基于脑区活动测量的延迟对远程手术操作性能影响量化研究

本研究针对远程手术中通信延迟影响术者认知状态的关键问题，通过虚拟现实(VR)模拟器结合功能近红外光谱(fNIRS)技术，首次量化了不同延迟条件下顶内沟(IPS)脑区活动变化规律。研究发现150ms延迟阈值可引发术者无意识操作精度下降，300ms延迟导致双侧IPS显著抑制，为远程手术系统延迟容限标准建立提供了客观神经科学依据。

　　

在新冠疫情后远程医疗需求激增的背景下，远程机器人手术(telerobotic surgery)因其突破地理限制的独特优势备受关注。然而横亘在理想与现实之间的，是通信延迟这个"看不见的手术刀"——当术者手的运动、机械臂响应和视觉反馈出现毫秒级不同步时，可能造成灾难性后果。虽然5G等技术显著降低了延迟，但究竟多长的延迟会影响手术安全？传统基于任务完成时间和主观问卷的评估方法难以捕捉术者的真实认知状态。这个问题的答案，直接关系到能否在偏远地区安全开展"隔空手术"。

东京科学研究所（Institute of Science Tokyo）的Junnosuke Ichihara和Satoshi Miura团队另辟蹊径，将神经科学技术引入外科领域。他们创新性地提出：顶内沟(intraparietal sulcus, IPS)这个负责整合视觉与运动信息的关键脑区，其活动强度可能成为量化手术操作性的"生物标尺"。这项发表在《International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery》的研究，首次建立了通信延迟与术者脑神经活动的定量关系图谱。

研究人员采用多学科交叉方法：基于Unity引擎开发了模拟达芬奇手术机器人的VR平台，精确控制7种延迟条件(0-300ms)；通过功能近红外光谱(fNIRS)实时监测8名右利手受试者执行结肠缝合任务时的IPS活动；结合广义线性模型(GLM)分析脑血流动力学响应，同步记录任务完成时间和缝合误差率。所有实验均获得东京科学研究所伦理委员会批准(2024039号)。

脑区活动变化规律

通过Jonckheere-Terpstra检验发现：右侧IPS活动在0-300ms延迟范围内呈现显著单调下降(JT统计量=11,354)，而左侧IPS仅在150-300ms延迟时显著降低。这表明非优势手(左手)的操作性从初始延迟就持续恶化，而优势手(右手)在150ms阈值后才出现明显认知负荷。

任务表现特征

缝合误差率在0-100ms延迟时显著上升，但超过150ms后趋于稳定；任务完成时间则随延迟增加持续延长。这种非线性变化提示术者在150ms延迟后可能启动了"运动-等待策略"(move-and-wait strategy)——通过主动暂停动作来补偿延迟造成的控制失调。

神经机制解析

当延迟≤150ms时，优势手操作精度虽下降但左侧IPS活动未减弱，表明术者尚未意识到操作性能退化；超过该阈值后，左侧IPS活动显著降低反映大脑已感知到控制障碍。这种"先误差后感知"的神经响应模式，解释了为何中等延迟(100-150ms)反而最危险——术者处于"无知的危险"状态。

这项研究的意义远超预期：首次用神经活动指标标定了远程手术的安全延迟阈值，150ms的临界点为5G网络配置提供了科学依据；揭示的"运动-等待"自适应策略，可指导开发延迟补偿算法；建立的VR-fNIRS评估体系，为手术机器人人机交互优化提供了新范式。更深远的是，该研究开创了"神经外科学"(neuro-surgery)新领域——不是指神经外科手术，而是用神经科学技术来优化外科实践。正如作者强调的，未来需在专业外科医师群体中验证这些发现，但这项奠基性工作已经为远程手术安全树立了新的神经科学标准。