5G 時代下顯微外科的教學(xué)革新

駱申英 顧舒晨 劉云菡 昝濤

【提要】 第5 代移動通信技術(shù)（5G）相較前4 代移動通信網(wǎng)絡(luò)，具有高速率、低時延、大連接的核心特點，能真正實現(xiàn)人-機-物網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，目前已在社會各領(lǐng)域中逐步推廣。本文著眼于目前顯微外科教學(xué)的短板與困境，討論5G 與超高清成像技術(shù)、大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)、擴展現(xiàn)實技術(shù)、3D 打印技術(shù)、人工智能技術(shù)的結(jié)合，在促進顯微重建手術(shù)的遠程教學(xué)、實時指導(dǎo)、精準(zhǔn)訓(xùn)練，提高教育資源的可及性、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化中的重要作用；同時，分析全面普及5G 技術(shù)的局限性與挑戰(zhàn)，對5G 時代下的顯微外科教學(xué)提出展望與新思考。

隨著我國社會工業(yè)化及現(xiàn)代化的進程不斷加快，大面積燒傷、肢體離斷等各類嚴(yán)重創(chuàng)傷的發(fā)生率逐年上升，應(yīng)用顯微外科進行復(fù)雜重建的需求量也與日俱增。然而當(dāng)前的顯微外科教育與培訓(xùn)模式，多采用傳統(tǒng)的“學(xué)徒”培養(yǎng)模式，存在培養(yǎng)周期長、培養(yǎng)難度高、培養(yǎng)質(zhì)量參差不齊等問題。因此，顯微外科的教育與培訓(xùn)模式革新迫在眉睫。

1 顯微外科教學(xué)現(xiàn)狀與困境

不同于常規(guī)外科手術(shù)，顯微重建手術(shù)除需配備顯微鏡和專用的手術(shù)器械外，還對操作技術(shù)和精細(xì)解剖結(jié)構(gòu)的熟悉程度有極高的要求。現(xiàn)代顯微外科教育以各種模型、動物標(biāo)本、動物活體及人體標(biāo)本為基礎(chǔ)開展訓(xùn)練[1]，已形成相對成熟的培訓(xùn)體系。但Javid 等[2]評估了64 種訓(xùn)練模型的證據(jù)水平后發(fā)現(xiàn)，除活體動物外，僅冷凍保存的小鼠主動脈模型可達到最高證據(jù)等級標(biāo)準(zhǔn)，且仍與臨床實際情況存在差距。實際手術(shù)操作中狹小的手術(shù)野、缺失的觸覺感受等，很大程度上限制了受訓(xùn)者的學(xué)習(xí)效率。

為了改進現(xiàn)有的培訓(xùn)方式，多種結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)的顯微外科培訓(xùn)系統(tǒng)被開發(fā)并應(yīng)用于教學(xué)[3]，但均處于起步階段，只能展示簡化后的圖像供受訓(xùn)者進行交互，且絕大多數(shù)僅包含基本操作，而非整個手術(shù)過程。

在全球新冠肺炎疫情背景下，要實現(xiàn)顯微外科教學(xué)模式的新突破，逐步提升遠程、線上、數(shù)字化教學(xué)比重的重要性不言而喻，而推廣上述教學(xué)模式的基礎(chǔ)及關(guān)鍵在于具備足以支撐相應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⑼ㄐ偶夹g(shù)。

2 第5 代移動通信技術(shù)（5th generation mobile communication technology，5G）

由于4G 網(wǎng)絡(luò)難以滿足暴增的移動數(shù)據(jù)流量需求，第5代移動通信技術(shù)應(yīng)運而生。第5 代移動通信技術(shù)簡稱5G，其全球標(biāo)準(zhǔn)由國際電信聯(lián)盟于2015 年提出，并于2020 年起正式商業(yè)化。5G 技術(shù)具有高速率、低時延和大連接的核心特點，峰傳輸速度和最低網(wǎng)絡(luò)延遲分別從4G 時代的100 Mb/s和20 ms 改善至10～20 Gb/s 和＜1 ms，同時物理終端連接數(shù)提升至100 萬連接/km2，解決了4G 時代難以實現(xiàn)的人與物、物與物間的通訊問題，為真正實現(xiàn)移動醫(yī)療奠定了基礎(chǔ)。

目前，在5G 技術(shù)的支持下，醫(yī)療領(lǐng)域有望再一次獲得突破性的進展，目前已經(jīng)實現(xiàn)了一些在4G 網(wǎng)絡(luò)時代僅為概念性的設(shè)想或?qū)嵤r不甚完美的臨床醫(yī)療活動，如5G 技術(shù)結(jié)合4K/8K 高清視頻的“身臨其境”的新型遠程會診、5G 網(wǎng)絡(luò)會診平臺、5G 救護車、5G 與混合現(xiàn)實（Mixed reality，MR）或增強現(xiàn)實（Augmented reality，AR）協(xié)同的遠程手術(shù)等[4-5]。由此可以預(yù)見，在醫(yī)學(xué)教育及訓(xùn)練中5G 技術(shù)也將大放異彩，尤其在顯微外科這類對于教學(xué)操作畫面真實性、同步性、清晰度等具有極高要求的學(xué)科領(lǐng)域中，更具有劃時代的意義。

3 5G 技術(shù)與各項技術(shù)相結(jié)合，全方位提高顯微外科教育水平

3.1 5G與4K/8K 分辨率成像技術(shù)

4K/8K 分辨率分別指具有4 096×2 160/7 680×4 320 像素的超精細(xì)畫面，每幀畫面所需顯存容量可達上百Mb，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常巨大。借助于5G 技術(shù)突破性的高傳輸速度及低網(wǎng)絡(luò)延遲，理論上可實現(xiàn)顯微外科手術(shù)要求的高分辨率圖像記錄與實時傳播，突破時間與空間的限制，實現(xiàn)實時遠程教學(xué)、手術(shù)指導(dǎo)等教學(xué)活動，進一步實現(xiàn)醫(yī)學(xué)教育的同質(zhì)性、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。目前，我國已啟動“5G+4K/8K 超高清制播示范平臺” 項目，內(nèi)容涵蓋5G 超高清業(yè)務(wù)傳輸網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施、建設(shè)便攜式5G+4K/8K 直播編碼傳輸系統(tǒng)等，可為實現(xiàn)上述設(shè)想提供完備的硬件與軟件設(shè)施。

3.2 5G 與大數(shù)據(jù)儲存技術(shù)

大數(shù)據(jù)儲存是指將數(shù)量巨大，難以收集、處理或分析的數(shù)據(jù)集持久地儲存至計算機中，該技術(shù)現(xiàn)已具備相對成熟的方法及規(guī)范。外科的臨床技能培養(yǎng)，尤其是顯微外科，理論培訓(xùn)過程中術(shù)中照片及視頻等直觀的學(xué)習(xí)資料十分必要，具有旁白實時講解和畫面標(biāo)記的影像資料則價值更高[6]，在學(xué)習(xí)過程中能起到事半功倍的效果。顯微重建手術(shù)中涉及的組織結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，對相應(yīng)圖像化資料的分辨率要求也相對較高，且其手術(shù)時長往往較一般手術(shù)更長，因此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量十分龐大。

既往相關(guān)資料由于數(shù)據(jù)傳輸速度、存儲空間受限等原因，難以廣泛傳播。結(jié)合5G 技術(shù)的高傳輸速度及大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，可使各種資料上傳及下載速度達到以往的數(shù)十倍，傳輸更便捷，減少教師備課及學(xué)生學(xué)習(xí)的準(zhǔn)備時間；另外，公共服務(wù)器等資源技術(shù)的進一步成熟，使用戶無需再將此類資料存儲于個人終端中，大幅度提升各種教學(xué)資源的可及性，更好地實現(xiàn)資源共享，令原先受硬件或網(wǎng)絡(luò)條件限制而無法獲取相關(guān)資源的學(xué)習(xí)人員，利用手機等便攜式移動終端，也可觀看高分辨率的影像學(xué)習(xí)資料，從而促進遠程教育及課外教學(xué)的發(fā)展。

3.3 5G 與擴展現(xiàn)實技術(shù)

對于顯微外科技術(shù)的掌握和提高而言，有效的練習(xí)至關(guān)重要，因此操作訓(xùn)練應(yīng)盡可能按照真實情況模擬。擴展現(xiàn)實技術(shù)（Extended reality，XR）是利用人機交互設(shè)備結(jié)合真實世界與虛擬場景的計算機技術(shù)，包含AR、VR 及MR。

AR 技術(shù)可利用Microsoft HoloLens 等硬件設(shè)備，將虛擬信息疊加至真實世界中，利于各級受訓(xùn)者學(xué)習(xí)解剖結(jié)構(gòu)；VR技術(shù)使受訓(xùn)者沉浸于虛擬世界中，通過自身真實動作與虛擬場景產(chǎn)生交互，進行模擬仿真學(xué)習(xí)，目前已開發(fā)有多項應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教育中的VR 系統(tǒng)；MR 技術(shù)為AR 和VR 的結(jié)合，可在真實世界中與虛擬信息進行交互[7]。Mahajan 等[8]開展了全球首例應(yīng)用HoloLens2，使處于兩個國家的325 名醫(yī)護人員基于VR 影像共同進行教學(xué)查房的研究，調(diào)查結(jié)果表明，94%的參與者認(rèn)為該種學(xué)習(xí)模式對醫(yī)學(xué)教育很有價值。Greenfield 等[9]已利用AR 技術(shù)遠程指導(dǎo)了1 例手部重建手術(shù)，相比于既往僅利用視頻通訊進行指導(dǎo)，AR 可實時捕獲指導(dǎo)者的手勢、動作、標(biāo)注等信息并投影至術(shù)區(qū)，突破以往僅有音頻指導(dǎo)的限制，使受指導(dǎo)者能以第一視角更直觀、實時地領(lǐng)會指導(dǎo)者的想法。

由此可見，XR 技術(shù)在各級醫(yī)療教育中有著巨大的發(fā)展前景，但受限于目前的技術(shù)水平，通過XR 技術(shù)模擬出的場景真實度、畫面分辨率、傳輸同步率仍與理想情況存在一定差距。因此，未來將5G 技術(shù)與XR 技術(shù)相結(jié)合，進一步發(fā)揮XR技術(shù)的優(yōu)勢，提升畫面及交互指令傳輸速度，降低延時，使虛擬仿真訓(xùn)練中獲得的反饋與經(jīng)驗更接近于真實情況，可大大提高受訓(xùn)者的操作熟練程度及學(xué)習(xí)效率，并縮短培養(yǎng)周期。

3.4 5G 與人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)（Artificial intelligence，AI）是研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人類智能的新技術(shù)科學(xué)。通過基于5G 技術(shù)實現(xiàn)的大數(shù)據(jù)傳輸與高通量計算，為開發(fā)AI 相關(guān)教學(xué)系統(tǒng)提供便利，利用機器及程序?qū)W習(xí)，有望實現(xiàn)訓(xùn)練過程中由AI 實時糾正錯誤操作，更好地記錄受訓(xùn)者的習(xí)慣與偏好，進一步通過針對性訓(xùn)練提升受訓(xùn)者的學(xué)習(xí)效率，檢測并評估其學(xué)習(xí)進程[10]。此外，百度于2018 年展示了一項名為STACL 的同聲傳譯AI，區(qū)別于現(xiàn)有多數(shù)僅能進行快速、近似實時翻譯的AI 系統(tǒng)，STACL 能預(yù)測并做到延時可控，更接近人類同聲傳譯，甚至可與人類頂尖水平相媲美。結(jié)合5G 網(wǎng)絡(luò)高速、高分辨率影像傳播，打破了語言的限制，使不同地區(qū)、不同國家間的交流學(xué)習(xí)不再受限。

3.5 5G 與3D 打印技術(shù)

3D 打印技術(shù)是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，運用各種材料通過逐層打印的方式構(gòu)造三維結(jié)構(gòu)的一種快速成型技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于整復(fù)外科、骨科、顱頜面外科等學(xué)科的醫(yī)教研活動中。

基于快速、高效、低時延的5G 網(wǎng)絡(luò)和高分辨率的虛擬投影技術(shù)，3D 打印過程中無需再浪費大量人力及時間成本在軟件中進行建模，而可直接在真實物體基礎(chǔ)上進行設(shè)計和打印，這不僅明顯提高了3D 打印效率，并在此基礎(chǔ)上保持了極高的制造精度和仿真度。2019 年，廣東省人民醫(yī)院已利用“AI+5G+3D 打印”技術(shù)，相隔400 余公里成功完成我國首例遠程實時指導(dǎo)下進行的胸腔鏡下房間隔缺損修補術(shù)。證實了通過3D 打印精準(zhǔn)制造教學(xué)模型，結(jié)合5G 技術(shù)支持下的實時遠程指導(dǎo)，可進一步提升高質(zhì)量顯微外科指導(dǎo)的可及性及有效性，降低地區(qū)間醫(yī)療資源差異帶來的相關(guān)技術(shù)水平的不均衡程度，使更多的人群受益。但3D 打印技術(shù)對配備設(shè)備有所要求，目前訓(xùn)練成本仍相對高昂。

4 5G 技術(shù)應(yīng)用的局限性與挑戰(zhàn)

盡管5G 技術(shù)有著上述諸多優(yōu)勢，但在實際實施過程中仍存在其局限性。

首先，該項技術(shù)與多數(shù)現(xiàn)存設(shè)備及系統(tǒng)不兼容，需要開發(fā)及購置新的設(shè)備以支持相關(guān)服務(wù)，提高了應(yīng)用成本[11]。同時，我國西北部地區(qū)地廣人稀，5G 基站覆蓋范圍相對較小，基礎(chǔ)建設(shè)難以高效地令信號覆蓋至所有地區(qū)，仍可能造成資源配置不均、獲取受限等問題。其次，由于5G 信號頻率主要為波長108 mm 的毫米波，其特點為傳輸效率高，但同時傳輸距離較近，易被結(jié)構(gòu)致密的物體遮擋[12]。例如，在具有鉛板結(jié)構(gòu)的手術(shù)室中，易出現(xiàn)無線信號傳輸不佳的情況，需考慮其他信息傳輸方式。最后，高速傳輸及大數(shù)據(jù)下的個人信息安全、資料存儲管理的規(guī)范化及相關(guān)倫理問題，也需納入思考。

5 總結(jié)

5G 技術(shù)的開發(fā)與推廣給許多4G 時代難以實現(xiàn)的想法帶來了可能性，顯微外科的教學(xué)培訓(xùn)將不再囿于傳統(tǒng)的手術(shù)室里的“學(xué)徒”模式。在新冠肺炎疫情背景下，跨地區(qū)就醫(yī)難度增加，因此擴大高質(zhì)量教學(xué)的普及范圍，提升各地區(qū)的相關(guān)醫(yī)療水平至關(guān)重要。在后疫情時代，通過5G 與各項技術(shù)結(jié)合，推動教學(xué)向遠程、實時、高仿真的規(guī)范化模式轉(zhuǎn)型不可避免。在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)個性化、精準(zhǔn)化訓(xùn)練，縮短培養(yǎng)周期、降低訓(xùn)練難度，同時讓更多的醫(yī)生能夠參與顯微外科學(xué)習(xí)，為相關(guān)學(xué)科輸送人才。