科學(xué)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代外科學(xué)發(fā)展的影響

方瀅 葉哲偉 陳孝平

隨著現(xiàn)代科技的進(jìn)步,一系列前沿科技與醫(yī)學(xué)不斷融合,推動(dòng)著現(xiàn)代醫(yī)學(xué)持續(xù)向前發(fā)展。人工智能(artificial intelligence,AI)、混合現(xiàn)實(shí)(mixed reality,MR)、手術(shù)機(jī)器人(surgical robotics)、遠(yuǎn)程醫(yī)療(telemedicine)、3D打印(three-dimensional printing)、腦機(jī)接口(brain-computer interface,BCI)、計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)(computer assisted surgical navigation system)、區(qū)塊鏈(blockchain)等先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)被應(yīng)用于外科的臨床與教學(xué)中,為目前外科學(xué)領(lǐng)域亟待解決的問題提供了新的方案和思路,推動(dòng)著外科學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步。

一、人工智能在外科中的應(yīng)用

人工智能自21世紀(jì)以來有了長(zhǎng)足發(fā)展,其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到了更為廣泛的應(yīng)用。人工智能具備大數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)視覺、自然語言識(shí)別等強(qiáng)大功能,能在診斷、治療、麻醉、護(hù)理、康復(fù)等方面為當(dāng)前醫(yī)生的臨床工作提供強(qiáng)大助力。

1.人工智能輔助醫(yī)學(xué)診斷：疾病的診斷依托于問診查體、實(shí)驗(yàn)室檢查、影像學(xué)檢查及病理學(xué)檢查。這些海量的臨床數(shù)據(jù)是醫(yī)生做出診斷的重要參考,但同時(shí)也加大了醫(yī)生的工作負(fù)擔(dān),加之病人個(gè)體差異大、檢查結(jié)果不典型等情況,漏診誤診時(shí)有發(fā)生[1]。以深度學(xué)習(xí)為代表的AI算法具有十分優(yōu)秀的圖像識(shí)別功能,被廣泛應(yīng)用于輔助影像學(xué)診斷和病理學(xué)診斷。在影像學(xué)診斷方面,目前已有大量研究證明,通過利用大量醫(yī)學(xué)圖像對(duì)人工智能算法進(jìn)行訓(xùn)練,能夠?qū)崿F(xiàn)病變識(shí)別、良惡性病變區(qū)分、病變區(qū)域分割等[2-4]。在病理學(xué)診斷方面,人工智能能協(xié)助病理科醫(yī)生完成部分主觀的或定量的常規(guī)任務(wù),例如有絲分裂檢測(cè)、腫瘤分型自動(dòng)識(shí)別等[5-6]。經(jīng)過訓(xùn)練的人工智能算法具備與醫(yī)生相當(dāng)?shù)脑\斷水平,甚至在某些方面可以超越醫(yī)生,這意味著人工智能可以成為輔助醫(yī)生診斷的有效工具。

2.人工智能輔助外科治療：人工智能可用于輔助外科臨床決策。通過自然語言處理(nature language processing,NLP)等技術(shù)對(duì)病人基本信息、病史、實(shí)驗(yàn)室檢查結(jié)果等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)信息提取,結(jié)合影像學(xué)與病理學(xué)診斷結(jié)果,人工智能算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不良轉(zhuǎn)歸風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、治療方案智能決策、最佳術(shù)式選擇和手術(shù)預(yù)后預(yù)測(cè)等[7-10],為外科醫(yī)生回答“是否手術(shù)”、“如何手術(shù)”、“手術(shù)預(yù)后如何”等臨床難題提供有力參考,輔助外科醫(yī)生準(zhǔn)確、迅速地選擇最優(yōu)治療方案。人工智能技術(shù)還被應(yīng)用于輔助手術(shù)規(guī)劃。以骨科的椎弓根螺釘置入術(shù)為例,由于脊椎周圍分布著許多重要的神經(jīng)組織,對(duì)椎弓根螺釘?shù)闹萌刖纫髽O高。人工智能算法通過對(duì)圖像進(jìn)行分析,能夠自動(dòng)、智能識(shí)別多個(gè)椎弓根標(biāo)志點(diǎn),輔助醫(yī)生選擇最佳進(jìn)釘點(diǎn),實(shí)現(xiàn)術(shù)中精準(zhǔn)定位和安全操作[11]。

3.人工智能輔助術(shù)中麻醉：人工智能在術(shù)中麻醉中亦得到了很好的應(yīng)用。術(shù)中麻醉實(shí)施的安全性和效果很大程度取決于麻醉醫(yī)生自身的水平,這是手術(shù)成功完成的關(guān)鍵,同時(shí)也是降低病人術(shù)后并發(fā)癥的主要因素。人工智能技術(shù)輔助可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)麻醉期間氣道安全,早期預(yù)警病人不良并發(fā)癥發(fā)生的可能性,從麻醉安全監(jiān)測(cè)、麻醉深度控制、麻醉不良事件預(yù)測(cè)、麻醉疼痛管理、麻醉手術(shù)室智能管理等多個(gè)層面提升病人術(shù)中麻醉效果及安全性,極大地保障了病人的生命健康,同時(shí)減輕了麻醉醫(yī)生的工作負(fù)擔(dān)[12]。

4.大語言模型：以ChatGPT為代表的大語言模型(large language model,LLM)也在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了初步的應(yīng)用。大語言模型為一類深度學(xué)習(xí)模型,其經(jīng)過學(xué)習(xí)大量文本數(shù)據(jù),能夠模仿人類語言處理能力。目前,已有研究證明了大語言模型在外科臨床工作中的有效性,例如,輔助糖尿病自我管理與教育、生成初步的影像學(xué)診斷報(bào)告及病程記錄等醫(yī)療文書、 為病人提供立體定向放射外科手術(shù)的專業(yè)信息等[13-15]。大語言模型的應(yīng)用能在一定程度上提高臨床工作的效率,輔助醫(yī)患溝通。

二、混合現(xiàn)實(shí)在外科中的應(yīng)用

混合現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)建立在人類自然感知上的數(shù)字化全息技術(shù),通過計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)生成虛擬模型,并將其與用戶所處的現(xiàn)實(shí)環(huán)境疊加,實(shí)現(xiàn)虛擬、現(xiàn)實(shí)和用戶三者之間的信息互通。

1.混合現(xiàn)實(shí)在手術(shù)教學(xué)培訓(xùn)中的應(yīng)用：目前,由于模擬器材短缺、模型與真實(shí)人體差異較大、手術(shù)操作風(fēng)險(xiǎn)等原因的限制,醫(yī)學(xué)生與低年資的外科醫(yī)生經(jīng)常無法得到充分的手術(shù)培訓(xùn),這導(dǎo)致外科醫(yī)生的培養(yǎng)周期大大延長(zhǎng)?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)為手術(shù)教學(xué)培訓(xùn)提供了一種全新的方式。基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)實(shí)世界的交互性和信息獲取的及時(shí)性,借助混合現(xiàn)實(shí)眼鏡,訓(xùn)練者能隨時(shí)在虛擬模型上反復(fù)進(jìn)行模擬手術(shù)操作,極大地提高了外科手術(shù)教學(xué)培訓(xùn)的效率,縮短了外科醫(yī)生的培養(yǎng)周期[16]。

2.混合現(xiàn)實(shí)在外科手術(shù)中的應(yīng)用：在臨床工作中,混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)也有諸多用武之地。目前,外科醫(yī)生制定手術(shù)方案時(shí)主要借助影像學(xué)檢查了解病變區(qū)域的解剖位置信息,但常規(guī)的影像學(xué)圖像多為切面狀態(tài),外科醫(yī)生還需在腦中對(duì)這些切面圖像進(jìn)行三維重建還原。而混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)則能夠替代這一過程,通過算法將術(shù)前CT或MRI圖像重建為三維虛擬模型,更直觀、更準(zhǔn)確地將手術(shù)區(qū)域呈現(xiàn)給醫(yī)生,醫(yī)生與醫(yī)生之間也可以通過混合現(xiàn)實(shí)眼鏡實(shí)時(shí)進(jìn)行手術(shù)方案討論,為外科醫(yī)生提供輔助術(shù)前規(guī)劃的強(qiáng)大利器[17-18]。此外,混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可用于術(shù)中導(dǎo)航?；诨旌犀F(xiàn)實(shí)的術(shù)中導(dǎo)航也為目前外科手術(shù)面臨的操作精度要求高、手術(shù)復(fù)雜性和難度日漸提高等難題提供了新的解決方案?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)在術(shù)中為外科醫(yī)生提供實(shí)時(shí)的三維可視化模型,讓外科醫(yī)生無需擴(kuò)大手術(shù)切口即可獲得內(nèi)部器官的空間信息,實(shí)現(xiàn)手術(shù)過程中的高維度“透視”,使手術(shù)的精確性和安全性得到明顯提高[19-20]。

3.混合現(xiàn)實(shí)在疼痛管理中的應(yīng)用：疼痛是一種主觀感受,也是臨床上最常見的癥狀之一。疼痛管理的效果將極大地影響病人術(shù)后康復(fù)?；旌犀F(xiàn)實(shí)提供了一種輔助術(shù)后疼痛管理的新方法。混合現(xiàn)實(shí)通過分散病人的注意力來減輕病人術(shù)后的焦慮和疼痛。有研究表明,相當(dāng)多的手術(shù)術(shù)后的病人通過混合現(xiàn)實(shí)輔助治療后自覺疼痛減輕,并出現(xiàn)相應(yīng)的生理變化,如心率、呼吸頻率降低等[21]。同時(shí),也有研究表明,混合現(xiàn)實(shí)有望成為改善截肢病人幻肢痛的有效方案[22]。

三、手術(shù)機(jī)器人在外科中的應(yīng)用

手術(shù)機(jī)器人是近年來高端醫(yī)療領(lǐng)域的重大創(chuàng)新突破之一,是醫(yī)學(xué)、材料學(xué)、自動(dòng)控制學(xué)、機(jī)器人等諸多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物。手術(shù)機(jī)器人主要分為幾個(gè)方向：腔鏡手術(shù)機(jī)器人、骨科手術(shù)機(jī)器人、神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人、泛血管手術(shù)機(jī)器人及經(jīng)皮穿刺手術(shù)機(jī)器人等。以下主要介紹前三個(gè)方向。

1.腔鏡手術(shù)機(jī)器人：腔鏡手術(shù)機(jī)器人通過微小創(chuàng)口或自然管道進(jìn)入人體,由三維高清影像系統(tǒng)將手術(shù)視野實(shí)時(shí)傳輸至外部設(shè)備,醫(yī)生通過操作系統(tǒng)操控機(jī)械臂進(jìn)行手術(shù)。腔鏡手術(shù)機(jī)器人是目前技術(shù)發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的手術(shù)機(jī)器人,涉及的領(lǐng)域包括普通外科、婦科、泌尿外科、胸外科等,應(yīng)用于包括肝切除術(shù)、膽囊切除術(shù)、肺葉切除術(shù)、腎盂成形術(shù)、子宮切除術(shù)及腫瘤切除術(shù)等多種手術(shù)中[23]。相較于傳統(tǒng)手術(shù),腔鏡手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械臂具有更高的活動(dòng)自由度和準(zhǔn)確度,允許醫(yī)生進(jìn)入更狹小的空間內(nèi)進(jìn)行更精細(xì)的操作,在靈活性和協(xié)調(diào)性方面的表現(xiàn)均優(yōu)于傳統(tǒng)手術(shù)。

2.骨科手術(shù)機(jī)器人：骨科手術(shù)機(jī)器人作為手術(shù)機(jī)器人的另一個(gè)主要分支,在近30年間亦得到了飛速發(fā)展。傳統(tǒng)的骨科手術(shù)中常因遮擋導(dǎo)致視覺偏差,手術(shù)精準(zhǔn)性欠佳,同時(shí),骨科手術(shù)常借助C形臂X射線機(jī)反復(fù)透視以輔助手術(shù)醫(yī)生更好把握內(nèi)植物的置入位置及精度,使病人和醫(yī)生受到的輻射量大大增加。骨科手術(shù)機(jī)器人具有標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、可視化的特點(diǎn),為這些現(xiàn)存難題提供了新的解決方法。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同,骨科手術(shù)機(jī)器人被區(qū)分為三大種類：關(guān)節(jié)手術(shù)機(jī)器人、脊柱手術(shù)機(jī)器人、創(chuàng)傷手術(shù)機(jī)器人。目前骨科機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于關(guān)節(jié)置換、椎弓根螺釘置入、骨折復(fù)位內(nèi)固定等骨科手術(shù)中,骨科手術(shù)可控制性及精確性得到大幅度提升,同時(shí)有效減少了術(shù)中透視次數(shù)[24-25]。

3.神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人：因神經(jīng)外科手術(shù)中涉及的解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精細(xì),且手術(shù)操作空間較為局限,神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人研發(fā)進(jìn)展相對(duì)較為緩慢。目前神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人主要應(yīng)用于顱內(nèi)血腫清除、顱內(nèi)腫瘤精準(zhǔn)穿刺活檢、腦深部電刺激電極置入、神經(jīng)內(nèi)鏡手術(shù)等多項(xiàng)神經(jīng)外科操作中。神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人通過多種影像數(shù)據(jù)協(xié)助醫(yī)生快速精準(zhǔn)識(shí)別并定位病變區(qū)域。同時(shí),神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人借助震顫濾過系統(tǒng)消除術(shù)者手部震顫,且能夠長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作不疲勞,在一定程度上避免了因術(shù)者疲勞或手顫導(dǎo)致的術(shù)中損傷,提高了神經(jīng)外科手術(shù)的穩(wěn)定性和安全性[26-27]。

四、遠(yuǎn)程醫(yī)療在外科中的應(yīng)用

遠(yuǎn)程醫(yī)療是現(xiàn)代通信技術(shù)與醫(yī)學(xué)交叉融合的產(chǎn)物,通過現(xiàn)代通信技術(shù)進(jìn)行跨地域?qū)崟r(shí)醫(yī)療信息交流,由醫(yī)療專家提供遠(yuǎn)距離醫(yī)療服務(wù),如診斷、治療、教學(xué)等,實(shí)現(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離、高效率、低成本傳輸,實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源共享。遠(yuǎn)程醫(yī)療在很大程度上緩解了我國(guó)當(dāng)前醫(yī)療發(fā)展不平衡、偏遠(yuǎn)地區(qū)病人就醫(yī)困難等問題。專家通過遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)實(shí)現(xiàn)與病人及基層醫(yī)護(hù)人員的遠(yuǎn)程交流指導(dǎo),甚至完成遠(yuǎn)程手術(shù),克服時(shí)間和空間障礙,實(shí)現(xiàn)醫(yī)療資源跨地區(qū)再分配,促進(jìn)醫(yī)療公平。

1.遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)：早先的遠(yuǎn)程醫(yī)療主要通過電話、有線電視網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程咨詢或指導(dǎo),隨著通信技術(shù)、云計(jì)算等高新科技的飛速發(fā)展,特別是近年來的第5代移動(dòng)通信技術(shù)(5G)的出現(xiàn),先前限制遠(yuǎn)程醫(yī)療發(fā)展的穩(wěn)定性差、電信延遲等問題得以改善,遠(yuǎn)程醫(yī)療技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)前,借助5G網(wǎng)絡(luò),在進(jìn)行外科遠(yuǎn)程會(huì)診、遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)和遠(yuǎn)程手術(shù)教學(xué)時(shí),遠(yuǎn)距離、多區(qū)域的視頻、圖像等醫(yī)療數(shù)據(jù)的傳輸速度極大提升。同時(shí),在擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)(extended reality,XR)技術(shù)的輔助下,通過實(shí)時(shí)視頻融合,可以將專家的指導(dǎo)意見實(shí)時(shí)投印到被指導(dǎo)方的手術(shù)視野中,真正實(shí)現(xiàn)了“手把手”的遠(yuǎn)程手術(shù)指導(dǎo)教學(xué)[28-29]。

2.遠(yuǎn)程手術(shù)：由于手術(shù)機(jī)器人的高速發(fā)展,遠(yuǎn)程手術(shù)已成為一種備受矚目的新興外科手術(shù)模式?；诂F(xiàn)代通信技術(shù)與手術(shù)機(jī)器人,專家可以為相距遙遠(yuǎn)的病人實(shí)施手術(shù)治療。同時(shí),擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)可為專家提供仿真的虛擬手術(shù)環(huán)境,以獲得更清晰的手術(shù)視野和操作畫面。專家在主控臺(tái)發(fā)出控制信號(hào),通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸至手術(shù)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)械臂,以進(jìn)行手術(shù)器械的移動(dòng)和手術(shù)操作。同時(shí),將視頻圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送反饋,專家可根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的手術(shù)情況進(jìn)行調(diào)整或發(fā)送下一步的操作信號(hào)[29-30]。目前,隨著5G技術(shù)的發(fā)展,遠(yuǎn)程手術(shù)也不斷取得突破性進(jìn)展,但由于外科手術(shù)的精度要求極高,遠(yuǎn)程手術(shù)在臨床中尚未能得到廣泛應(yīng)用。

五、3D打印在外科中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)又被稱為快速增材制造技術(shù),是一門新興的數(shù)字化成型技術(shù),基于病人的CT、MRI等圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建3D數(shù)字模型,通過計(jì)算機(jī)控制下的3D 打印機(jī)將可粘合材料精確堆積、逐層打印,制造三維實(shí)體模型。

1.3D打印在術(shù)前規(guī)劃中的應(yīng)用：由于3D打印模型是根據(jù)病人影像學(xué)圖像精確再現(xiàn)的實(shí)體模型,可以用于術(shù)前規(guī)劃和手術(shù)模擬,為外科醫(yī)生提供視覺及觸覺反饋。3D打印模型能夠直觀展示病人傷患處的解剖信息,幫助定位手術(shù)區(qū)域內(nèi)的關(guān)鍵危險(xiǎn)結(jié)構(gòu),確定病變切除線或螺釘進(jìn)釘軌跡等關(guān)鍵手術(shù)操作,讓外科醫(yī)生在術(shù)前對(duì)病人的解剖信息和手術(shù)方式有更深入的了解。目前已有多項(xiàng)研究證明了3D打印在神經(jīng)外科、心血管外科、頜面外科、普通外科以及骨科的術(shù)前規(guī)劃中的有效性[31-32]。

2.3D打印在醫(yī)患溝通中的應(yīng)用：在術(shù)前談話時(shí),3D打印模型能幫助病人和家屬更好地理解手術(shù)的相關(guān)情況。由于病人和家屬多為未受過醫(yī)學(xué)教育的人群,對(duì)于人體解剖結(jié)構(gòu)和疾病情況的了解較少,以致于在術(shù)前談話中可能無法完全理解醫(yī)生想傳達(dá)的信息。這對(duì)于病人和家屬選擇治療方案非常不利,同時(shí)容易導(dǎo)致醫(yī)患矛盾的發(fā)生。借助3D打印模型,醫(yī)生能夠三維立體地向病人和家屬展示病變情況和手術(shù)方案,解釋手術(shù)可能出現(xiàn)的并發(fā)癥及其出現(xiàn)的原因,從而鼓勵(lì)病人和家屬參與手術(shù)細(xì)節(jié)和方案選擇的討論[33]。

3.3D打印在輔助外科手術(shù)中的應(yīng)用：3D打印技術(shù)還可用于輔助外科手術(shù)。以3D打印導(dǎo)板在脊柱外科中的應(yīng)用為例,3D打印導(dǎo)板可以用于引導(dǎo)脊柱的單節(jié)段或多節(jié)段椎弓根螺釘?shù)闹萌?提高螺釘置入的準(zhǔn)確性和效率,降低并發(fā)癥的風(fēng)險(xiǎn)。此外,在嚴(yán)重脊柱畸形病人的矯形截骨手術(shù)中,3D打印導(dǎo)板為病人脊柱結(jié)構(gòu)1：1還原的模具,能夠完美契合病人的脊柱解剖結(jié)構(gòu),為脊柱外科復(fù)雜截骨矯形手術(shù)提供了一種高安全性且高精確度的術(shù)中輔助方式[31-32,34]。

4.3D打印應(yīng)用于定制植入物和假體：3D打印技術(shù)還可用于個(gè)體化定制植入物和假體,由于骨組織的堅(jiān)固性較易復(fù)制,其在骨科方面應(yīng)用更為廣泛。相較于其他相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)產(chǎn)品,由3D打印技術(shù)生產(chǎn)的植入物和假體有著更符合病人個(gè)人特征的形狀和結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)能夠根據(jù)每個(gè)病人的個(gè)體特征設(shè)計(jì)定制的植入物和假體,具有更為精確的解剖結(jié)構(gòu)和外形。特別是在頭部、面部、四肢等外露部位,這類個(gè)體定制的植入物和假體能夠提供更完美、更對(duì)稱的外觀,這對(duì)于病人的社交意義是不可估量的。同時(shí),由于3D打印技術(shù)生產(chǎn)的植入物和假體更符合個(gè)體的解剖結(jié)構(gòu)和生物力學(xué)結(jié)構(gòu),可以更好地減輕術(shù)后不適或運(yùn)動(dòng)障礙[31,35]。

六、腦機(jī)接口在外科中的應(yīng)用

腦機(jī)接口技術(shù)通過檢測(cè)大腦神經(jīng)活動(dòng),將其解碼為用于替代、修復(fù)、增強(qiáng)、補(bǔ)充或改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)正常輸出的人工輸出方式。其既包括了中樞神經(jīng)系統(tǒng)單向接收或發(fā)送信號(hào)的單向腦機(jī)接口,也包括了聯(lián)通中樞神經(jīng)系統(tǒng)與外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)雙向信息交互的雙向腦機(jī)接口。

1.腦機(jī)接口應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制：腦機(jī)接口技術(shù)能為罹患高位脊髓損傷或閉鎖綜合征等四肢活動(dòng)功能障礙的病人提供新的運(yùn)動(dòng)控制方式。這類病人具備完好的認(rèn)知能力,但由于大腦的控制信號(hào)無法傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)系統(tǒng),使病人的運(yùn)動(dòng)功能嚴(yán)重受限。腦機(jī)接口技術(shù)通過侵入性或非侵入性的方式采集提取病人的大腦信號(hào)并進(jìn)行解碼,繼而控制外部設(shè)備,如計(jì)算機(jī)、外骨骼、智能假肢等[36-37],或刺激病人自身的外周神經(jīng)及肌肉,以替代或改善甚至恢復(fù)病人的運(yùn)動(dòng)功能[38]。腦機(jī)接口技術(shù)讓外科中許多運(yùn)動(dòng)功能嚴(yán)重受限的病人看到了恢復(fù)運(yùn)動(dòng)功能的希望。

2.腦機(jī)接口應(yīng)用于感覺功能恢復(fù)：腦機(jī)接口技術(shù)還可用于輔助恢復(fù)病人感覺功能。人工耳蝸是最具代表性的輸入式感覺腦機(jī)接口,其通過將電極置入耳蝸內(nèi),繞過中耳,直接刺激聽神經(jīng)末梢,是目前感音性耳聾的病人使用最廣泛的聽覺重建方式。此外,還有聽覺型腦干植入物,這類植入物將電極置入腦干耳蝸核,直接刺激耳蝸核以恢復(fù)病人聽覺。除了應(yīng)用于聽覺功能恢復(fù),腦機(jī)接口技術(shù)還應(yīng)用于外科中重建病人視覺、嗅覺、本體感覺和觸覺等感覺功能[39]。

3.腦深部電刺激：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,腦解剖成像與腦功能成像等技術(shù)得到了優(yōu)化,使神經(jīng)外科學(xué)進(jìn)入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)外科的新階段。而腦深部電刺激(deep brain stimulation,DBS)是目前神經(jīng)調(diào)控手術(shù)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一。腦深部電刺激是通過在顱內(nèi)某個(gè)特定部位置入電極并對(duì)該部位發(fā)射高頻電刺激以調(diào)節(jié)該部位神經(jīng)元的興奮性,從而達(dá)到治療目的的一種神經(jīng)外科微創(chuàng)手術(shù)。傳統(tǒng)的腦深部電刺激并不涉及腦電信號(hào)解碼等關(guān)鍵步驟,所以不屬于腦機(jī)接口的范疇。但隨著腦機(jī)接口技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了自適應(yīng)腦深部電刺激。自適應(yīng)腦深部電刺激是一類閉環(huán)神經(jīng)刺激設(shè)備,通過置入的電極持續(xù)監(jiān)測(cè)腦電信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)提取及解碼,當(dāng)檢測(cè)到異常腦電情況時(shí)立即對(duì)該部位進(jìn)行刺激,這使腦深部電刺激技術(shù)對(duì)病變區(qū)域進(jìn)行的電刺激變得更個(gè)性化、更具針對(duì)性[39]。這類自適應(yīng)腦深部電刺激技術(shù)已被初步應(yīng)用于神經(jīng)外科治療癲癇、帕金森病和慢性疼痛等多種疾病。

七、科學(xué)技術(shù)對(duì)現(xiàn)代外科學(xué)發(fā)展影響的思考與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展并與醫(yī)學(xué)交叉融合,其在外科領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景也將日益豐富,并將對(duì)外科學(xué)產(chǎn)生更深遠(yuǎn)影響。科學(xué)技術(shù)將賦能外科醫(yī)生,為外科診治過程提供更高的精準(zhǔn)性、安全性和有效性,但同時(shí)也對(duì)外科學(xué)的發(fā)展提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

第一,人才是推動(dòng)外科學(xué)發(fā)展的第一資源,醫(yī)學(xué)與理工科結(jié)合的高端復(fù)合人才是科學(xué)技術(shù)與外科學(xué)交叉融合過程中不可或缺的條件。目前中國(guó)的醫(yī)生培養(yǎng)體系主要聚焦于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,對(duì)學(xué)科交叉和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)相對(duì)不足。

第二,科學(xué)技術(shù)為外科醫(yī)生帶了諸多便利的同時(shí),可能導(dǎo)致醫(yī)生對(duì)這些輔助工具產(chǎn)生過度迷信和依賴。以手術(shù)機(jī)器人為例,它能夠使好的外科醫(yī)生變得更加優(yōu)秀,但不能讓一名糟糕的外科醫(yī)生變成好的外科醫(yī)生。同樣,在人工智能輔助診斷方面,盡管新型人工智能已經(jīng)獲得機(jī)器驅(qū)動(dòng)的高級(jí)醫(yī)學(xué)推理能力,在某些方面的診斷水平甚至已經(jīng)達(dá)到超越高年資醫(yī)生水平,但在創(chuàng)新性、適應(yīng)性、交互性等方面仍然存在短板。

第三,目前科學(xué)技術(shù)應(yīng)用于外科領(lǐng)域所適用的規(guī)章制度和倫理?xiàng)l款的出臺(tái)相對(duì)滯后,公平受益、病人隱私、醫(yī)療安全、責(zé)任劃分和監(jiān)管等問題亟待解決。以手術(shù)機(jī)器人為例,盡管手術(shù)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)更小的創(chuàng)傷和更高的精確度,但設(shè)備故障、軟件失靈等情況偶有發(fā)生。如何避免這類情況發(fā)生,或當(dāng)發(fā)生這類意外導(dǎo)致病人遭受損害時(shí)應(yīng)如何劃分責(zé)任及賠償義務(wù)等,都是亟須進(jìn)一步明確規(guī)范的問題。

針對(duì)上述問題,可從以下幾個(gè)方面推進(jìn)：首先,構(gòu)建完善的醫(yī)工交叉人才培養(yǎng)體系,以提高整體從業(yè)人員跨學(xué)科、跨平臺(tái)解決問題的能力,從而推動(dòng)科學(xué)技術(shù)在外科學(xué)中的快速融合應(yīng)用;其次,明確醫(yī)生在臨床診療過程中的主導(dǎo)地位,培養(yǎng)醫(yī)生的批判性思維;最后,需要醫(yī)學(xué)、工學(xué)、法學(xué)等諸多相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人士共同參與,明確行業(yè)的規(guī)章制度和行為規(guī)范,建立健全的監(jiān)管體系和監(jiān)管制度。

總而言之,科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步對(duì)于外科學(xué)發(fā)展來說,既是重大的機(jī)遇,也是新的挑戰(zhàn)。這要求外科醫(yī)生培養(yǎng)學(xué)科交叉創(chuàng)新能力,把握科技發(fā)展方向,用好前沿科技,才能在這個(gè)時(shí)代贏得更好的發(fā)展。