數(shù)理科學(xué)思維在神經(jīng)外科教學(xué)中的意義

毛星剛 章翔* 章薇 李玥,2 薛小燕

(空軍軍醫(yī)大學(xué): 1西京醫(yī)院神經(jīng)外科: 2學(xué)員五大隊一中隊; 3藥學(xué)系藥理學(xué)教研室，陜西 西安 710032)

神經(jīng)外科是集手術(shù)技能和專業(yè)理論知識于一體的臨床學(xué)科。隨著現(xiàn)代化科技的進步，神經(jīng)外科的很多診斷、治療均依賴于自然科學(xué)的進步與創(chuàng)新。由于人類大腦具有極其復(fù)雜與精細(xì)的三維結(jié)構(gòu)，對疾病判斷、手術(shù)方式的深刻理解需要建立在對大腦三維立體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識基礎(chǔ)之上，因而空間想象能力等自然科學(xué)的思維方法具有重要作用。隨著計算機信息科學(xué)等數(shù)理科學(xué)的發(fā)展及神經(jīng)外科學(xué)對高科技技術(shù)的依賴性逐漸增加，在神經(jīng)外科教學(xué)過程中，注重加強培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)理科學(xué)思維能力具有深的遠意義。

一、神經(jīng)外科學(xué)中的立體空間想象能力

大腦是人體中最復(fù)雜的高級器官，它具有復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)。大腦周圍有堅硬的顱骨，大腦內(nèi)重要的腦組織、神經(jīng)及血管異常密集，因而，一旦生病需要手術(shù)治療時，只有非常狹小的手術(shù)操作空間。如何充分利用天然的潛在腔隙，并在狹小的空間之內(nèi)安全地完成手術(shù)，是神經(jīng)外科最基本的要求。我們深知，神經(jīng)外科醫(yī)師必須對大腦的組織結(jié)構(gòu)有非常深刻的三維立體認(rèn)識，才能夠獲得良好的手術(shù)效果。在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育的過程中，隨著大腦皮質(zhì)及相關(guān)結(jié)構(gòu)的高度發(fā)達，大量的組織結(jié)構(gòu)依附顱腔的形態(tài)而發(fā)生移位，從而產(chǎn)生了較為復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)。遵循嚴(yán)密的邏輯思維及空間想象力，可以更好地理解這些結(jié)構(gòu)。比如掌握從整體到局部的思維邏輯方式，對大腦的一些結(jié)構(gòu)先進行整體上的認(rèn)識，再聚焦到局部，就可對局部解剖的理解提高清晰的層次感和邏輯判斷方向，達到提綱挈領(lǐng)、綱舉目張的效果。以橋腦小腦角區(qū)的解剖為例，首先整體上認(rèn)識到，該區(qū)域的腦組織結(jié)構(gòu)是中腦、腦橋、延髓以及小腦。該部位的手術(shù)主要涉及到幾組顱神經(jīng)和血管。首先，從整體上認(rèn)識12對顱神經(jīng)在整個大腦的分布與位置：第Ⅲ對動眼神經(jīng)從中腦腹側(cè)的腳間窩發(fā)出；第Ⅳ對滑車神經(jīng)從背側(cè)的中腦底部發(fā)出；第Ⅴ對三叉神經(jīng)從腦橋發(fā)出；第Ⅵ～Ⅷ對腦神經(jīng)從腹側(cè)的腦橋下緣發(fā)出；第Ⅸ～Ⅺ對顱神經(jīng)由上而下從延髓橄欖體的背側(cè)發(fā)出；第Ⅻ對舌下神經(jīng)則從延髓橄欖體的腹側(cè)發(fā)出。在橋腦-小腦角區(qū)解剖方面，整體上自上而下可分為上、中、下三組神經(jīng)血管復(fù)合體。其中血管由上至下分別是小腦上動脈、小腦前下動脈、以及小腦后下動脈，相對應(yīng)的神經(jīng)則分別包括第Ⅲ～Ⅴ對顱神經(jīng)、Ⅵ～Ⅷ對顱神經(jīng)、Ⅵ～Ⅶ對顱神經(jīng)。建立起這樣一個宏觀的認(rèn)識，再從局部研究每個神經(jīng)血管的走向和周圍腦組織、骨質(zhì)、硬腦膜的毗鄰關(guān)系，就會在邏輯和層次上有比較清晰的認(rèn)識，從而加深局部顯微解剖的理解[1]。在教學(xué)的過程中，應(yīng)該對大腦三維結(jié)構(gòu)的各個部分，均進行類似的學(xué)習(xí)，并提倡內(nèi)在的聯(lián)系。在空間想象力方面，比較典型的包括側(cè)腦室、第三腦室的空間結(jié)構(gòu)。由于發(fā)育過程中的明顯移位，側(cè)腦室和第三腦室均形成了不規(guī)則形狀，其周圍更是毗鄰眾多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。對此復(fù)雜三維空間結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，可以通過從外側(cè)及從內(nèi)側(cè)不同的觀察角度進行學(xué)習(xí)。從外面的角度，可以觀察側(cè)腦室的整體形狀；而從內(nèi)部采取內(nèi)鏡式的觀察方法，可在各個角度了解構(gòu)成腦室壁的結(jié)構(gòu)。通過內(nèi)外觀察角度的聯(lián)系，形成更深刻的認(rèn)識。如上所述的思維方式和學(xué)習(xí)方法，均是在數(shù)理科學(xué)中的嚴(yán)密邏輯思維方式。這種數(shù)理思維邏輯方式的培養(yǎng)，對神經(jīng)外科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)具有指導(dǎo)作用。

二、立體定向技術(shù)與DBS

眾所周知，神經(jīng)外科學(xué)的發(fā)展離不開科學(xué)技術(shù)的進步。歷史上新的神經(jīng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，往往與先進的自然科學(xué)技術(shù)進步密切相關(guān)。例如神經(jīng)影像學(xué)、血管介入手術(shù)、立體定向、深部腦刺激(deep brain stimulation, DBS)、顯微鏡手術(shù)、內(nèi)鏡手術(shù)、神經(jīng)導(dǎo)航等，無不與相應(yīng)的技術(shù)設(shè)備研發(fā)密切相關(guān)。以腦立體定向技術(shù)為例，世界上最早的立體定向思維來自于達芬奇。作為偉大的科學(xué)家與畫家，達芬奇首次描繪了人類頭骨形態(tài)及腦部不同交叉平面的截圖，并以此為基礎(chǔ)，提出了立體定向的構(gòu)思。在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人們探索了有框架立體定向技術(shù)的應(yīng)用，此時主要是在動物身上進行試驗。其基本構(gòu)思就是通過建立立體的坐標(biāo)幾何和空間三維笛卡爾坐標(biāo)系，并以顱骨上的特定標(biāo)記作為定位點，從而實現(xiàn)了大腦內(nèi)結(jié)構(gòu)的空間立體定向技術(shù)。在1947年，奧地利神經(jīng)病學(xué)家Ernest A. Spiegel(1895～1985年)和美國神經(jīng)外科醫(yī)生Henry T. Wycis(1911～1972年)，共同推出了適用于人類的有框架立體定位儀，從而開創(chuàng)了神經(jīng)外科立體定向手術(shù)[2]。即使在當(dāng)前無框架立體定向技術(shù)迅速發(fā)展的情況下，有框架的立體定向技術(shù)仍占據(jù)重要的地位，尤其在功能神經(jīng)外科方面，這與功能神經(jīng)外科的精準(zhǔn)定位密切相關(guān)。目前應(yīng)用較多的是精確坐標(biāo)定位、聯(lián)合腦電波的實時記錄，并根據(jù)患者的反應(yīng)來決定植入電極的位置?？梢钥闯?，無論是空間三維坐標(biāo)的調(diào)控，還是腦電波形態(tài)的判斷，均依賴于邏輯的數(shù)理思維。

立體定向設(shè)備的原理是基于笛卡爾坐標(biāo)系統(tǒng)，基本類型包括直角形、球形和圓柱形坐標(biāo)定位儀。目前應(yīng)用較廣的是一些混合定位儀，一般由直角坐標(biāo)和球形坐標(biāo)聯(lián)合而成。將這些定位儀安裝在患者頭顱部，通過立體定向儀設(shè)定相應(yīng)的坐標(biāo)參數(shù)，從而確定腦內(nèi)結(jié)構(gòu)的位置。在此發(fā)展過程中，還出現(xiàn)了多種類型的人類大腦立體定向圖譜。顯而易見，立體定向技術(shù)的原理與現(xiàn)實，與數(shù)學(xué)密切相關(guān)，是數(shù)理思維在神經(jīng)外科領(lǐng)域的典型表現(xiàn)。只有具備良好的數(shù)理思維能力，才有可能建立起實際可用的立體定向技術(shù)。因此，有意識地培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)理邏輯思維能力，可使得他(她)們在日常工作中，若遇到類似的專業(yè)問題，則可深入地開展并可能取得創(chuàng)新性成果。

三、計算機輔助神經(jīng)外科：導(dǎo)航及手術(shù)機器人

1986 年Rober等教授介紹了一種與CT圖像、顯微鏡相結(jié)合的無框架定向手術(shù)系統(tǒng)。無框架立體定向觀念的出現(xiàn)迅速激發(fā)了人們制造無框架立體定向儀器的興趣，并發(fā)展為現(xiàn)今多種多樣的神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)[3]。神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)、工程學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。它所涉及的技術(shù)原理，不僅與三維空間坐標(biāo)定位和計算學(xué)相關(guān)，還與信號追蹤系統(tǒng)、計算機軟件技術(shù)等相聯(lián)系。常用的神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)主要是數(shù)字化儀系統(tǒng)，主要包括聲波、紅外線及電磁數(shù)字化儀。目前神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)在神經(jīng)外科手術(shù)中具有多方面的應(yīng)用，可用于大腦深部小病灶的定位、凸面病變界限的精確定位、經(jīng)鼻蝶入路的解剖辨識定位、以及指導(dǎo)鎖孔手術(shù)等。需要指出的是，在神經(jīng)外科手術(shù)過程中，仍有許多因素會影響定位的準(zhǔn)確性，例如在手術(shù)過程中，腦脊液的釋放、囊性病變的變形等會引起大腦組織的移位，從而使得導(dǎo)航出現(xiàn)偏差；另外一個可選擇性的方案是進行術(shù)中攝取影像，根據(jù)實時影像結(jié)果進行導(dǎo)航。

上述立體定向和神經(jīng)導(dǎo)航，基本上都是將大腦組織結(jié)構(gòu)作為不可變形的剛體進行研究，均沒有考慮組織的形變。以后更為精準(zhǔn)的定位方案需要想到腦組織的形變。在處理組織的形變方面，傳統(tǒng)的幾何學(xué)具有較大的局限性。與此相關(guān)的一個新興領(lǐng)域是計算共形幾何。這方面的研究進展主要借助于現(xiàn)代數(shù)學(xué)與計算機的發(fā)展[4]。在數(shù)學(xué)理論方面，需要應(yīng)用到代數(shù)拓?fù)鋵W(xué)的方法。為了更好的理解這個領(lǐng)域的進展，并結(jié)合神經(jīng)外科學(xué)的特殊需求進行改進與創(chuàng)新，在學(xué)習(xí)與思維方面，了解拓?fù)鋵W(xué)、現(xiàn)代代數(shù)及現(xiàn)代幾何學(xué)的一些基本原理是非常有益的。

立體定向技術(shù)，進一步智能化并與高科技的結(jié)合便是手術(shù)機器人。手術(shù)機器人已經(jīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域多個學(xué)科進行了應(yīng)用，在神經(jīng)外科的使用也具有一定的歷史了[5]。手術(shù)機器人精準(zhǔn)的定位以及空間移動，其功能的實現(xiàn)與提高，都需要數(shù)理科學(xué)的密切參與。由于神經(jīng)外科學(xué)的高度專業(yè)性，許多實際功能的設(shè)計與實現(xiàn)都需要神經(jīng)外科醫(yī)師的參與。事實上，顯微神經(jīng)外科大師Yasargil就是親自動手設(shè)計了手術(shù)顯微鏡以及相應(yīng)器械。如果沒有扎實的數(shù)理科學(xué)思維作為基礎(chǔ)，是設(shè)計不出如此復(fù)雜的精密器械的。隨著各種新技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是高新技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，越來越多的需要?？迫藛T參與技術(shù)的改進與設(shè)計。在神經(jīng)外科教學(xué)過程中，有意識地涉及一些技術(shù)發(fā)展的歷史和原理，不僅可拓寬學(xué)生們的視野，也能激發(fā)其多學(xué)科交叉的創(chuàng)造性思維，從而培養(yǎng)出與現(xiàn)代科技緊密接軌的高級醫(yī)學(xué)人才[6]。

四、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與內(nèi)窺鏡

由于大腦三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為臨床教學(xué)提供了非常好的工具[7]。神經(jīng)外科實習(xí)醫(yī)生對解剖學(xué)的認(rèn)識，大部分來自于圖譜、尸體解剖和手術(shù)觀摩，這些與實際操作還是有一定的距離。借助計算機的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可為學(xué)生提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過電腦模擬出一個三維空間，并為使用者提供視覺、聽覺、觸覺等感官的認(rèn)知，從而產(chǎn)生身臨其境的感覺。對于虛擬的三維解剖結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)者可從不同的角度進行觀察。該技術(shù)在神經(jīng)外科學(xué)多個方面的應(yīng)用已取得了成功，例如腦室穿刺、復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)如巖骨神經(jīng)血管走形等。即使在實際的臨床工作中，對于一些復(fù)雜病例，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也為手術(shù)提供了非常好的術(shù)前計劃制定：如經(jīng)卵圓孔穿刺處理半月節(jié)、復(fù)雜顱底腫瘤/前循環(huán)動脈瘤與周圍復(fù)雜的神經(jīng)血管解剖關(guān)系的細(xì)致描述等，為手術(shù)的成功及采取最佳的入路提供了良好的指導(dǎo)。

另一個重要的領(lǐng)域是內(nèi)窺鏡的發(fā)展和應(yīng)用，如同顯微鏡的使用在神經(jīng)外科產(chǎn)生了革命性的進步那樣，近年來內(nèi)窺鏡的使用及發(fā)展給神經(jīng)外科帶來了又一個重大突破[8]。內(nèi)窺鏡技術(shù)為人們從內(nèi)部角度觀察大腦的清晰結(jié)構(gòu)提供了良好的工具。考慮到顱底結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及與顱外許多結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可對內(nèi)窺鏡學(xué)習(xí)提供很好的途徑。在教學(xué)方面，可使學(xué)生通過虛擬內(nèi)窺鏡了解經(jīng)鼻-蝶入路的解剖與操作，也可通過虛擬內(nèi)窺鏡觀察腦室的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。與圖譜中看到的不同，從內(nèi)部觀察可以更清晰地認(rèn)識到腦室各個壁的結(jié)構(gòu)與構(gòu)成：例如，側(cè)腦室通過室間孔到達第三腦室，向前抵達終板、視交叉隱窩、漏斗隱窩，向后至中腦導(dǎo)水管。這樣的學(xué)習(xí)，不僅對內(nèi)窺鏡手術(shù)有必要，也對加深認(rèn)識顱內(nèi)深部的解剖結(jié)構(gòu)具有明確性。

如何進一步加強虛擬現(xiàn)實技術(shù)在神經(jīng)外科學(xué)的應(yīng)用，需要更多的神經(jīng)外科專業(yè)人員的參與。該技術(shù)高度依賴于計算機等現(xiàn)代科學(xué)，以后也會成為很多學(xué)科在內(nèi)的重要輔助工具。

五、人工智能與深度學(xué)習(xí)

近年來數(shù)理計算機科學(xué)在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，對人們沖擊最大的當(dāng)屬人工智能。其中比較突出的是深度學(xué)習(xí)框架。目前在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用較多的學(xué)習(xí)是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Neural Network, DNN)。DNN是計算機科學(xué)與數(shù)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，在經(jīng)過幾十年的發(fā)展之后，尤其是近年來大數(shù)據(jù)的累積[9]，越來越體現(xiàn)出DNN的價值。在醫(yī)學(xué)方面，DNN應(yīng)用最廣泛的是基于圖像的識別功能，如對醫(yī)學(xué)影像學(xué)、病理學(xué)圖片的識別與診斷[10-11]。基于DNN的人工智能診斷，其準(zhǔn)確率甚至高于人類專家。而它的優(yōu)勢在于：具有非常高的效率及非疲勞性。對DNN的進一步改善，甚至可標(biāo)記出具有診斷意義的圖像區(qū)域。就目前而言，人工智能、尤其深度學(xué)習(xí)在醫(yī)學(xué)及神經(jīng)外科領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步，它有著非常遠大的發(fā)展前景。事實上，人工智能的應(yīng)用不僅局限于圖像的識別與診斷，更可應(yīng)用于治療方案的制定與決策、以及對預(yù)后的判斷[12]。有關(guān)治療方案的決策在臨床上常系比較復(fù)雜的難題，而借助于大數(shù)據(jù)和人工智能，則可能給出更為合理的某種方案。因此在臨床教學(xué)中，應(yīng)該有意識地加強這方面的引導(dǎo)，可增強學(xué)生們對臨床科學(xué)與數(shù)理科學(xué)相結(jié)合的興趣，最終利用最新的科技促進神經(jīng)外科學(xué)的發(fā)展。

與網(wǎng)絡(luò)的代數(shù)拓?fù)湎嚓P(guān)的另一個方向與基礎(chǔ)研究相關(guān)，其中一個比較典型的問題是分子網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[13]。我們可以看到，雖然深度學(xué)習(xí)與分子網(wǎng)絡(luò)是兩個不同的方向，卻需要用到一個共同的數(shù)學(xué)工具，即：網(wǎng)絡(luò)代數(shù)拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)。在目前的后基因組時代，對大量單個分子的功能已進行了深入研究，但是分子之間相互作用形成的網(wǎng)絡(luò)功能如何？尚不明確，這將是下一步研究的重點。

六、小結(jié)

現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展都離不開自然科學(xué)的進步，而在神經(jīng)外科學(xué)取得重要進展的過程中，嚴(yán)密的數(shù)理邏輯思維可起到舉足輕重的作用。在當(dāng)今高新科技快速發(fā)展的背景下，高新技術(shù)在?？祁I(lǐng)域的結(jié)合與應(yīng)用顯得尤為重要。這與計算機、工程、數(shù)學(xué)等數(shù)理科學(xué)密切相關(guān)。事實上，臨床醫(yī)學(xué)本身也是需要嚴(yán)密的邏輯思維，才能對疾病做出準(zhǔn)確的判斷、并提出可行的治療方案。因此，在教學(xué)過程中，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)密的數(shù)理邏輯思維，不僅有助于提高醫(yī)學(xué)專業(yè)的基礎(chǔ)技能，更對未來高科技技術(shù)在學(xué)科的應(yīng)用有著重要的作用。