5G 时代下显微外科的教学革新

骆申英 顾舒晨 刘云菡 昝涛

【提要】 第5 代移动通信技术（5G）相较前4 代移动通信网络，具有高速率、低时延、大连接的核心特点，能真正实现人-机-物网络互联，目前已在社会各领域中逐步推广。本文着眼于目前显微外科教学的短板与困境，讨论5G 与超高清成像技术、大数据存储技术、扩展现实技术、3D 打印技术、人工智能技术的结合，在促进显微重建手术的远程教学、实时指导、精准训练，提高教育资源的可及性、规范化、标准化中的重要作用；同时，分析全面普及5G 技术的局限性与挑战，对5G 时代下的显微外科教学提出展望与新思考。

随着我国社会工业化及现代化的进程不断加快，大面积烧伤、肢体离断等各类严重创伤的发生率逐年上升，应用显微外科进行复杂重建的需求量也与日俱增。然而当前的显微外科教育与培训模式，多采用传统的“学徒”培养模式，存在培养周期长、培养难度高、培养质量参差不齐等问题。因此，显微外科的教育与培训模式革新迫在眉睫。

1 显微外科教学现状与困境

不同于常规外科手术，显微重建手术除需配备显微镜和专用的手术器械外，还对操作技术和精细解剖结构的熟悉程度有极高的要求。现代显微外科教育以各种模型、动物标本、动物活体及人体标本为基础开展训练[1]，已形成相对成熟的培训体系。但Javid 等[2]评估了64 种训练模型的证据水平后发现，除活体动物外，仅冷冻保存的小鼠主动脉模型可达到最高证据等级标准，且仍与临床实际情况存在差距。实际手术操作中狭小的手术野、缺失的触觉感受等，很大程度上限制了受训者的学习效率。

为了改进现有的培训方式，多种结合虚拟现实技术的显微外科培训系统被开发并应用于教学[3]，但均处于起步阶段，只能展示简化后的图像供受训者进行交互，且绝大多数仅包含基本操作，而非整个手术过程。

在全球新冠肺炎疫情背景下，要实现显微外科教学模式的新突破，逐步提升远程、线上、数字化教学比重的重要性不言而喻，而推广上述教学模式的基础及关键在于具备足以支撑相应数据传输的信息通信技术。

2 第5 代移动通信技术（5th generation mobile communication technology，5G）

由于4G 网络难以满足暴增的移动数据流量需求，第5代移动通信技术应运而生。第5 代移动通信技术简称5G，其全球标准由国际电信联盟于2015 年提出，并于2020 年起正式商业化。5G 技术具有高速率、低时延和大连接的核心特点，峰传输速度和最低网络延迟分别从4G 时代的100 Mb/s和20 ms 改善至10～20 Gb/s 和＜1 ms，同时物理终端连接数提升至100 万连接/km2，解决了4G 时代难以实现的人与物、物与物间的通讯问题，为真正实现移动医疗奠定了基础。

目前，在5G 技术的支持下，医疗领域有望再一次获得突破性的进展，目前已经实现了一些在4G 网络时代仅为概念性的设想或实施时不甚完美的临床医疗活动，如5G 技术结合4K/8K 高清视频的“身临其境”的新型远程会诊、5G 网络会诊平台、5G 救护车、5G 与混合现实（Mixed reality，MR）或增强现实（Augmented reality，AR）协同的远程手术等[4-5]。由此可以预见，在医学教育及训练中5G 技术也将大放异彩，尤其在显微外科这类对于教学操作画面真实性、同步性、清晰度等具有极高要求的学科领域中，更具有划时代的意义。

3 5G 技术与各项技术相结合，全方位提高显微外科教育水平

3.1 5G与4K/8K 分辨率成像技术

4K/8K 分辨率分别指具有4 096×2 160/7 680×4 320 像素的超精细画面，每帧画面所需显存容量可达上百Mb，产生的数据量非常巨大。借助于5G 技术突破性的高传输速度及低网络延迟，理论上可实现显微外科手术要求的高分辨率图像记录与实时传播，突破时间与空间的限制，实现实时远程教学、手术指导等教学活动，进一步实现医学教育的同质性、标准化、规范化。目前，我国已启动“5G+4K/8K 超高清制播示范平台” 项目，内容涵盖5G 超高清业务传输网络等基础设施、建设便携式5G+4K/8K 直播编码传输系统等，可为实现上述设想提供完备的硬件与软件设施。

3.2 5G 与大数据储存技术

大数据储存是指将数量巨大，难以收集、处理或分析的数据集持久地储存至计算机中，该技术现已具备相对成熟的方法及规范。外科的临床技能培养，尤其是显微外科，理论培训过程中术中照片及视频等直观的学习资料十分必要，具有旁白实时讲解和画面标记的影像资料则价值更高[6]，在学习过程中能起到事半功倍的效果。显微重建手术中涉及的组织结构非常精细，对相应图像化资料的分辨率要求也相对较高，且其手术时长往往较一般手术更长，因此产生的数据量十分庞大。

既往相关资料由于数据传输速度、存储空间受限等原因，难以广泛传播。结合5G 技术的高传输速度及大数据存储技术，可使各种资料上传及下载速度达到以往的数十倍，传输更便捷，减少教师备课及学生学习的准备时间；另外，公共服务器等资源技术的进一步成熟，使用户无需再将此类资料存储于个人终端中，大幅度提升各种教学资源的可及性，更好地实现资源共享，令原先受硬件或网络条件限制而无法获取相关资源的学习人员，利用手机等便携式移动终端，也可观看高分辨率的影像学习资料，从而促进远程教育及课外教学的发展。

3.3 5G 与扩展现实技术

对于显微外科技术的掌握和提高而言，有效的练习至关重要，因此操作训练应尽可能按照真实情况模拟。扩展现实技术（Extended reality，XR）是利用人机交互设备结合真实世界与虚拟场景的计算机技术，包含AR、VR 及MR。

AR 技术可利用Microsoft HoloLens 等硬件设备，将虚拟信息叠加至真实世界中，利于各级受训者学习解剖结构；VR技术使受训者沉浸于虚拟世界中，通过自身真实动作与虚拟场景产生交互，进行模拟仿真学习，目前已开发有多项应用于医学教育中的VR 系统；MR 技术为AR 和VR 的结合，可在真实世界中与虚拟信息进行交互[7]。Mahajan 等[8]开展了全球首例应用HoloLens2，使处于两个国家的325 名医护人员基于VR 影像共同进行教学查房的研究，调查结果表明，94%的参与者认为该种学习模式对医学教育很有价值。Greenfield 等[9]已利用AR 技术远程指导了1 例手部重建手术，相比于既往仅利用视频通讯进行指导，AR 可实时捕获指导者的手势、动作、标注等信息并投影至术区，突破以往仅有音频指导的限制，使受指导者能以第一视角更直观、实时地领会指导者的想法。

由此可见，XR 技术在各级医疗教育中有着巨大的发展前景，但受限于目前的技术水平，通过XR 技术模拟出的场景真实度、画面分辨率、传输同步率仍与理想情况存在一定差距。因此，未来将5G 技术与XR 技术相结合，进一步发挥XR技术的优势，提升画面及交互指令传输速度，降低延时，使虚拟仿真训练中获得的反馈与经验更接近于真实情况，可大大提高受训者的操作熟练程度及学习效率，并缩短培养周期。

3.4 5G 与人工智能技术

人工智能技术（Artificial intelligence，AI）是研究开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的新技术科学。通过基于5G 技术实现的大数据传输与高通量计算，为开发AI 相关教学系统提供便利，利用机器及程序学习，有望实现训练过程中由AI 实时纠正错误操作，更好地记录受训者的习惯与偏好，进一步通过针对性训练提升受训者的学习效率，检测并评估其学习进程[10]。此外，百度于2018 年展示了一项名为STACL 的同声传译AI，区别于现有多数仅能进行快速、近似实时翻译的AI 系统，STACL 能预测并做到延时可控，更接近人类同声传译，甚至可与人类顶尖水平相媲美。结合5G 网络高速、高分辨率影像传播，打破了语言的限制，使不同地区、不同国家间的交流学习不再受限。

3.5 5G 与3D 打印技术

3D 打印技术是以数字模型为基础，运用各种材料通过逐层打印的方式构造三维结构的一种快速成型技术，目前已广泛应用于整复外科、骨科、颅颌面外科等学科的医教研活动中。

基于快速、高效、低时延的5G 网络和高分辨率的虚拟投影技术，3D 打印过程中无需再浪费大量人力及时间成本在软件中进行建模，而可直接在真实物体基础上进行设计和打印，这不仅明显提高了3D 打印效率，并在此基础上保持了极高的制造精度和仿真度。2019 年，广东省人民医院已利用“AI+5G+3D 打印”技术，相隔400 余公里成功完成我国首例远程实时指导下进行的胸腔镜下房间隔缺损修补术。证实了通过3D 打印精准制造教学模型，结合5G 技术支持下的实时远程指导，可进一步提升高质量显微外科指导的可及性及有效性，降低地区间医疗资源差异带来的相关技术水平的不均衡程度，使更多的人群受益。但3D 打印技术对配备设备有所要求，目前训练成本仍相对高昂。

4 5G 技术应用的局限性与挑战

尽管5G 技术有着上述诸多优势，但在实际实施过程中仍存在其局限性。

首先，该项技术与多数现存设备及系统不兼容，需要开发及购置新的设备以支持相关服务，提高了应用成本[11]。同时，我国西北部地区地广人稀，5G 基站覆盖范围相对较小，基础建设难以高效地令信号覆盖至所有地区，仍可能造成资源配置不均、获取受限等问题。其次，由于5G 信号频率主要为波长108 mm 的毫米波，其特点为传输效率高，但同时传输距离较近，易被结构致密的物体遮挡[12]。例如，在具有铅板结构的手术室中，易出现无线信号传输不佳的情况，需考虑其他信息传输方式。最后，高速传输及大数据下的个人信息安全、资料存储管理的规范化及相关伦理问题，也需纳入思考。

5 总结

5G 技术的开发与推广给许多4G 时代难以实现的想法带来了可能性，显微外科的教学培训将不再囿于传统的手术室里的“学徒”模式。在新冠肺炎疫情背景下，跨地区就医难度增加，因此扩大高质量教学的普及范围，提升各地区的相关医疗水平至关重要。在后疫情时代，通过5G 与各项技术结合，推动教学向远程、实时、高仿真的规范化模式转型不可避免。在标准的基础上进一步实现个性化、精准化训练，缩短培养周期、降低训练难度，同时让更多的医生能够参与显微外科学习，为相关学科输送人才。