科学技术对现代外科学发展的影响

方滢 叶哲伟 陈孝平

随着现代科技的进步,一系列前沿科技与医学不断融合,推动着现代医学持续向前发展。人工智能(artificial intelligence,AI)、混合现实(mixed reality,MR)、手术机器人(surgical robotics)、远程医疗(telemedicine)、3D打印(three-dimensional printing)、脑机接口(brain-computer interface,BCI)、计算机辅助手术导航系统(computer assisted surgical navigation system)、区块链(blockchain)等先进的科学技术被应用于外科的临床与教学中,为目前外科学领域亟待解决的问题提供了新的方案和思路,推动着外科学的发展和进步。

一、人工智能在外科中的应用

人工智能自21世纪以来有了长足发展,其在医学领域也得到了更为广泛的应用。人工智能具备大数据分析、计算机视觉、自然语言识别等强大功能,能在诊断、治疗、麻醉、护理、康复等方面为当前医生的临床工作提供强大助力。

1.人工智能辅助医学诊断：疾病的诊断依托于问诊查体、实验室检查、影像学检查及病理学检查。这些海量的临床数据是医生做出诊断的重要参考,但同时也加大了医生的工作负担,加之病人个体差异大、检查结果不典型等情况,漏诊误诊时有发生[1]。以深度学习为代表的AI算法具有十分优秀的图像识别功能,被广泛应用于辅助影像学诊断和病理学诊断。在影像学诊断方面,目前已有大量研究证明,通过利用大量医学图像对人工智能算法进行训练,能够实现病变识别、良恶性病变区分、病变区域分割等[2-4]。在病理学诊断方面,人工智能能协助病理科医生完成部分主观的或定量的常规任务,例如有丝分裂检测、肿瘤分型自动识别等[5-6]。经过训练的人工智能算法具备与医生相当的诊断水平,甚至在某些方面可以超越医生,这意味着人工智能可以成为辅助医生诊断的有效工具。

2.人工智能辅助外科治疗：人工智能可用于辅助外科临床决策。通过自然语言处理(nature language processing,NLP)等技术对病人基本信息、病史、实验室检查结果等非结构化数据进行相关信息提取,结合影像学与病理学诊断结果,人工智能算法能够实现对不良转归风险精准预测、治疗方案智能决策、最佳术式选择和手术预后预测等[7-10],为外科医生回答“是否手术”、“如何手术”、“手术预后如何”等临床难题提供有力参考,辅助外科医生准确、迅速地选择最优治疗方案。人工智能技术还被应用于辅助手术规划。以骨科的椎弓根螺钉置入术为例,由于脊椎周围分布着许多重要的神经组织,对椎弓根螺钉的置入精度要求极高。人工智能算法通过对图像进行分析,能够自动、智能识别多个椎弓根标志点,辅助医生选择最佳进钉点,实现术中精准定位和安全操作[11]。

3.人工智能辅助术中麻醉：人工智能在术中麻醉中亦得到了很好的应用。术中麻醉实施的安全性和效果很大程度取决于麻醉医生自身的水平,这是手术成功完成的关键,同时也是降低病人术后并发症的主要因素。人工智能技术辅助可以实时监测麻醉期间气道安全,早期预警病人不良并发症发生的可能性,从麻醉安全监测、麻醉深度控制、麻醉不良事件预测、麻醉疼痛管理、麻醉手术室智能管理等多个层面提升病人术中麻醉效果及安全性,极大地保障了病人的生命健康,同时减轻了麻醉医生的工作负担[12]。

4.大语言模型：以ChatGPT为代表的大语言模型(large language model,LLM)也在医学领域得到了初步的应用。大语言模型为一类深度学习模型,其经过学习大量文本数据,能够模仿人类语言处理能力。目前,已有研究证明了大语言模型在外科临床工作中的有效性,例如,辅助糖尿病自我管理与教育、生成初步的影像学诊断报告及病程记录等医疗文书、 为病人提供立体定向放射外科手术的专业信息等[13-15]。大语言模型的应用能在一定程度上提高临床工作的效率,辅助医患沟通。

二、混合现实在外科中的应用

混合现实是一项建立在人类自然感知上的数字化全息技术,通过计算机可视化技术生成虚拟模型,并将其与用户所处的现实环境叠加,实现虚拟、现实和用户三者之间的信息互通。

1.混合现实在手术教学培训中的应用：目前,由于模拟器材短缺、模型与真实人体差异较大、手术操作风险等原因的限制,医学生与低年资的外科医生经常无法得到充分的手术培训,这导致外科医生的培养周期大大延长。混合现实技术为手术教学培训提供了一种全新的方式。基于混合现实技术与现实世界的交互性和信息获取的及时性,借助混合现实眼镜,训练者能随时在虚拟模型上反复进行模拟手术操作,极大地提高了外科手术教学培训的效率,缩短了外科医生的培养周期[16]。

2.混合现实在外科手术中的应用：在临床工作中,混合现实技术也有诸多用武之地。目前,外科医生制定手术方案时主要借助影像学检查了解病变区域的解剖位置信息,但常规的影像学图像多为切面状态,外科医生还需在脑中对这些切面图像进行三维重建还原。而混合现实技术则能够替代这一过程,通过算法将术前CT或MRI图像重建为三维虚拟模型,更直观、更准确地将手术区域呈现给医生,医生与医生之间也可以通过混合现实眼镜实时进行手术方案讨论,为外科医生提供辅助术前规划的强大利器[17-18]。此外,混合现实技术还可用于术中导航。基于混合现实的术中导航也为目前外科手术面临的操作精度要求高、手术复杂性和难度日渐提高等难题提供了新的解决方案。混合现实技术在术中为外科医生提供实时的三维可视化模型,让外科医生无需扩大手术切口即可获得内部器官的空间信息,实现手术过程中的高维度“透视”,使手术的精确性和安全性得到明显提高[19-20]。

3.混合现实在疼痛管理中的应用：疼痛是一种主观感受,也是临床上最常见的症状之一。疼痛管理的效果将极大地影响病人术后康复。混合现实提供了一种辅助术后疼痛管理的新方法。混合现实通过分散病人的注意力来减轻病人术后的焦虑和疼痛。有研究表明,相当多的手术术后的病人通过混合现实辅助治疗后自觉疼痛减轻,并出现相应的生理变化,如心率、呼吸频率降低等[21]。同时,也有研究表明,混合现实有望成为改善截肢病人幻肢痛的有效方案[22]。

三、手术机器人在外科中的应用

手术机器人是近年来高端医疗领域的重大创新突破之一,是医学、材料学、自动控制学、机器人等诸多学科交叉融合的产物。手术机器人主要分为几个方向：腔镜手术机器人、骨科手术机器人、神经外科手术机器人、泛血管手术机器人及经皮穿刺手术机器人等。以下主要介绍前三个方向。

1.腔镜手术机器人：腔镜手术机器人通过微小创口或自然管道进入人体,由三维高清影像系统将手术视野实时传输至外部设备,医生通过操作系统操控机械臂进行手术。腔镜手术机器人是目前技术发展最成熟、应用最广泛的手术机器人,涉及的领域包括普通外科、妇科、泌尿外科、胸外科等,应用于包括肝切除术、胆囊切除术、肺叶切除术、肾盂成形术、子宫切除术及肿瘤切除术等多种手术中[23]。相较于传统手术,腔镜手术机器人系统的机械臂具有更高的活动自由度和准确度,允许医生进入更狭小的空间内进行更精细的操作,在灵活性和协调性方面的表现均优于传统手术。

2.骨科手术机器人：骨科手术机器人作为手术机器人的另一个主要分支,在近30年间亦得到了飞速发展。传统的骨科手术中常因遮挡导致视觉偏差,手术精准性欠佳,同时,骨科手术常借助C形臂X射线机反复透视以辅助手术医生更好把握内植物的置入位置及精度,使病人和医生受到的辐射量大大增加。骨科手术机器人具有标准化、数字化、可视化的特点,为这些现存难题提供了新的解决方法。根据应用场景的不同,骨科手术机器人被区分为三大种类：关节手术机器人、脊柱手术机器人、创伤手术机器人。目前骨科机器人已被广泛应用于关节置换、椎弓根螺钉置入、骨折复位内固定等骨科手术中,骨科手术可控制性及精确性得到大幅度提升,同时有效减少了术中透视次数[24-25]。

3.神经外科手术机器人：因神经外科手术中涉及的解剖结构复杂、精细,且手术操作空间较为局限,神经外科手术机器人研发进展相对较为缓慢。目前神经外科手术机器人主要应用于颅内血肿清除、颅内肿瘤精准穿刺活检、脑深部电刺激电极置入、神经内镜手术等多项神经外科操作中。神经外科手术机器人通过多种影像数据协助医生快速精准识别并定位病变区域。同时,神经外科手术机器人借助震颤滤过系统消除术者手部震颤,且能够长时间持续工作不疲劳,在一定程度上避免了因术者疲劳或手颤导致的术中损伤,提高了神经外科手术的稳定性和安全性[26-27]。

四、远程医疗在外科中的应用

远程医疗是现代通信技术与医学交叉融合的产物,通过现代通信技术进行跨地域实时医疗信息交流,由医疗专家提供远距离医疗服务,如诊断、治疗、教学等,实现医疗数据远距离、高效率、低成本传输,实现优质医疗资源共享。远程医疗在很大程度上缓解了我国当前医疗发展不平衡、偏远地区病人就医困难等问题。专家通过远程医疗技术实现与病人及基层医护人员的远程交流指导,甚至完成远程手术,克服时间和空间障碍,实现医疗资源跨地区再分配,促进医疗公平。

1.远程手术指导：早先的远程医疗主要通过电话、有线电视网络等设备进行远程咨询或指导,随着通信技术、云计算等高新科技的飞速发展,特别是近年来的第5代移动通信技术(5G)的出现,先前限制远程医疗发展的稳定性差、电信延迟等问题得以改善,远程医疗技术得到了进一步发展。当前,借助5G网络,在进行外科远程会诊、远程手术指导和远程手术教学时,远距离、多区域的视频、图像等医疗数据的传输速度极大提升。同时,在扩展现实(extended reality,XR)技术的辅助下,通过实时视频融合,可以将专家的指导意见实时投印到被指导方的手术视野中,真正实现了“手把手”的远程手术指导教学[28-29]。

2.远程手术：由于手术机器人的高速发展,远程手术已成为一种备受瞩目的新兴外科手术模式。基于现代通信技术与手术机器人,专家可以为相距遥远的病人实施手术治疗。同时,扩展现实技术可为专家提供仿真的虚拟手术环境,以获得更清晰的手术视野和操作画面。专家在主控台发出控制信号,通过网络远程传输至手术机器人移动机械臂,以进行手术器械的移动和手术操作。同时,将视频图像数据实时传送反馈,专家可根据实时反馈的手术情况进行调整或发送下一步的操作信号[29-30]。目前,随着5G技术的发展,远程手术也不断取得突破性进展,但由于外科手术的精度要求极高,远程手术在临床中尚未能得到广泛应用。

五、3D打印在外科中的应用

3D打印技术又被称为快速增材制造技术,是一门新兴的数字化成型技术,基于病人的CT、MRI等图像数据构建3D数字模型,通过计算机控制下的3D 打印机将可粘合材料精确堆积、逐层打印,制造三维实体模型。

1.3D打印在术前规划中的应用：由于3D打印模型是根据病人影像学图像精确再现的实体模型,可以用于术前规划和手术模拟,为外科医生提供视觉及触觉反馈。3D打印模型能够直观展示病人伤患处的解剖信息,帮助定位手术区域内的关键危险结构,确定病变切除线或螺钉进钉轨迹等关键手术操作,让外科医生在术前对病人的解剖信息和手术方式有更深入的了解。目前已有多项研究证明了3D打印在神经外科、心血管外科、颌面外科、普通外科以及骨科的术前规划中的有效性[31-32]。

2.3D打印在医患沟通中的应用：在术前谈话时,3D打印模型能帮助病人和家属更好地理解手术的相关情况。由于病人和家属多为未受过医学教育的人群,对于人体解剖结构和疾病情况的了解较少,以致于在术前谈话中可能无法完全理解医生想传达的信息。这对于病人和家属选择治疗方案非常不利,同时容易导致医患矛盾的发生。借助3D打印模型,医生能够三维立体地向病人和家属展示病变情况和手术方案,解释手术可能出现的并发症及其出现的原因,从而鼓励病人和家属参与手术细节和方案选择的讨论[33]。

3.3D打印在辅助外科手术中的应用：3D打印技术还可用于辅助外科手术。以3D打印导板在脊柱外科中的应用为例,3D打印导板可以用于引导脊柱的单节段或多节段椎弓根螺钉的置入,提高螺钉置入的准确性和效率,降低并发症的风险。此外,在严重脊柱畸形病人的矫形截骨手术中,3D打印导板为病人脊柱结构1：1还原的模具,能够完美契合病人的脊柱解剖结构,为脊柱外科复杂截骨矫形手术提供了一种高安全性且高精确度的术中辅助方式[31-32,34]。

4.3D打印应用于定制植入物和假体：3D打印技术还可用于个体化定制植入物和假体,由于骨组织的坚固性较易复制,其在骨科方面应用更为广泛。相较于其他相应的标准化工业产品,由3D打印技术生产的植入物和假体有着更符合病人个人特征的形状和结构。3D打印技术能够根据每个病人的个体特征设计定制的植入物和假体,具有更为精确的解剖结构和外形。特别是在头部、面部、四肢等外露部位,这类个体定制的植入物和假体能够提供更完美、更对称的外观,这对于病人的社交意义是不可估量的。同时,由于3D打印技术生产的植入物和假体更符合个体的解剖结构和生物力学结构,可以更好地减轻术后不适或运动障碍[31,35]。

六、脑机接口在外科中的应用

脑机接口技术通过检测大脑神经活动,将其解码为用于替代、修复、增强、补充或改善中枢神经系统正常输出的人工输出方式。其既包括了中枢神经系统单向接收或发送信号的单向脑机接口,也包括了联通中枢神经系统与外部设备实现双向信息交互的双向脑机接口。

1.脑机接口应用于运动控制：脑机接口技术能为罹患高位脊髓损伤或闭锁综合征等四肢活动功能障碍的病人提供新的运动控制方式。这类病人具备完好的认知能力,但由于大脑的控制信号无法传输到运动系统,使病人的运动功能严重受限。脑机接口技术通过侵入性或非侵入性的方式采集提取病人的大脑信号并进行解码,继而控制外部设备,如计算机、外骨骼、智能假肢等[36-37],或刺激病人自身的外周神经及肌肉,以替代或改善甚至恢复病人的运动功能[38]。脑机接口技术让外科中许多运动功能严重受限的病人看到了恢复运动功能的希望。

2.脑机接口应用于感觉功能恢复：脑机接口技术还可用于辅助恢复病人感觉功能。人工耳蜗是最具代表性的输入式感觉脑机接口,其通过将电极置入耳蜗内,绕过中耳,直接刺激听神经末梢,是目前感音性耳聋的病人使用最广泛的听觉重建方式。此外,还有听觉型脑干植入物,这类植入物将电极置入脑干耳蜗核,直接刺激耳蜗核以恢复病人听觉。除了应用于听觉功能恢复,脑机接口技术还应用于外科中重建病人视觉、嗅觉、本体感觉和触觉等感觉功能[39]。

3.脑深部电刺激：随着科学技术的进一步发展,脑解剖成像与脑功能成像等技术得到了优化,使神经外科学进入了神经网络外科的新阶段。而脑深部电刺激(deep brain stimulation,DBS)是目前神经调控手术中应用最广泛的技术之一。脑深部电刺激是通过在颅内某个特定部位置入电极并对该部位发射高频电刺激以调节该部位神经元的兴奋性,从而达到治疗目的的一种神经外科微创手术。传统的脑深部电刺激并不涉及脑电信号解码等关键步骤,所以不属于脑机接口的范畴。但随着脑机接口技术的发展,出现了自适应脑深部电刺激。自适应脑深部电刺激是一类闭环神经刺激设备,通过置入的电极持续监测脑电信号并进行信号提取及解码,当检测到异常脑电情况时立即对该部位进行刺激,这使脑深部电刺激技术对病变区域进行的电刺激变得更个性化、更具针对性[39]。这类自适应脑深部电刺激技术已被初步应用于神经外科治疗癫痫、帕金森病和慢性疼痛等多种疾病。

七、科学技术对现代外科学发展影响的思考与展望

随着科学技术的创新发展并与医学交叉融合,其在外科领域的应用场景也将日益丰富,并将对外科学产生更深远影响。科学技术将赋能外科医生,为外科诊治过程提供更高的精准性、安全性和有效性,但同时也对外科学的发展提出了更严峻的挑战。

第一,人才是推动外科学发展的第一资源,医学与理工科结合的高端复合人才是科学技术与外科学交叉融合过程中不可或缺的条件。目前中国的医生培养体系主要聚焦于医学领域,对学科交叉和创新能力的培养相对不足。

第二,科学技术为外科医生带了诸多便利的同时,可能导致医生对这些辅助工具产生过度迷信和依赖。以手术机器人为例,它能够使好的外科医生变得更加优秀,但不能让一名糟糕的外科医生变成好的外科医生。同样,在人工智能辅助诊断方面,尽管新型人工智能已经获得机器驱动的高级医学推理能力,在某些方面的诊断水平甚至已经达到超越高年资医生水平,但在创新性、适应性、交互性等方面仍然存在短板。

第三,目前科学技术应用于外科领域所适用的规章制度和伦理条款的出台相对滞后,公平受益、病人隐私、医疗安全、责任划分和监管等问题亟待解决。以手术机器人为例,尽管手术机器人能够实现更小的创伤和更高的精确度,但设备故障、软件失灵等情况偶有发生。如何避免这类情况发生,或当发生这类意外导致病人遭受损害时应如何划分责任及赔偿义务等,都是亟须进一步明确规范的问题。

针对上述问题,可从以下几个方面推进：首先,构建完善的医工交叉人才培养体系,以提高整体从业人员跨学科、跨平台解决问题的能力,从而推动科学技术在外科学中的快速融合应用;其次,明确医生在临床诊疗过程中的主导地位,培养医生的批判性思维;最后,需要医学、工学、法学等诸多相关领域的专业人士共同参与,明确行业的规章制度和行为规范,建立健全的监管体系和监管制度。

总而言之,科学技术的进步对于外科学发展来说,既是重大的机遇,也是新的挑战。这要求外科医生培养学科交叉创新能力,把握科技发展方向,用好前沿科技,才能在这个时代赢得更好的发展。