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(guó)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(zhuān)業(yè)的教學(xué)難點(diǎn)之一。人工智能技術(shù)的引入(例如虛擬現(xiàn)實(shí))已被證實(shí)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(xiàng)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(rèn)為是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)史上最成功的手術(shù)之一[1]。對(duì)于年輕醫(yī)生而言,這個(gè)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(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué),學(xué)生存在課程主動(dòng)參與度不高,被動(dòng)接受知識(shí)、空間想象力不足、理論無(wú)法與實(shí)踐相結(jié)合等問(wèn)題。隨著創(chuàng)新型國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的全面展開(kāi),以及大數(shù)據(jù)和5G時(shí)代的來(lái)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(mǎn)足新時(shí)代的教育要求,必須進(jìn)行相應(yīng)的教學(xué)改革[3]。機(jī)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(zhǔn)實(shí)施中“嶄露頭角”,帶來(lái)了優(yōu)異的手術(shù)效果和全新的醫(yī)患體驗(yàn)[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(shì)目前鮮見(jiàn)研究。本科在前期開(kāi)展了大批量機(jī)器人輔助關(guān)節(jié)外科手術(shù)的基礎(chǔ)上,探討機(jī)器人輔助技術(shù)對(duì)THA臨床教學(xué)效果的影響。

1 對(duì)象與方法

1.1對(duì)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(duì)象。共納入2批32人,均為外科專(zhuān)業(yè)學(xué)員,每批16人,將其分別設(shè)為對(duì)照組與觀(guān)察組。2組學(xué)生性別、年齡、學(xué)習(xí)時(shí)間和THA助手經(jīng)驗(yàn)等一般資料比較,差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),見(jiàn)表1。

表1 2組一般資料比較

1.2納入與排除標(biāo)準(zhǔn) 納入標(biāo)準(zhǔn):參加重慶市衛(wèi)生健康委員會(huì)外科專(zhuān)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(yàn)大于10臺(tái)。排除標(biāo)準(zhǔn):拒絕參加本次研究者;存在嚴(yán)重溝通障礙者;無(wú)法全程參加本研究者。

1.3教學(xué)方法 購(gòu)置標(biāo)準(zhǔn)化骨盆-股骨模型36例,將模型CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入機(jī)器人輔助系統(tǒng)重建三維數(shù)字化模型。教案設(shè)計(jì):對(duì)照組采用正常的骨盆模型、X線(xiàn)片等影像學(xué)資料及幻燈片進(jìn)行教學(xué),講解股骨頭壞死疾病的特點(diǎn)、治療方式、髖關(guān)節(jié)周?chē)馄侍攸c(diǎn),術(shù)前規(guī)劃,人工全髖關(guān)節(jié)假體的特點(diǎn)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(shí)點(diǎn)。觀(guān)察組在對(duì)照組教學(xué)內(nèi)容的基礎(chǔ)上,增加機(jī)器人技術(shù)原理、機(jī)械臂輔助操作要點(diǎn)、人工智能術(shù)前計(jì)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(jìn)行集中授課。授課結(jié)束后2組學(xué)員均在模型上進(jìn)行操作練習(xí),對(duì)照組徒手進(jìn)行操作工具練習(xí),觀(guān)察組可使用同一關(guān)節(jié)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)完成手術(shù)練習(xí),通過(guò)基于下肢全長(zhǎng)CT數(shù)據(jù)的三維空間模擬來(lái)強(qiáng)化學(xué)員對(duì)骨盆功能位、髖臼外展角、聯(lián)合前傾角、偏心距、雙下肢長(zhǎng)度的理解。2組采用相同的教學(xué)時(shí)長(zhǎng),操作全程均由授課教員負(fù)責(zé)指導(dǎo)答疑。

1.4效果評(píng)價(jià)與分析 客觀(guān)考核內(nèi)容包括專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)考核和技能操作考核,滿(mǎn)分各100分。技能考核內(nèi)容為標(biāo)準(zhǔn)模型的髖臼側(cè)準(zhǔn)備與假體安裝。對(duì)照組徒手完成操作,觀(guān)察組操作機(jī)械臂完成操作,操作過(guò)程中屏蔽系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù),學(xué)員自行判斷操作終點(diǎn),記錄操作完成時(shí)間、操作熟練程度、假體安放位置評(píng)分和臼杯穩(wěn)定性評(píng)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(guò)機(jī)器人的探測(cè)功能獲取。

主觀(guān)評(píng)估方面通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查自我評(píng)分形式評(píng)估教學(xué)效果,評(píng)估內(nèi)容包括課程評(píng)價(jià)、教學(xué)評(píng)價(jià)、理解能力、掌握程度、學(xué)習(xí)效率、課程專(zhuān)注度、自學(xué)能力。

2 結(jié) 果

在課程設(shè)計(jì)主觀(guān)評(píng)價(jià)及教學(xué)效果主觀(guān)評(píng)價(jià)比較中,觀(guān)察組評(píng)分顯著高于對(duì)照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),見(jiàn)表2。在教學(xué)效果的自我測(cè)評(píng)中,觀(guān)察組評(píng)分顯著高于對(duì)照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),見(jiàn)表3。對(duì)培訓(xùn)完成后的理論測(cè)試和髖臼側(cè)手術(shù)操作測(cè)試成績(jī)比較中,觀(guān)察組成績(jī)顯著高于對(duì)照組,差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.01),見(jiàn)表4。

表2 2組課程設(shè)計(jì)及教學(xué)效果評(píng)價(jià)結(jié)果分)

表3 2組學(xué)習(xí)能力自我評(píng)價(jià)結(jié)果分)

表4 2組理論知識(shí)和手術(shù)操作考核成績(jī)比較分)

3 討 論

傳統(tǒng)人工THA主要依賴(lài)術(shù)中X線(xiàn)透視和手術(shù)醫(yī)師的經(jīng)驗(yàn),完成假體位置的正確安裝。但即便如此,也時(shí)不時(shí)會(huì)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(xiàn)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(duì)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(diǎn)在于假體安裝位置的判斷,熟練掌握THA的理論知識(shí)和手術(shù)技巧尤為重要。目前,THA的理論知識(shí)常通過(guò)X線(xiàn)、CT等影像學(xué)資料結(jié)合幻燈片等進(jìn)行教學(xué),教學(xué)模式單一,學(xué)生參與度不高、被動(dòng)接受知識(shí),教學(xué)效果有限。而THA的操作訓(xùn)練因原材料等原因還無(wú)法大規(guī)模開(kāi)展,學(xué)生的理論知識(shí)無(wú)法與實(shí)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(lái)骨科發(fā)展的重要方向之一,對(duì)于在數(shù)字技術(shù)時(shí)代中成長(zhǎng)起來(lái)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(shí)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(guò)先進(jìn)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(jī)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(jī)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(shí)時(shí)定位導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)械臂人機(jī)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(guān)地獲得術(shù)區(qū)實(shí)時(shí)狀態(tài),精準(zhǔn)把握假體安放的位置。將機(jī)器人輔助技術(shù)用于THA的教學(xué)有以下幾方面的優(yōu)勢(shì):(1)直觀(guān)的數(shù)字化術(shù)前規(guī)劃過(guò)程,便于學(xué)員掌握假體安裝的關(guān)鍵要點(diǎn)。應(yīng)用機(jī)器人輔助技術(shù)進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃設(shè)計(jì)可根據(jù)患者的解剖特點(diǎn)使用不同型號(hào)的髖臼假體和股骨假體進(jìn)行安裝調(diào)試,學(xué)員可以實(shí)時(shí)查看不同假體型號(hào)和不同位置的安裝效果,機(jī)器人能夠顯示各個(gè)層面上假體與髖臼和股骨近端的位置關(guān)系,通過(guò)不斷地調(diào)整找出最適合的假體型號(hào)和方位,機(jī)器人的人工智能輔助模塊也會(huì)模擬此時(shí)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(guò)這一階段的訓(xùn)練,可以使學(xué)員構(gòu)建起直觀(guān)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(shí)時(shí)定位,便于判斷學(xué)生操作的準(zhǔn)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(duì)照組徒手完成操作,觀(guān)察組操作機(jī)械臂完成考核內(nèi)容,觀(guān)察組操作時(shí)屏蔽屏幕實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù),學(xué)員自行判斷操作終點(diǎn)。2組學(xué)員均使用的是經(jīng)過(guò)機(jī)器人標(biāo)定完成后的骨盆模型,考官通過(guò)機(jī)器人輔助技術(shù)在操作完成后評(píng)價(jià)臼杯安放位置情況。我們避免了使用X光透視來(lái)評(píng)估髖臼位置,由于機(jī)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(guò)機(jī)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(duì)結(jié)果進(jìn)行客觀(guān)和快速地判讀。其他教學(xué)方法因?yàn)槿狈陀^(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)往往很難設(shè)置合理的操作考核來(lái)評(píng)估學(xué)員對(duì)于該手術(shù)技術(shù)的掌握情況,使用機(jī)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(jī)器人輔助教學(xué),全面細(xì)致地模擬了模型的解剖結(jié)構(gòu),詳細(xì)地展示了術(shù)前規(guī)劃過(guò)程,學(xué)生通過(guò)自己動(dòng)手實(shí)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(jī)器人輔助教學(xué)的學(xué)生專(zhuān)業(yè)理論考核成績(jī)高于傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)生,驗(yàn)證了機(jī)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(guò)機(jī)器人輔助教學(xué)的操作輔助模式,在骨盆模型上進(jìn)行了操作練習(xí),并獲得了機(jī)器人實(shí)時(shí)反饋的操作評(píng)價(jià),更加直觀(guān)地體驗(yàn)了手術(shù)步驟,鍛煉了臨床實(shí)際操作能力,使理論與實(shí)踐相結(jié)合,進(jìn)一步加深了對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解。本研究結(jié)果顯示,使用機(jī)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(shí)踐考核成績(jī)高于傳統(tǒng)教學(xué)模式的學(xué)員,表明機(jī)器人輔助技術(shù)用于實(shí)踐操作教學(xué)中的優(yōu)越性。本研究結(jié)果顯示,使用機(jī)器人輔助教學(xué)的學(xué)員主觀(guān)問(wèn)卷調(diào)查綜合能力自我評(píng)價(jià)得分高于對(duì)照組,對(duì)教學(xué)模式的滿(mǎn)意度也更高。進(jìn)一步表明機(jī)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(mǎn)意度。

綜上所述,將機(jī)器人輔助技術(shù)用于THA臨床教學(xué),具有高等效性、零風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)時(shí)交互和動(dòng)態(tài)反饋等優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)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(mǎn)意度。機(jī)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(yàn)感,但是也會(huì)增加學(xué)生在今后實(shí)際臨床工作中的依賴(lài)感,需要學(xué)生在后續(xù)的臨床實(shí)踐中反復(fù)練習(xí)。隨著關(guān)節(jié)機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的加速,相信會(huì)有越來(lái)越多的學(xué)生可以享受到該技術(shù)用于教學(xué)所帶來(lái)的新奇感受。