智能機器人輔助技術(shù)在髖關(guān)節(jié)外科手術(shù)教學(xué)中的價值*

李 杰,徐 源,張 瑗

(陸軍軍醫(yī)大學(xué)第二附屬醫(yī)院骨科,重慶 400037)

住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)是我國醫(yī)學(xué)繼續(xù)教育的重要內(nèi)容,而手術(shù)技術(shù)的教學(xué)是外科專業(yè)的教學(xué)難點之一。人工智能技術(shù)的引入(例如虛擬現(xiàn)實)已被證實可為手術(shù)技術(shù)的教學(xué)提供新的思路。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)(THA)是關(guān)節(jié)外科的一項主流的手術(shù)技術(shù),其廣泛應(yīng)用于股骨頭缺血壞死等髖關(guān)節(jié)病變的治療中,是恢復(fù)患者髖關(guān)節(jié)功能的重要手術(shù)方式,被認為是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)史上最成功的手術(shù)之一[1]。對于年輕醫(yī)生而言,這個手術(shù)的教學(xué)瓶頸之處在于髖臼打磨技術(shù)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(shù)后脫位發(fā)生率和縮短假體使用壽命的重要原因[2]。THA在傳統(tǒng)教學(xué)模式中,教師常采用影像學(xué)資料結(jié)合PPT講授對學(xué)生進行教學(xué),學(xué)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(jié)合等問題。隨著創(chuàng)新型國家發(fā)展戰(zhàn)略的全面展開,以及大數(shù)據(jù)和5G時代的來臨,以及人工智能輔助技術(shù)在關(guān)節(jié)外科的滲透,傳統(tǒng)的教學(xué)培養(yǎng)模式已不能滿足新時代的教育要求,必須進行相應(yīng)的教學(xué)改革[3]。機器人輔助技術(shù)是現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)和人工智能技術(shù)的高度集成,已在THA和全膝關(guān)節(jié)表面置換術(shù)的精準實施中“嶄露頭角”,帶來了優(yōu)異的手術(shù)效果和全新的醫(yī)患體驗[4-7],而將其應(yīng)用于骨科手術(shù)臨床教學(xué)是否具有優(yōu)勢目前鮮見研究。本科在前期開展了大批量機器人輔助關(guān)節(jié)外科手術(shù)的基礎(chǔ)上,探討機器人輔助技術(shù)對THA臨床教學(xué)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(xué)習(xí)的住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)學(xué)員為研究對象。共納入2批32人,均為外科專業(yè)學(xué)員,每批16人,將其分別設(shè)為對照組與觀察組。2組學(xué)生性別、年齡、學(xué)習(xí)時間和THA助手經(jīng)驗等一般資料比較,差異均無統(tǒng)計學(xué)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(wèi)生健康委員會外科專業(yè)規(guī)范化培訓(xùn)的醫(yī)師,初次輪轉(zhuǎn)骨科者,THA助手經(jīng)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(xué)方法 購置標準化骨盆-股骨模型36例,將模型CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入機器人輔助系統(tǒng)重建三維數(shù)字化模型。教案設(shè)計:對照組采用正常的骨盆模型、X線片等影像學(xué)資料及幻燈片進行教學(xué),講解股骨頭壞死疾病的特點、治療方式、髖關(guān)節(jié)周圍解剖特點,術(shù)前規(guī)劃,人工全髖關(guān)節(jié)假體的特點和工具使用方法,髖臼側(cè)操作,股骨側(cè)操作,假體安裝方法等知識點。觀察組在對照組教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,增加機器人技術(shù)原理、機械臂輔助操作要點、人工智能術(shù)前計劃方案分析等內(nèi)容的學(xué)習(xí)。2組學(xué)員由同一位副主任醫(yī)師進行集中授課。授課結(jié)束后2組學(xué)員均在模型上進行操作練習(xí),對照組徒手進行操作工具練習(xí),觀察組可使用同一關(guān)節(jié)手術(shù)機器人系統(tǒng)完成手術(shù)練習(xí),通過基于下肢全長CT數(shù)據(jù)的三維空間模擬來強化學(xué)員對骨盆功能位、髖臼外展角、聯(lián)合前傾角、偏心距、雙下肢長度的理解。2組采用相同的教學(xué)時長,操作全程均由授課教員負責指導(dǎo)答疑。

1.4效果評價與分析 客觀考核內(nèi)容包括專業(yè)理論知識考核和技能操作考核,滿分各100分。技能考核內(nèi)容為標準模型的髖臼側(cè)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(tǒng)實時反饋數(shù)據(jù),學(xué)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(wěn)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(zhuǎn)中心數(shù)據(jù)通過機器人的探測功能獲取。

主觀評估方面通過問卷調(diào)查自我評分形式評估教學(xué)效果,評估內(nèi)容包括課程評價、教學(xué)評價、理解能力、掌握程度、學(xué)習(xí)效率、課程專注度、自學(xué)能力。

2 結(jié) 果

在課程設(shè)計主觀評價及教學(xué)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(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01),見表2。在教學(xué)效果的自我測評中,觀察組評分顯著高于對照組,差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01),見表3。對培訓(xùn)完成后的理論測試和髖臼側(cè)手術(shù)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(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01),見表4。

表2 2組課程設(shè)計及教學(xué)效果評價結(jié)果分)

表3 2組學(xué)習(xí)能力自我評價結(jié)果分)

表4 2組理論知識和手術(shù)操作考核成績比較分)

3 討 論

傳統(tǒng)人工THA主要依賴術(shù)中X線透視和手術(shù)醫(yī)師的經(jīng)驗,完成假體位置的正確安裝。但即便如此,也時不時會出現(xiàn)假體位置安放不良的情況,需要反復(fù)多次透視調(diào)整假體位置,增加了射線暴露、出血、感染甚至術(shù)后關(guān)節(jié)脫位等并發(fā)癥的發(fā)生[8-9]。因此,對于年輕骨科醫(yī)師特別是住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)學(xué)員,THA教學(xué)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(shù)技巧尤為重要。目前,THA的理論知識常通過X線、CT等影像學(xué)資料結(jié)合幻燈片等進行教學(xué),教學(xué)模式單一,學(xué)生參與度不高、被動接受知識,教學(xué)效果有限。而THA的操作訓(xùn)練因原材料等原因還無法大規(guī)模開展,學(xué)生的理論知識無法與實踐相結(jié)合,也限制了教學(xué)效果的提高。數(shù)字化、虛擬化、智能化是未來骨科發(fā)展的重要方向之一,對于在數(shù)字技術(shù)時代中成長起來的年輕一代醫(yī)生,更容易接受數(shù)字化的骨科教學(xué)手段。目前,已有將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和3D打印等現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)引入骨科手術(shù)教學(xué)中[10-12]。通過先進的數(shù)字教學(xué)技術(shù)的引入,激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,顯著提升了教學(xué)效果。而本研究中將機器人輔助技術(shù)引入THA的手術(shù)教學(xué)中,取得了良好的效果。

機器人輔助技術(shù)是一系列數(shù)字技術(shù)和智能技術(shù)的集成,其包含了人工智能輔助術(shù)前規(guī)劃技術(shù)、術(shù)中實時定位導(dǎo)航技術(shù)、機械臂人機交互技術(shù)、圖像分割技術(shù)和安全邊界算法等。這樣的技術(shù)集成有利于術(shù)者直觀地獲得術(shù)區(qū)實時狀態(tài),精準把握假體安放的位置。將機器人輔助技術(shù)用于THA的教學(xué)有以下幾方面的優(yōu)勢:(1)直觀的數(shù)字化術(shù)前規(guī)劃過程,便于學(xué)員掌握假體安裝的關(guān)鍵要點。應(yīng)用機器人輔助技術(shù)進行術(shù)前規(guī)劃設(shè)計可根據(jù)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(diào)試,學(xué)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(guān)系,通過不斷地調(diào)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(shù)據(jù),便于學(xué)員判斷。通過這一階段的訓(xùn)練,可以使學(xué)員構(gòu)建起直觀的假體與人體解剖位置關(guān)系,熟練掌握正確的假體安放位置。(2)術(shù)中實時定位,便于判斷學(xué)生操作的準確性。本次的學(xué)習(xí)考核設(shè)置了髖臼磨銼和置杯操作考核內(nèi)容。對照組徒手完成操作,觀察組操作機械臂完成考核內(nèi)容,觀察組操作時屏蔽屏幕實時反饋數(shù)據(jù),學(xué)員自行判斷操作終點。2組學(xué)員均使用的是經(jīng)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(shù)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(shù)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(shù)據(jù),可以對結(jié)果進行客觀和快速地判讀。其他教學(xué)方法因為缺乏客觀的評價標準往往很難設(shè)置合理的操作考核來評估學(xué)員對于該手術(shù)技術(shù)的掌握情況,使用機器人輔助技術(shù)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(xué),全面細致地模擬了模型的解剖結(jié)構(gòu),詳細地展示了術(shù)前規(guī)劃過程,學(xué)生通過自己動手實踐操作,提升了學(xué)生的空間想象能力和理解能力[14]。本研究結(jié)果顯示,使用機器人輔助教學(xué)的學(xué)生專業(yè)理論考核成績高于傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)生,驗證了機器人輔助教學(xué)是一種很好的教學(xué)工具。本研究中,學(xué)生通過機器人輔助教學(xué)的操作輔助模式,在骨盆模型上進行了操作練習(xí),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(shù)步驟,鍛煉了臨床實際操作能力,使理論與實踐相結(jié)合,進一步加深了對教學(xué)內(nèi)容的理解。本研究結(jié)果顯示,使用機器人輔助技術(shù)訓(xùn)練的學(xué)員,髖臼操作和置杯的臨床技能實踐考核成績高于傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)員,表明機器人輔助技術(shù)用于實踐操作教學(xué)中的優(yōu)越性。本研究結(jié)果顯示,使用機器人輔助教學(xué)的學(xué)員主觀問卷調(diào)查綜合能力自我評價得分高于對照組,對教學(xué)模式的滿意度也更高。進一步表明機器人輔助技術(shù)用于臨床教學(xué)具有良好的教學(xué)效果和教學(xué)滿意度。

綜上所述,將機器人輔助技術(shù)用于THA臨床教學(xué),具有高等效性、零風險、實時交互和動態(tài)反饋等優(yōu)點,彌補了傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足,可顯著提高學(xué)生的理解能力、課程參與度、學(xué)習(xí)效率、自學(xué)能力等綜合能力,具有更好的教學(xué)效果和滿意度。機器人輔助技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用可以增加學(xué)生學(xué)習(xí)的體驗感,但是也會增加學(xué)生在今后實際臨床工作中的依賴感,需要學(xué)生在后續(xù)的臨床實踐中反復(fù)練習(xí)。隨著關(guān)節(jié)機器人國產(chǎn)化進程的加速,相信會有越來越多的學(xué)生可以享受到該技術(shù)用于教學(xué)所帶來的新奇感受。