機器人輔助技術在骨科教學中的應用

干旻峰 周峰 楊惠林

機器人輔助技術在骨科教學中的應用

干旻峰 周峰 楊惠林

探討機器人輔助技術對于骨科教學的作用，將機器人技術作為醫學教學改革的一種新的嘗試和創新，采用機器人輔助技術來模擬、完成椎弓根螺釘置釘，使學習者縮短學習周期，迅速掌握椎弓根螺釘置釘。

機器人；骨科學；教學

傳統的醫學教學包括板書、掛圖等，隨著科技的發展特別是計算機技術的發展，教學方式方法有了很大的進步，比如Flash的應用、虛擬現實技術的應用等。但骨科教學比較復雜，特別是骨科手術方法的教學尤為復雜，學生掌握如何手術的學習曲線長，影響了學生的培養，阻礙了學生的成長。機器人技術已經廣泛應用于普外科、泌尿外科、骨科等領域[1-3］，在骨科理論課教學環節中機器人輔助技術可以為學生提供形象的學習工具，有利于學生直觀的掌握椎弓根螺釘置釘等，縮短學習周期，有利于培養學生的手術技能。在本文中作者探討了機器人輔助椎弓根螺釘置釘在骨科教學中的優勢和應用。

1 機器人技術在骨科教學中的優勢

骨科學習中，解剖、治療等都需要學生有立體概念，而立體概念的建立對于一個骨科研究生、規培生來說是比較困難的。因此，如何采用簡單的方法為學生講解復雜的解剖是十分必要的，且隨著現代科技的發展特別是導航技術、機器人技術的發展，學生對于骨科疾病診治的認識有了更好的提高，縮短了學習周期，有利于學生的培養。我科從2014年12月起，采用Renaissance機器人輔助行脊柱外科手術并將其應用于學生的教學。Renaissance機器人目前廣泛應用于脊柱外科領域的手術[4-5］，主要用于輔助椎弓根螺釘置釘，而徒手椎弓根螺釘置釘有一定的并發癥[6］且學習周期長、學生不容易掌握。在教學過程中機器人輔助技術可以清楚地顯示人體椎弓根的空間結構、毗鄰關系，方位感及層次感強，降低了學習的難度，提高了學習效率。讓學生有機會在計算機上行模擬手術，學生可以從不同的角度、不同的層次去觀察椎弓根及椎弓根螺釘置釘，縮短了學習周期，可減少因椎弓根螺釘置釘所致的并發癥。將難以想象的空間結構、難以理解的毗鄰關系及復雜的手術過程簡單化。這種教學方法充分使讓“以教師為中心”的教學方法轉變成“以學生為中心”。

2 機器人技術在骨科教學中的應用

在教學中，我們教授學生采用機器人技術進行術前準備、手術規劃、置釘準確性檢驗等，調動學生的主觀能動性，使學生迅速、直觀掌握椎弓根螺釘置釘方法。學生具體參與過程如下[7］：（1）術前準備：術前常規行病變節段為中心的薄層CT數據（層厚小于1 mm，DICOM格式），將CT數據導入工作站或筆記本電腦。采用Renaissance機器人手術規劃軟件進行術前規劃：CT數據導入軟件，系統自動生成病變節段正側位，首先確定手術區域；其次確認每個椎弓根螺釘進針點，確定水平位、矢狀位、冠狀位進針角度，明確所選用椎弓根螺釘的長度、直徑等；再次演示在橫斷位、矢狀位、冠狀位三個平面椎弓根螺釘在椎弓根內的位置；最后瀏覽、演示椎弓根置釘計劃。（2）手術過程：患者全麻成功后，俯臥于手術臺上。將機器人工作站、C形X線機之間用數據線連接，并將金屬標記盤安裝于C形X線機的影像接收器上。透視后機器人軟件分析確認患者體位、方向。開放手術病例確認手術椎體節段后行切開暴露，將“clamp”夾持于棘突上后將金屬標記固定于“clamp”。透視正位及60°斜位，將所得正、斜位影像數據與術前CT數據進行配準、注冊并根據情況適當微調螺釘的進針點、進針角度。注冊成功后，將“橋”固定于“clamp”，并將“橋”近端用克氏針固定于棘突，以確保“橋”穩定以利于機器人安放。經皮置釘患者采用固定針將“橋”固定在髂后上棘及棘突，安裝金屬標記透視正位、60°斜位片，將采集的數據與術前CT數據進行配準、注冊并微調螺釘的進針點、進針角度。注冊成功后將機器人安裝于“橋”上。由工作站發出指令后機器人會自行運行至指定軌跡，安裝指定的機械臂，順機械臂孔安放通道，術者順通道鉆孔、置入導針、絲攻后置入椎弓根螺釘。（3）術后評估：術后患者均行CT檢查，采用Gertzbein和Robbins標準[8］CT定量分析椎弓根螺釘的位置，具體如下：A級：椎弓根螺釘在椎弓根內；B級：椎弓根螺釘穿破椎弓根皮質小于2 mm；C級：椎弓根螺釘穿破椎弓根皮質大于2 mm，小于4 mm；D級：椎弓根螺釘穿破椎弓根皮質大于4 mm小于6mm；E級：椎弓根螺釘穿破椎弓根皮質大于6 mm 甚至更多。A級、B級對神經功能無影響，對穩定性也無影響，被認為是正確置釘。采用機器人輔助教學，學生不僅能對復雜的解剖結構有清晰的認識，也對手術方法的掌握提供了相對的捷徑，縮短了學習周期，提高了效率。青年學生對計算機、機器人等新鮮事物抱有新鮮感，有利于學生興趣的培養，有益于優秀青年醫師的培養。

3 討論

機器人輔助技術解決了骨科學教學中椎弓根結構復雜、椎弓根螺釘置釘難度大、學習曲線長的困難。骨科教學中，機器人技術比較高大上，對學生有較強的吸引力和感染力，極大地調動了學生求學和求知的欲望。激發學生的學習積極性、創造性、主動性，加深學生對抽象知識的理解，促進學生手術技能的提高。機器人輔助技術的最大優點就是智能化，學生需在模型及標本上反復訓練的椎弓根螺釘置釘可以通過機器人輔助技術的相關軟件在電腦上模擬實施，簡化了手術過程，手術過程直觀化，學生在虛擬現實中探求、理解教學內容，從而潛移默化中達到培養學生創新素質、能力的目的。另外，學生特別是青年醫師普遍對機器人技術抱有很大的興趣，提高了課堂、臨床工作參與互動性。椎弓根螺釘徒手置釘，因為椎弓根周圍解剖結構復雜，稍有不慎可能引起災難性的并發癥如癱瘓等。機器人技術應用于骨科學教學系統后，可以確保學生對椎弓根的立體概念的建立，提高椎弓根安全置釘，縮短學習曲線[9］，促進骨科教學模式、理念的進一步變化，此必將成為整個教學改革的一個重要趨勢。

但是，機器人輔助脊柱手術教學普遍實施也存在困難。主要是Renaissance機器人系統價格昂貴，并不是所有醫院能承受而廣泛用于臨床、教學。另外，機器人系統存在不穩定也可能對臨床及教學工作帶來不便。

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Application of Robot Assisted Technology in the O rthopaedic Teaching

GAN Minfeng ZHOU Feng YANG Huilin Orthopaedic Department of The First Affiliated Hospital of Soochow University， Suzhou Jiangsu 215031，China

To discuss the effect of robot assisted techniques for orthopaedic teaching. It’s a new attempt and innovation that introduce robot technology into medical education reform. The robot assisted techniques can help to simulate，complete the placement of pedicle screws. And it enables learners to shorten the learning cycle， and quickly grasp the placement of pedicle screws.

Robot， Orthopaedics， Teaching

G434

A

1674-9308（2016）26-0020-02

10.3969/j.issn.1674-9308.2016.26.011

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2015AA043201）

基金項目：江蘇省臨床醫學研究中心基金（BL2012004）

蘇州大學附屬第一醫院骨科，江蘇 蘇州 215031