高延迟条件下基于卫星通信的远程机器人手术可行性与安全性评估

为验证地球静止轨道卫星通信在超远程机器人手术中的可行性，研究人员构建高延迟通信下的远程手术控制技术体系，采用大时延控制方法。经拉萨 - 北京跨区域手术验证，平均时延 632 ms，手术成功，证实该技术安全可行，具重要临床价值。

　　在医疗领域，远程机器人手术虽已取得一定进展，但网络 latency（延迟）和 instability（不稳定性）一直是制约其在超远程场景应用的关键瓶颈。传统光纤和 5G 网络受覆盖范围限制，在高原、海洋等复杂地理环境中难以满足需求，而卫星通信虽覆盖广，却面临数百毫秒级的高延迟挑战，这对手术的实时性和精准性构成极大威胁。如何在高延迟条件下确保机器人手术的安全性与可行性，成为全球医疗与通信领域亟待突破的难题。

为解决上述问题，中国人民解放军总医院的研究人员开展了 “高延迟条件下基于卫星通信的远程机器人手术可行性与安全性评估” 研究。他们利用亚太 6D 高通量卫星（轨道高度 36,000 km）建立拉萨与北京之间的跨区域通信链路，借助 “图迈” 手术机器人系统完成两例肝癌肝切除术，旨在验证地球静止轨道卫星通信支持超远程手术的可能性，并构建适用于高延迟环境的手术控制技术体系。研究结果表明，卫星链路平均端到端延迟为 632 ms，机械臂位姿跟踪误差 < 0.5 mm，两例手术均成功完成，患者术后恢复良好，证实了卫星通信支持远程手术的安全性与可行性。该研究成果发表在《Intelligent Surgery》。

研究主要采用以下关键技术方法：一是提出大时延控制方法，包括建立大时延远程机器人手术稳定性操作准则（Stability Operation Criteria）和广义阶柔顺交互控制方法（Generalized-Order Compliant Interaction Control Method）；二是优化网络通信系统，通过简化路由节点、自适应调整图像拥塞丢失容忍度及实施 QoS 分级策略（优先传输操作指令和手术影像数据），降低延迟抖动并保障关键数据传输；三是设计冗余容错机制，采用双链路热切换（卫星与 5G 备份）及分级应急协议，确保手术连续性与安全性。

研究结果

背景与技术迭代

远程机器人手术历经三代发展：第一代基于光纤网络，受限于安装成本未普及；第二代借助 5G 网络将操作半径扩展至城际；第三代依托高通量卫星通信突破地理限制，本研究标志着该技术正式进入临床应用阶段。与 5G 相比，卫星通信覆盖更广，但延迟更高（5G 约 20 ms，卫星超 600 ms），而手术要求 “端到端” 延迟≤200 ms，因此需突破传统理论限制。

手术系统组成与特性

• 临床数据：两例患者分别为 68 岁男性（肝 S4 段恶性肿瘤）和 56 岁男性（肝 S8 段海绵状血管瘤），术前评估均能耐受手术。
• 机器人系统：“图迈” 腹腔镜手术机器人具七自由度机械臂（±180° 腕部旋转）、震颤过滤（亚毫米级精度）及裸眼 3D 成像（4K 分辨率，10 倍光学放大），且配备穿刺力感知技术，解决了传统腹腔镜手术力反馈缺失问题。
• 网络通信：利用亚太 6D 卫星波束 17，通过简化路由将延迟从 680 ms 降至 630 ms，采用 UDP 协议传输操作指令和手术影像（传输频率分别为 500 Hz 和 60 fps），并通过 QoS 分级确保关键数据优先传输。
• 冗余容错：双链路热切换机制在卫星链路异常时自动切换至 5G，平均切换时间 280 ms，机械臂进入位置保持模式；若双链路失效，可由本地医生接管或启动自动化安全协议收回器械至安全位置。

大时延控制系统

• 稳定性操作准则：通过构建含延迟误差的滑模面，结合等效控制与切换控制，确保在平均延迟 0.6 s 下，实际跟踪误差 < 1 mm。研究发现，术者需降低机械臂末端操作速度以减小误差，验证了动态延迟补偿算法的有效性。
• 广义阶柔顺交互控制：通过融合期望力与位置，建立自适应控制律，结合神经网络抑制不确定性，使术者能在允许区域内柔顺操作，避免误入禁止区域（Ω），保障手术安全性。

手术结果与临床疗效

• 手术过程：两例手术分别耗时 124 min 和 105 min，肝门阻断时间 22-23 min，出血量均为 20 mL，术后并发症均为 Clavien-Dindo I 级，患者术后 24 h 内出院。
• 信号质量：卫星链路平均延迟 631-632 ms， packet loss rate（丢包率）2.78%-2.81%，无信号中断，1080P 影像传输速率稳定在 15±2 Mbps，机械臂动作与主控制台偏差 0.32±0.07 mm。

结论与讨论

本研究首次证实地球静止轨道卫星支持人类手术的安全性，突破了传统 “低延迟确保精度” 的范式，通过动态延迟补偿算法在 600 ms 延迟下实现亚毫米级精度控制。研究构建的 “星 - 地 - 人” 三重保障机制（卫星通信、5G 备份、本地接管）显著提升了极端环境下的医疗可及性，尤其在灾难医学中展现出独特优势（18 min 建立卫星链路 vs. 72 h 光纤修复）。

尽管卫星远程手术面临伦理、跨国监管及设备体积等挑战，但其将单台机器人服务半径从 5G 的 5000 km 扩展至卫星的 150,000 km，为全球医疗资源均衡分配提供了新路径。随着空基信息网络与人工智能的深度融合，该技术有望成为解决医疗资源失衡的战略工具，为构建人类卫生健康共同体提供坚实支撑。