智能機器人輔助技術在髖關節外科手術教學中的價值*

李 杰,徐 源,張 瑗

(陸軍軍醫大學第二附屬醫院骨科,重慶 400037)

住院醫師規范化培訓是我國醫學繼續教育的重要內容,而手術技術的教學是外科專業的教學難點之一。人工智能技術的引入(例如虛擬現實)已被證實可為手術技術的教學提供新的思路。全髖關節置換術(THA)是關節外科的一項主流的手術技術,其廣泛應用于股骨頭缺血壞死等髖關節病變的治療中,是恢復患者髖關節功能的重要手術方式,被認為是現代醫學史上最成功的手術之一[1]。對于年輕醫生而言,這個手術的教學瓶頸之處在于髖臼打磨技術的掌握和假體位置正確安放,不良的假體位置安放是增加術后脫位發生率和縮短假體使用壽命的重要原因[2]。THA在傳統教學模式中,教師常采用影像學資料結合PPT講授對學生進行教學,學生存在課程主動參與度不高,被動接受知識、空間想象力不足、理論無法與實踐相結合等問題。隨著創新型國家發展戰略的全面展開,以及大數據和5G時代的來臨,以及人工智能輔助技術在關節外科的滲透,傳統的教學培養模式已不能滿足新時代的教育要求,必須進行相應的教學改革[3]。機器人輔助技術是現代數字技術和人工智能技術的高度集成,已在THA和全膝關節表面置換術的精準實施中“嶄露頭角”,帶來了優異的手術效果和全新的醫患體驗[4-7],而將其應用于骨科手術臨床教學是否具有優勢目前鮮見研究。本科在前期開展了大批量機器人輔助關節外科手術的基礎上,探討機器人輔助技術對THA臨床教學效果的影響。

1 對象與方法

1.1對象 選取2022年4—9月在本科學習的住院醫師規范化培訓學員為研究對象。共納入2批32人,均為外科專業學員,每批16人,將其分別設為對照組與觀察組。2組學生性別、年齡、學習時間和THA助手經驗等一般資料比較,差異均無統計學意義(P>0.05),見表1。

表1 2組一般資料比較

1.2納入與排除標準 納入標準:參加重慶市衛生健康委員會外科專業規范化培訓的醫師,初次輪轉骨科者,THA助手經驗大于10臺。排除標準:拒絕參加本次研究者;存在嚴重溝通障礙者;無法全程參加本研究者。

1.3教學方法 購置標準化骨盆-股骨模型36例,將模型CT數據導入機器人輔助系統重建三維數字化模型。教案設計:對照組采用正常的骨盆模型、X線片等影像學資料及幻燈片進行教學,講解股骨頭壞死疾病的特點、治療方式、髖關節周圍解剖特點,術前規劃,人工全髖關節假體的特點和工具使用方法,髖臼側操作,股骨側操作,假體安裝方法等知識點。觀察組在對照組教學內容的基礎上,增加機器人技術原理、機械臂輔助操作要點、人工智能術前計劃方案分析等內容的學習。2組學員由同一位副主任醫師進行集中授課。授課結束后2組學員均在模型上進行操作練習,對照組徒手進行操作工具練習,觀察組可使用同一關節手術機器人系統完成手術練習,通過基于下肢全長CT數據的三維空間模擬來強化學員對骨盆功能位、髖臼外展角、聯合前傾角、偏心距、雙下肢長度的理解。2組采用相同的教學時長,操作全程均由授課教員負責指導答疑。

1.4效果評價與分析 客觀考核內容包括專業理論知識考核和技能操作考核,滿分各100分。技能考核內容為標準模型的髖臼側準備與假體安裝。對照組徒手完成操作,觀察組操作機械臂完成操作,操作過程中屏蔽系統實時反饋數據,學員自行判斷操作終點,記錄操作完成時間、操作熟練程度、假體安放位置評分和臼杯穩定性評分。在臼杯安裝完成后,臼杯前傾角度、外展角度和旋轉中心數據通過機器人的探測功能獲取。

主觀評估方面通過問卷調查自我評分形式評估教學效果,評估內容包括課程評價、教學評價、理解能力、掌握程度、學習效率、課程專注度、自學能力。

2 結 果

在課程設計主觀評價及教學效果主觀評價比較中,觀察組評分顯著高于對照組,差異有統計學意義(P<0.01),見表2。在教學效果的自我測評中,觀察組評分顯著高于對照組,差異有統計學意義(P<0.01),見表3。對培訓完成后的理論測試和髖臼側手術操作測試成績比較中,觀察組成績顯著高于對照組,差異有統計學意義(P<0.01),見表4。

表2 2組課程設計及教學效果評價結果分)

表3 2組學習能力自我評價結果分)

表4 2組理論知識和手術操作考核成績比較分)

3 討 論

傳統人工THA主要依賴術中X線透視和手術醫師的經驗,完成假體位置的正確安裝。但即便如此,也時不時會出現假體位置安放不良的情況,需要反復多次透視調整假體位置,增加了射線暴露、出血、感染甚至術后關節脫位等并發癥的發生[8-9]。因此,對于年輕骨科醫師特別是住院醫師規范化培訓學員,THA教學的難點在于假體安裝位置的判斷,熟練掌握THA的理論知識和手術技巧尤為重要。目前,THA的理論知識常通過X線、CT等影像學資料結合幻燈片等進行教學,教學模式單一,學生參與度不高、被動接受知識,教學效果有限。而THA的操作訓練因原材料等原因還無法大規模開展,學生的理論知識無法與實踐相結合,也限制了教學效果的提高。數字化、虛擬化、智能化是未來骨科發展的重要方向之一,對于在數字技術時代中成長起來的年輕一代醫生,更容易接受數字化的骨科教學手段。目前,已有將虛擬現實技術和3D打印等現代數字技術引入骨科手術教學中[10-12]。通過先進的數字教學技術的引入,激發了學生的學習興趣,顯著提升了教學效果。而本研究中將機器人輔助技術引入THA的手術教學中,取得了良好的效果。

機器人輔助技術是一系列數字技術和智能技術的集成,其包含了人工智能輔助術前規劃技術、術中實時定位導航技術、機械臂人機交互技術、圖像分割技術和安全邊界算法等。這樣的技術集成有利于術者直觀地獲得術區實時狀態,精準把握假體安放的位置。將機器人輔助技術用于THA的教學有以下幾方面的優勢:(1)直觀的數字化術前規劃過程,便于學員掌握假體安裝的關鍵要點。應用機器人輔助技術進行術前規劃設計可根據患者的解剖特點使用不同型號的髖臼假體和股骨假體進行安裝調試,學員可以實時查看不同假體型號和不同位置的安裝效果,機器人能夠顯示各個層面上假體與髖臼和股骨近端的位置關系,通過不斷地調整找出最適合的假體型號和方位,機器人的人工智能輔助模塊也會模擬此時假體安裝之后的具體外展角度、前傾角度和偏心距等數據,便于學員判斷。通過這一階段的訓練,可以使學員構建起直觀的假體與人體解剖位置關系,熟練掌握正確的假體安放位置。(2)術中實時定位,便于判斷學生操作的準確性。本次的學習考核設置了髖臼磨銼和置杯操作考核內容。對照組徒手完成操作,觀察組操作機械臂完成考核內容,觀察組操作時屏蔽屏幕實時反饋數據,學員自行判斷操作終點。2組學員均使用的是經過機器人標定完成后的骨盆模型,考官通過機器人輔助技術在操作完成后評價臼杯安放位置情況。我們避免了使用X光透視來評估髖臼位置,由于機器人輔助技術具有假體位置的量化判斷功能,在臼杯打入后通過機器人輔助定位模塊就可以獲得即刻的臼杯角度、深度等數據,可以對結果進行客觀和快速地判讀。其他教學方法因為缺乏客觀的評價標準往往很難設置合理的操作考核來評估學員對于該手術技術的掌握情況,使用機器人輔助技術則可以形成有效的操作反饋體系[13]。

本研究中使用機器人輔助教學,全面細致地模擬了模型的解剖結構,詳細地展示了術前規劃過程,學生通過自己動手實踐操作,提升了學生的空間想象能力和理解能力[14]。本研究結果顯示,使用機器人輔助教學的學生專業理論考核成績高于傳統教學模式的學生,驗證了機器人輔助教學是一種很好的教學工具。本研究中,學生通過機器人輔助教學的操作輔助模式,在骨盆模型上進行了操作練習,并獲得了機器人實時反饋的操作評價,更加直觀地體驗了手術步驟,鍛煉了臨床實際操作能力,使理論與實踐相結合,進一步加深了對教學內容的理解。本研究結果顯示,使用機器人輔助技術訓練的學員,髖臼操作和置杯的臨床技能實踐考核成績高于傳統教學模式的學員,表明機器人輔助技術用于實踐操作教學中的優越性。本研究結果顯示,使用機器人輔助教學的學員主觀問卷調查綜合能力自我評價得分高于對照組,對教學模式的滿意度也更高。進一步表明機器人輔助技術用于臨床教學具有良好的教學效果和教學滿意度。

綜上所述,將機器人輔助技術用于THA臨床教學,具有高等效性、零風險、實時交互和動態反饋等優點,彌補了傳統教學模式的不足,可顯著提高學生的理解能力、課程參與度、學習效率、自學能力等綜合能力,具有更好的教學效果和滿意度。機器人輔助技術在教學中的應用可以增加學生學習的體驗感,但是也會增加學生在今后實際臨床工作中的依賴感,需要學生在后續的臨床實踐中反復練習。隨著關節機器人國產化進程的加速,相信會有越來越多的學生可以享受到該技術用于教學所帶來的新奇感受。