巡回護士掌握天璣機器人輔助脊柱手術設備操作技能的學習曲線

姚軼超，張 麒，滕海茂

保定市第一中心醫院，河北 071000

人工智能化技術目前廣泛應用于醫療行業領域[1-2]。外科機器人手術的開展符合手術微創化、精準化的發展方向[3]。天璣骨科機器人輔助系統（以下簡稱機器人）是我國天智航公司自主研發的一款骨科機器人，可應用于脊柱、四肢、骨盆等部位手術，具有降低術中輻射量、定位準確、切口微創等特點[4-5]。機器人手術的開展對手術室護士提出了更高的配合要求。在機器人輔助脊柱手術中，設備準備及導線連接、圖像的采集及傳輸、在手術醫生的指揮下進行手術置釘的規劃操作以及執行機器人機械臂運動等工作往往由巡回護士完成，因此，巡回護士對機器人設備操作技能的熟練程度對該類手術的順利進行有較大的影響。機器人設備操作技能的學習是一個逐步摸索、改進、提高、熟練、穩定的學習過程[6]，使用累計和分析法（cumulative sum analysis,CUSUM）可以量化學習過程，精準確認跨越學習曲線的水平[7-8]。本研究應用CUSUM 法繪制巡回護士掌握機器人輔助脊柱手術設備操作技能的學習曲線，探討巡回護士掌握機器人設備操作技能需要的最少操作例數，為今后制定手術室護士配合骨科機器人手術資格準入和技能培訓提供參考依據。

1 對象與方法

1.1 研究對象

于2022 年4 月—6 月選取9 名手術室護士為研究對象。納入標準：本科及以上學歷；護師及以上職稱；參加手術室工作≥5 年；接受天璣骨科機器人廠家培訓，通過科室理論考核；同意參加本研究。

1.2 研究方法

科室成立項目考評小組，小組成員包括2 名熟練掌握機器人操作的專業組護士和1 名副高級職稱骨科醫生?？荚u小組成員設定各階段所完成工作的質量評價標準并且告知研究對象（見表1）。骨科醫生負責指導研究對象完成相應椎體的手術規劃。研究對象在手術室機器人手術間使用相關設備及可透視脊柱模具按照項目要求進行模擬操作。研究共進行8 周，每周抽取1 d 開展2 次項目試驗。每次試驗中每名成員依抽簽順序按照全部操作程序獨立完成2 次機器人設備操作。每名研究對象在項目結束時，共進行16 次獨立操作?？荚u小組成員使用秒表記錄每名研究對象每階段操作所耗費的時間。

表1 天璣機器人輔助脊柱手術巡回護士設備操作考核表

1.3 累積和評價指標的設立和量化

在累積和分析中，學習曲線的計算公式為δ=Xi-X0。δ為評價指標的量化值，X0為評價指標所設目標值的失敗率，Xi為研究對象每次操作是否達到目標值的情況，當達到目標值時Xi=0，當未達到目標值時Xi=1。目標值及其失敗率的設定有以下幾種方法：1）國內外文獻報道；2）相關專科領域專家的統一意見；3）基底數據或者技能熟練掌握者的平均水平[9]。經查閱文獻及廠家培訓資料，未發現各項操作的標準完成時間，因此本研究采用本科室技能熟練者的平均水平為基線。根據天璣骨科機器人輔助脊柱手術的手術步驟，將巡回護士操作骨科機器人的工作內容分為4 個階段。1）第1 階段為設備準備及導線連接用時（δ1）：指巡回護士將骨科機器人術中所使用的C 型臂透視機、光學追蹤系統、主控臺車、機器人機械臂依據相應規定完成連接并按照正確的順序開啟各設備電源，然后將相應設備推入指定預設位置所耗費的時間。經過對操作熟練者平均操作時間及失敗率的測量，本階段操作目標時間3 min，失敗率為5%。2）第2 階段為圖像采集及傳輸用時（δ2）：指在主控臺車完成病人注冊及示蹤器選擇，使用C 型臂機3D 模式完成脊柱模具環形掃描，并將采集圖像傳輸至主控臺車所耗費的時間。目標時間3 min，失敗率10%。3）第3 階段為手術置釘規劃用時（δ3）：指在骨科醫生指導下完成腰1～腰5 腰椎螺釘的規劃所耗費的時間。目標時間5 min，失敗率為10%。4）第4 階段為機器人運行耗時（δ4）：指依據規劃方案運行機器人機械臂依次移動至指定位置（若運行過程中光學導航相機無法跟蹤機械臂示蹤器，應及時調整光學導航相機位置），撤離機械臂，完成折疊歸位所耗費的時間。目標時間3 min，失敗率為5%。每名研究對象每次操作的量化值為4 個階段得分的總和，即Σ=δ1＋δ2＋δ3＋δ4。累積和的計算為

1.4 學習曲線的繪制

應用SPSS 20.0 統計軟件進行數據分析，分別刻畫個體學習曲線、總體學習曲線、總體各階段學習曲線。制作散點圖，橫坐標（X 軸）代表操作例數，縱坐標（Y 軸）為累計和值Si。使用曲線擬合方法描述X 軸與Y 軸的曲線函數關系，由曲線擬合決定系數（R2）評價曲線擬合效果。根據曲線函數計算學習曲線斜率K，K=0時所對應的X值即為曲線峰值。曲線峰值后第1 個X值為研究對象掌握該技能需要的最少操作例數。

2 結果

2.1 個體學習曲線

當學習曲線K值=0 時，曲線峰值后第1 個X值即為該研究對象掌握該技能的最少操作例數。9 名研究對象個體學習曲線圖斜率K值降低時對應的手術例數見表2。

表2 研究對象基本資料及學習曲線K 值降低時對應的手術例數

2.2 總體學習曲線

X 軸為總體學習曲線操作次數，Y 軸為所有研究對象每次操作的累積和值?？傮w學習曲線擬合函數公式 為Y=0.048X3+1.681X2+16.684X+20.670，R2=0.932 6，曲線擬合良好。計算該曲線斜率值得出，第7次操作時， 曲線斜率K=0。因此，8 例操作為研究對象掌握機器人設備操作技能的最低操作例數。見圖1。

圖1 研究對象總體操作技能

2.3 總體各階段學習曲線

分別繪制總體各階段學習曲線圖。X 軸為各階段學習曲線操作次數，Y 軸為所有研究對象每階段操作的累積和值?？傮w各階段學習曲線擬合函數見圖2～圖5。由擬合函數計算曲線斜率值可知，在4 個階段操作過程中，斜率開始下降的例數分別為第5 例、第8 例、第11 例、第3 例。

圖2 研究對象第1 階段學習曲線

圖3 研究對象第2 階段學習曲線

圖4 研究對象第3 階段學習曲線

圖5 研究對象第4 階段學習曲線

3 討論

學習過程是一種經過多次反復的練習而改變行為的過程，任何一種重復性手工操作都存在學習的現象[10-11]。學習是有規律可循的，有學者將操作時間隨著經驗的增加而減少的規律稱為“學習曲線”[12]。累積和分析法是由劍橋大學Page 教授于1954 年首先提出，是質量管理體系認證（ISO）推薦的數理統計方法之一，目前廣泛應用于臨床操作技能和外科手術學習曲線的研究中[13-14]。累積和控制圖能夠將學習過程中的波動累加起來以達到放大的效果，能夠及時檢測出發生異常的數據點。外科機器人作為一種現代化醫療設備的引入，對手術室護士提出了更高的要求，相比于傳統的護理技能操作，如何更好地通過操作機器人設備從而達到精準配合外科手術是手術室人員需要思考的問題。天璣骨科機器人系統使用設備多，操作復雜，且大部分操作過程都需要巡回護士在醫生的指導下完成。因此，對設備的熟悉程度和操作的熟練程度將極大地影響手術進程。巡回護士在進行機器人操作時會經歷探索、提高、熟練、穩定等過程。本研究中將機器人整個手術流程的巡回護士操作過程進行梳理，最終劃分為設備準備及導線連接階段、圖像采集及傳輸階段、手術置釘規劃階段、機器人運行階段4 個階段。

通過對9 名研究對象個體學習曲線研究發現，個體之間熟練掌握相應操作技能所需要的最少操作例數差異較大。研究對象1 學習曲線K值開始降低時的例數為第11 例，而研究對象7 學習曲線K值開始降低時的例數為第3 例。同時發現，女性護理人員相較于男性護理人員，需要更多的操作例數來掌握該項操作技能。通過對每個個體學習曲線的研究發現，在第2 階段與第3 階段，即圖像采集及傳輸階段與手術置釘規劃階段，是男性護理人員與女性護理人員產生差異的主要階段。這可能有以下幾個原因：1）女性較男性力氣小，在操作C 型臂等大型設備時較費時；2）男性較女性對于機器人設備的理解、操作等方面有更好的敏銳性；3）男性護理人員往往配合骨科手術較多，對于解剖及手術的掌握程度可能優于女性護理人員，因此在主控臺車上進行手術規劃時，在脊柱三維圖像矢狀面與橫切面的平面選擇以及螺釘規劃階段耗時更少。

通過對總體學習曲線的研究發現，在總體研究對象進行第8 例操作時，學習曲線K值開始呈下降趨勢，曲線開始呈現平緩狀態，學習過程進入穩定期，說明總體研究對象已經跨越學習曲線，進入相對熟練的階段。對于各個階段的學習曲線研究發現，4 個階段的K值出現拐點的例數分別為第5 例、第8 例、第11 例、第3例，說明在4 個階段的學習過程中，圖像采集及傳輸階段與手術置釘規劃階段是較難掌握的部分。通過與研究對象的交流發現，這兩個階段的難點在于：1）在使用C 型臂透視機進行脊柱模型正、側位圖像的采集過程中，需要反復調整C 型臂透視機、脊柱模型、機械臂定位標尺的位置關系，難以一次成功；2）在主控臺車接收到的三維圖像上規劃螺釘時，無法快速、準確地調整到適合進行螺釘規劃的矢狀面與橫切面；3）規劃螺釘時，對于矢狀面螺釘進釘的高度及橫切面螺釘進釘的角度需要反復調整。提示手術室管理者及機器人廠家培訓人員，在今后的培訓中，可結合圖片、視頻、反復模擬操作等方式對上述部分進行重點講解，有的放矢地開展相關培訓，以縮短手術室護理人員的學習時間[15]。

4 小結

綜上所述，手術室巡回護士掌握天璣骨科機器人輔助脊柱手術操作技能的最少操作例數為8 例。其中，機器人手術的圖像采集及傳輸部分與手術置釘規劃部分是巡回護士較難掌握的部分，在今后的培訓過程中應引起相關人士的重視。本研究的不足之處在于，受病人數量的限制，本項目是基于脊柱模具模擬手術條件下的研究。雖然與實際的手術過程有一定的出入，但巡回護士對于機器人設備的操作步驟是高度一致的。在實際的手術過程中，由于病人脊柱本身的變異性及周圍機體組織的影響，C 型臂透視機采集到的脊柱三維圖像質量可能比模擬條件下采集到的圖像質量更差，因此，圖像的辨識難度和螺釘的規劃難度更高。但是總體來講，通過模擬條件下的集中操作學習從而縮短操作間隔時間，能夠幫助學習者更好地理解、記憶與熟悉機器人操作流程，對掌握相關技能起到積極的作用[16]。