主要分为机器人控制信号、语音信号传输和3D腹腔镜图像传输三部分。控制信号数据传输采用同时双向传输方式，即医生控制台将主操作手及脚踏信息发送给手术机器人，手术机器人接收到数据并进行处理，再将整个手术机器人的状态信息发送给医生控制台，反馈给医生当前手术机器人状态。语音信号采用双向传输方式，利用手术机器人和医生控制台上的语音模块实现语音采集及传输，保证医生与助手可以实时进行沟通。3D腹腔镜图像传输采用单向传输，利用影像系统中的视频采集模块采集腔内3D图像并将该图像进行编码处理后传输给视频发送设备，视频发送设备将收到的3D影像发送给医生端的3D腹腔镜接收设备，3D腹腔镜接收设备进行解码并传送到3D显示器上显示出来。
5G远程手术系统的控制机制主要应用于手术机器人与医生控制台，建立主从遥操作模式，其中医生端的医生控制台为主端，患者端的手术机器人为从端。手术时，医生操作医生控制台发出控制患者端手术机器人请求，患者端手术机器人接收并确认自身状态，若手术机器人状态符合主从操作要求，手术机器人切换到主从控制模式并给予医生控制台主从控制成功反馈信号，此时医生可通过医生控制台上的主操作手控制从端手术机器人的机械臂进行手术；若手术机器人状态不符合主从操作要求，手术机器人无法进入主从控制模式，给予医生控制台进入主从控制失败反馈信号，此时医生控制台无法控制从端手术机器人的机械臂。在手术过程中，医生控制台与手术机器人始终保持远程双向通信，医生控制台与手术机器人形成控制闭环，保证手术过程中的安全。5G远程手术系统具体流程如图所示

（2）多点协同5G远程手术系统设计理念
通过多点协同5G远程手术系统，不仅可以让医生远距离操纵手术机器人对远在它地的患者实施精准的实时外科手术，而且可以使异地专家与手术团队进行远程实时手术指导，实现实时互动与数据获取；在面对困难手术时，异地专家可以立即介入到手术过程中，实施远程手术干预，实现优质远程医疗资源的最大化利用。
多点协同5G远程手术系统主要由5G网络和多点协同5G手术机器人系统组成，其中多点协同5G手术机器人系统由医生端1、医生端2和患者端组成，医生端1包括医生控制台1、3D显示器1、5G网络传输模块B和3D腹腔影像接收设备1，医生端2包括医生控制台2、3D显示器2、5G网络传输模块C和3D腹腔影像接收设备2，患者端包括手术机器人、系列多自由度手术微型器械、3D腹腔镜影像系统、5G网络传输模块A和高频电刀等辅助医疗设备。具体多点协同5G远程手术系统架构如图所示，其中3D腹腔镜影像系统包括3D腹腔镜镜头、3D腹腔镜光源及摄像设备，视频采集模块及视频发送设备。多点协同5G远程手术系统采用主从遥操作模式，有效突破人类手、眼的生理极限，极大提升操作范围和灵巧度，具备分离、缝合、打结、电凝、电切等手术基本功能，并在每个医生控制台上设置控制权移交按键，在按下按键后可以将控制权转移至另一个医生控制台上。

多点协同5G远程手术系统数据传输机制主要分为信号数据传输、语音信号传输和3D腹腔镜图像传输三部分。控制信号数据传输采用同时双向传输方式，即医生控制台将主操作手及脚踏信息发送给手术机器人，手术机器人接收到数据并进行处理，再将整个手术机器人的状态信息发送至医生控制台，反馈给医生当前手术机器人状态。语音信号采用双向传输，利用手术机器人和医生控制台上的语音模块实现语音采集及传输。3D腹腔镜图像传输采用单向传输，视频采集模块采集腔内3D图像并将该图像进行编码处理后传输给视频发送设备，视频发送设备将收到的3D影像发送给控制台端的视频接收设备，视频接收设备进行解码并传送到3D显示器上显示出来。
多点协同5G远程手术系统控制机制应用于1个手术机器人和2个医生控制台。2个医生控制台可以实时获取手术机器人数据，而手术机器人则获取当前被授权医生控制台的数据信息，手术机器人同一时刻只能授权一个医生控制台，未被授权的医生控制台无法控制手术机器人进行手术，但仍可以实时接收到手术机器人的状态信息。当医生控制台1已经被授权，想要切换控制权到医生控制台2时，需断开主从连接，使当前手术机器人进入待机模式，按下医生控制台1上的控制权切换按键，将控制权移交给医生控制台2，医生控制台2可继续控制手术机器人完成手术，具体控制机制如图所示。机器人控制端1和控制端2分别为医生控制台1和医生控制台2，机器人执行端为手术机器人。


多点协同5G远程手术系统方案具体流程如图所示。

创意特色及技术性能
5G远程机器人临床应用已经成为全球范围内的新型研究热点，将5G技术与机器人技术相结合是解决优质医疗资源分配问题的前沿技术手段和重要途径。本产品旨在具有自主知识产权的5G远程多点协同微创手术机器人应用于临床，实现优质医疗资源的下沉，服务人民健康。产品的独特性和创新性如下：
在远程手术室中构建完整的医疗信息系统、医疗服务系统、图像管理与通信系统、远程监控系统、非标格式流媒体处理系统、远程协作系统和手术机器人系统等子系统，并实现多系统信息共融和交互以及专用医疗5G网络下的设备数据协同应用，提高医疗信息化水平。实现5G网络下的机器人辅助手术应用，提高远程医疗手术的专业化水平。
基于5G大宽带和低时延特性，构建远程手术室场景与远程手术操作者的遥操作网络环境，实现微创医疗手术机器人技术与5G高速网络通讯技术的结合，实现远程条件下高速稳定读取、高速稳定传输。提高医生判断效率与患者救助时效，极大扩展高水平医生的能力覆盖区域，促进远程外科从会诊到治疗的跨越。
基于5G大联接的技术优势实现远程手术由“单点对单点”向网络化发展，实现多点协同远程手术。通过多学科联合手术，一名患者可以通过链接多位不同领域专家，远程接入完成手术，实现优质医疗资源最大化的利用。
公司在5G远程腹腔镜手术机器人领域取得了多项核心技术和独创成果，其自主研制的腔镜手术机器人已完成人体临床100余例，拥有自主知识产权170余项。2018年12月28日，与华为、中国联通、北京301医院合作，在福建完成了世界首例5G远程外科手术实验，医生控制台位于长乐中国联通东南研究院，手术机械臂系统位于福建医科大学孟超肝胆医院，两地相距50余公里，操作延时小于100毫秒；2019年9月8日，公司联合北京301医院、中国联通、利用5G网络，实现了北京-苏州两地千里多点协同操作，成功实施了世界首例多点协同远程多学科机器人手术实验，在本次实验中，两位手术者分别在苏州和北京，利用5G网络共同操作位于苏州的机械臂，对实验动物实施了胃、肠切除和肝切除手术，此次实验为外科机器人5G网络协同远程手术奠定了技术基础；2021年10月，公司与北京大学第一医院泌尿外科团队在中心院区与相隔80公里之外的密云院区间实施双控制台远程动物手术试验；2022年3月，公司与北京协和医院远程医疗中心与北京大学第一医院手术室之间完成5G+固网专线远程手术操作测试；两次远程操作手术实验均取得圆满成功。

与5G结合性及强相关性及产业联动效应
在5G技术研发之前，由于光纤传输的信号衰减，导致机械操作的延迟，远程外科手术仍尚未进入临床阶段。随着5G时代的到来，我们能够使用高带宽、低延时、高并发的通讯网络，这样云、网、端三位一体的云机器人才可能真正得到大规模的应用，5G传输技术的研发将超越光纤的传播速度，代替线缆连接的传输介质，打破空间的界限，将5G技术创新性与手术机器人系统相结合，为远程手术的合理实现提供了解决方案，打破了医疗资源和医患资源的空间壁垒，使诊断和治疗不再受地域限制，将核心医疗资源释放，实现医生资源和患者需求的高效分配与对接，加速了我国远程手术机器人研发与落地，5G远程手术的应用实施，标志着外科手术正式进入“5G”时代。随着5G时代的到来，5G远程医疗在技术端迎来极大突破。再加上国家对5G远程医疗的重视，以及中国药品与国际接轨，5G的技术研发会得到国家更大的支持，前景令人期待。
5G通信技术的升级，与医疗卫生产业的深度融合，极大地促进健康医疗大数据的流动，收集和存储，也为医学人工智能的数据模型算法进化等提供非常好的基础，将为医疗信息化建设，提供更为广阔的空间，在很大程度上满足了医疗实时性、高效性以及稳定性需求。研发产品可更好的基于实时图像、语音、视频等技术，在术中进行专家实时会诊，更高效的实现医生对病人远程手术操作，5G技术的发展，在产品生产形成产业链后，更能推进智能制造业、集成电路制造业、驱动控制研发、高清图像研发、云端通信等行业的发展。

5G与AI、大数据、先进计算、区块链等技术的融合度

5G网络指第五代移动通信技术。它具有低时延、大宽带、高速率的特征，速率和连接数是4G的100倍，时延却只有4G的1/10，它的出现可以解决远程手术中最为关键的传输问题。5G远程无线传输将比肩光纤传输速度，代替传统物理连接的传输介质，打破空间的界限，有效解决远程无线信号传输延迟和不稳定等关键问题，通过对5G网络下的控制通道和软件系统的不断优化，远程手术的时延将更低，响应将更快，手术安全性会得到极大提升，逐渐达到可以临床应用推广的水平。
应用5G远程手术技术，可以充分发挥专家的技术特长，大幅提高边远地区或医疗欠发达地区的医疗救治质量；而在不同医生端之间进行信号切换则可以实现多专科医师协同，完成复杂的需要多门亚专科相互协作的手术。可以说，手术机器人技术的成熟为远程高质、高效的手术救治提供了可靠的技术依托。
将5G技术与手术机器人技术相结合，利用5G网络技术的大带宽、低时延、大联接的技术优势保证远程手术的稳定性、可靠性和安全性，将优势医疗资源下沉基层，提升偏远地区医疗卫生服务水平已经成为基层群众非常迫切的需求。为提高不同地区医务人员诊疗水平、辅助医生进行外科手术决策、加速远程手术教学科研等成果落地、充分应用人工智能、云计算、大数据、物联网等先进技术手段，集成实现数据汇聚、数据治理、数据挖掘和数据利用等功能，提高远程卫生医疗服务智能化水平。

项目的价值以及市场需求、分析市场容量
随着科技的发展，国产手术机器人技术逐渐成熟，无线通讯网络技术水平居世界前列。应用5G网络应用于机器人远程手术研究，是解决偏远、边疆地区医疗水平不足、医疗资源匮乏问题的有效方案之一，市场需求迫切，借助5G的毫秒级延迟更可以实现远程治疗，同时更进一步的远程手术应用也将变成现实，具有重要的应用价值。产品转化后，5G远程机器人具备的远程手术救治能力可以完成医疗专家全地域远程外科救助；同时在平台上引入人工智能技术，积累并共享重要的临床医疗数据，不仅可以使得不同地区的医生在该平台上进修学习提高外科技术，并且可以使得患者不需要迈出当地医院，就可以享受到来自全国各地专家的医疗服务。
5G远程机器人的市场应用集成了临床技术、高精尖机器人技术和通信技术，助力医疗资源下沉，使医疗资源的配置更加公平合理。产品以5G技术和机器人技术为主体，带动多专业交叉应用，极具创新性，产品走向市场后，需要通讯产业、高端零部件制造、精密电路集成、3D高清镜头研发等产业相结合来促进产品更好的推广，同时产品应用走向市场，极大程度上推动相关上下游产业的加速发展，是在高端医疗装备领域中能够率先打破国外垄断的产业市场地位。
国内三级医院超过2000家，市场规模保守估计超过100亿，微创手术机器人预期销售价格为500万元左右，具有明显的价格优势和可推广性，不仅满足国内市场，而且具有国际竞争优势。产品采用“剃须刀”的营销模式，不仅设备产生价值，而且器械等耗材也会占有较大的市场空间，耗材市场规模可以达到几十亿/年，产品上市后的销售会呈爆发性增长，市场前景巨大。产品走进市场后，将打破美国全科型手术机器人的垄断局面，成为国内外科手术机器人技术的领军者，创造国家的民族品牌，服务人类健康。
本产品的研究具有如下产业效应和社会效益：
（1）5G远程机器人手术技术转化为实际应用之后可以实现不同的环境及距离下的远程外科救治。大幅度提高我国边远地区的医疗救治能力和疑难杂症的诊治效率，解决边远地区看病难的问题，提高整体医疗效率。
（2）远程外科手术平台通过建立标准的数据交换和集成，将原先分布在各医院外科中的信息交换整合到远程外科手术平台，实现中心医院到节点医院之间信息的互联互通，消除信息孤岛，使信息数据实现充分的共享，以优化远程外科手术流程；使患者花费更少的费用和更短的时间得到更好的医疗服务，最大限度的方便病人就医。
（3）经过5G远程机器人会诊培训手术平台建设，对医院进行信息系统进行改造，满足国家相关评级要求，如互联互通、电子病历功能评价等，为未来智慧医院的建设打下坚实基础。可以从各省市中心医院推广，逐步覆盖至边远地区医院。
（4）过开发基于5G超大带宽、超高可靠、超低时延网络的机器人远程控制通道，提高远程微创手术的安全性和可靠性，使微创手术机器人在满足临床手术需求、安全有效的前提下，大幅降低成本，实现5G远程手术应用示范。
产品转化后不仅对微创手术机器人具有重大意义，同时也可以应用于其他机器人领域，促进相关领域技术的发展，解决关键核心技术问题，为全国科技创新和产业化添薪续力，推进优化经济发展结构。

商业模式
我国国土面积辽阔，人口众多、分布不均衡，存在医疗资源部分地区相对稀缺和分配不均衡的现实问题。本项目基于5G的远程手术机器人多点协同手术应用研究的市场主要定位在我国偏远地区和边疆环境恶劣地区，我国偏远地区由于偏僻的地理因素和经济发展落后限制了当地的医疗卫生事业发展。有相关数据显示，2017年基层医疗卫生机构约933024个，其中乡镇卫生院36551个，村卫生室632057，二者共占比71.7%，医疗资源匮乏，医疗水平普遍较低。许多患者由于缺少专家、缺少经验、缺少先进的治疗设备而导致患者不得不去后方的大医院进行救治，路途遥远，效率低下，很容易造成延误，得不到及时治疗。并且位于基层的医务人员外出学习进修的机会不多，专业技术水平发展受限，基层医疗机构对于疾病的诊疗水平难以提高。
因此为促进偏远地区和边疆地区的医疗发展及让患者享受更优质的医疗服务，应用机器人外科手术平台与无线通讯技术相结合的开发策略，解决偏远地区和边疆地区医疗资源不匹配的问题。现行的无线通讯技术主要包括无线电、卫星、通用无线网络等。无线电通讯带宽较低，无法完成视频信号和操作信号传输的能力，是远程手术高速信号传输的隐患。5G网络具有低时延、大宽带、高速率的特征，它的出现可以解决远程手术中最为关键的传输问题。5G远程无线传输将比肩光纤传输速度，代替传统物理连接的传输介质，打破空间的界限，有效解决远程无线信号传输延迟和不稳定等关键问题，通过对5G网络下的控制通道和软件系统的不断优化，远程手术的时延将更低，响应将更快；采用多点协同策略不仅可以让医生远距离操纵手术机器人对远在它地的患者实施精准的实时外科手术，而且可以使异地专家与手术团队进行远程实时手术指导，实现实时互动与数据获取；在面对困难手术时，异地专家可以立即介入到手术过程中，实施远程手术干预，实现优质远程医疗资源的最大化利用；将5G技术、多点协同与手术机器人技术相结合手术安全性会得到极大提升，逐渐达到可以临床应用推广的水平。
为打破国外对该技术产品的垄断，我司的产品实行高质平价的经营模式，产品销售采用先付款后发货的销售策略，我司产品面向的客户是国内和国外具有一定规模的二甲、三甲医院，客户稳定可靠，产品走进医院后，会建立良好的合作关系，产品的维护与售后也是我司的一种获利方式，由于产品进入市场后会进入医院，面向对象直接是患者，该产品需要定期维护，包括季度检修、半年检修、一年检修，由于技术先进性这些工作非我司人员无法自己完成，我司对该产品提供保障服务，我司需要派专人前往维护，同时器械等其他易损耗零件具有使用寿命，更换时需从我司购买也是我司的一种获利方式。
自2014年1月成立以来，哈尔滨思哲睿智能医疗设备有限公司累计融资近5亿元，投后估值三十亿元人民币，投资者包括博实股份（002698）、深创投、安信投资、上海久有等投资机构。

产品原型、logo等设计图片，产品评估验证的图片、评测报告等
产品原型：
产品主体包括医生控制台和患者手术平台。

产品logo设计：


产品评估验证：
2019年9月8日，公司联合北京301医院、中国联通、利用5G网络，实现了北京-苏州两地千里多点协同操作，成功实施了世界首例多点协同远程多学科机器人手术实验。

2021年10月，公司与北京大学第一医院泌尿外科团队在中心院区与相隔80公里之外的密云院区间采用固网专线实施双控制台远程动物手术试验；2022年3月，公司与北京协和医院远程医疗中心与北京大学第一医院手术室之间完成5G+固网专线远程手术操作测试；两次远程操作手术实验均取得圆满成功。

团队介绍及其他
哈尔滨思哲睿智能医疗设备股份有限公司是国内最早专门从事腹腔镜手术机器人研发和产业化的高新技术企业。公司于2019年被苏州市评选为重大创新团队，同年入围了工业和信息化部印发的新一代人工智能产业创新重点任务揭榜名单。公司获批苏州市“独角兽”培育企业，获得重大创新团队、省市级领军人才项目等支持10余项。获国家863项目、百千万工程重大科技专项等科技计划支持10余项。
公司与北京大学第一医院、北京协和医院、解放军总医院第一医学中心、哈尔滨工业大学、民航总医院、西藏自治区人民医院、新疆医科大学第一附属医院、中国移动通信集团北京有限公司组建了集国内最优势资源的医工结合团队，公司通过与医院合作，目前已成功开展100余例临床实验，是国产手术机器人泌尿外科临床试验进展最快的企业。此外，苏州康多所凝聚的国内最强研发队伍中有多人为JWG9联合工作组专家和医用机器人标准技术委员会专家，正在与国内外同仁共同推动全球医疗机器人标准化工作。
公司通过理论创新、应用创新以及工艺创新实现了外科手术机器人的研发突破，若干关键技术已突破国外产品技术封锁，在轻量化手术机械臂、微机械设计与制造、医疗人机交互等方面具有独到技术，拥有自主知识产权170余项，技术能力和产业进度处于国内领导者地位，其中主从一体式腹腔镜手术机器人已经完成注册程序。公司与哈工大、中国移动以及北京大学第一医院、北京协和医院等多家著名医院组建了集国内最优势资源的医工结合团队。
团队核心人员作为技术负责人完成国家“863”项目“微创腹腔外科手术机器人系统研究”和“脊柱微创手术机器人系统研究”，参加国家“863”计划重点项目“腹胸腔微创手术机器人共性关键技术与示范应用”，并主持863计划项目“专科型微创手术及手术辅助机器人系统的研制”等相关项目或课题。团队在微创医疗手术机器人的研究方面取得了大量原创性成果，在该领域处于国内领先地位。团队研制的手术机器人系统具有我国自主知识产权，在手术机器人系统的机械设计、主从控制算法、三维腹腔镜与系统集成、医疗机器人系统创成、人机协调控制等关键技术方面都有重要突破，积累了坚实的研发基础和丰富经验，技术优势明显。团队核心人员后续主持完成了面向新疆边远地区创伤医疗中心的智能骨科诊疗装备研究及应用示范和单孔腔内微型机器人外科手术系统优化设计与控制技术研究等科技部和自然科学基金委项目。完成了黑龙江省杰出青年基金1项、获国家技术发明二等奖1项、黑龙江省技术发明一等奖1项。以上国家和省科技计划项目经验为微创医疗手术机器人的研制打下了坚实的技术基础。