智能机器人辅助技术在髋关节外科手术教学中的价值*

李 杰,徐 源,张 瑗

(陆军军医大学第二附属医院骨科,重庆 400037)

住院医师规范化培训是我国医学继续教育的重要内容,而手术技术的教学是外科专业的教学难点之一。人工智能技术的引入(例如虚拟现实)已被证实可为手术技术的教学提供新的思路。全髋关节置换术(THA)是关节外科的一项主流的手术技术,其广泛应用于股骨头缺血坏死等髋关节病变的治疗中,是恢复患者髋关节功能的重要手术方式,被认为是现代医学史上最成功的手术之一[1]。对于年轻医生而言,这个手术的教学瓶颈之处在于髋臼打磨技术的掌握和假体位置正确安放,不良的假体位置安放是增加术后脱位发生率和缩短假体使用寿命的重要原因[2]。THA在传统教学模式中,教师常采用影像学资料结合PPT讲授对学生进行教学,学生存在课程主动参与度不高,被动接受知识、空间想象力不足、理论无法与实践相结合等问题。随着创新型国家发展战略的全面展开,以及大数据和5G时代的来临,以及人工智能辅助技术在关节外科的渗透,传统的教学培养模式已不能满足新时代的教育要求,必须进行相应的教学改革[3]。机器人辅助技术是现代数字技术和人工智能技术的高度集成,已在THA和全膝关节表面置换术的精准实施中“崭露头角”,带来了优异的手术效果和全新的医患体验[4-7],而将其应用于骨科手术临床教学是否具有优势目前鲜见研究。本科在前期开展了大批量机器人辅助关节外科手术的基础上,探讨机器人辅助技术对THA临床教学效果的影响。

1 对象与方法

1.1对象 选取2022年4—9月在本科学习的住院医师规范化培训学员为研究对象。共纳入2批32人,均为外科专业学员,每批16人,将其分别设为对照组与观察组。2组学生性别、年龄、学习时间和THA助手经验等一般资料比较,差异均无统计学意义(P>0.05),见表1。

表1 2组一般资料比较

1.2纳入与排除标准 纳入标准:参加重庆市卫生健康委员会外科专业规范化培训的医师,初次轮转骨科者,THA助手经验大于10台。排除标准:拒绝参加本次研究者;存在严重沟通障碍者;无法全程参加本研究者。

1.3教学方法 购置标准化骨盆-股骨模型36例,将模型CT数据导入机器人辅助系统重建三维数字化模型。教案设计:对照组采用正常的骨盆模型、X线片等影像学资料及幻灯片进行教学,讲解股骨头坏死疾病的特点、治疗方式、髋关节周围解剖特点,术前规划,人工全髋关节假体的特点和工具使用方法,髋臼侧操作,股骨侧操作,假体安装方法等知识点。观察组在对照组教学内容的基础上,增加机器人技术原理、机械臂辅助操作要点、人工智能术前计划方案分析等内容的学习。2组学员由同一位副主任医师进行集中授课。授课结束后2组学员均在模型上进行操作练习,对照组徒手进行操作工具练习,观察组可使用同一关节手术机器人系统完成手术练习,通过基于下肢全长CT数据的三维空间模拟来强化学员对骨盆功能位、髋臼外展角、联合前倾角、偏心距、双下肢长度的理解。2组采用相同的教学时长,操作全程均由授课教员负责指导答疑。

1.4效果评价与分析 客观考核内容包括专业理论知识考核和技能操作考核,满分各100分。技能考核内容为标准模型的髋臼侧准备与假体安装。对照组徒手完成操作,观察组操作机械臂完成操作,操作过程中屏蔽系统实时反馈数据,学员自行判断操作终点,记录操作完成时间、操作熟练程度、假体安放位置评分和臼杯稳定性评分。在臼杯安装完成后,臼杯前倾角度、外展角度和旋转中心数据通过机器人的探测功能获取。

主观评估方面通过问卷调查自我评分形式评估教学效果,评估内容包括课程评价、教学评价、理解能力、掌握程度、学习效率、课程专注度、自学能力。

2 结 果

在课程设计主观评价及教学效果主观评价比较中,观察组评分显著高于对照组,差异有统计学意义(P<0.01),见表2。在教学效果的自我测评中,观察组评分显著高于对照组,差异有统计学意义(P<0.01),见表3。对培训完成后的理论测试和髋臼侧手术操作测试成绩比较中,观察组成绩显著高于对照组,差异有统计学意义(P<0.01),见表4。

表2 2组课程设计及教学效果评价结果分)

表3 2组学习能力自我评价结果分)

表4 2组理论知识和手术操作考核成绩比较分)

3 讨 论

传统人工THA主要依赖术中X线透视和手术医师的经验,完成假体位置的正确安装。但即便如此,也时不时会出现假体位置安放不良的情况,需要反复多次透视调整假体位置,增加了射线暴露、出血、感染甚至术后关节脱位等并发症的发生[8-9]。因此,对于年轻骨科医师特别是住院医师规范化培训学员,THA教学的难点在于假体安装位置的判断,熟练掌握THA的理论知识和手术技巧尤为重要。目前,THA的理论知识常通过X线、CT等影像学资料结合幻灯片等进行教学,教学模式单一,学生参与度不高、被动接受知识,教学效果有限。而THA的操作训练因原材料等原因还无法大规模开展,学生的理论知识无法与实践相结合,也限制了教学效果的提高。数字化、虚拟化、智能化是未来骨科发展的重要方向之一,对于在数字技术时代中成长起来的年轻一代医生,更容易接受数字化的骨科教学手段。目前,已有将虚拟现实技术和3D打印等现代数字技术引入骨科手术教学中[10-12]。通过先进的数字教学技术的引入,激发了学生的学习兴趣,显著提升了教学效果。而本研究中将机器人辅助技术引入THA的手术教学中,取得了良好的效果。

机器人辅助技术是一系列数字技术和智能技术的集成,其包含了人工智能辅助术前规划技术、术中实时定位导航技术、机械臂人机交互技术、图像分割技术和安全边界算法等。这样的技术集成有利于术者直观地获得术区实时状态,精准把握假体安放的位置。将机器人辅助技术用于THA的教学有以下几方面的优势:(1)直观的数字化术前规划过程,便于学员掌握假体安装的关键要点。应用机器人辅助技术进行术前规划设计可根据患者的解剖特点使用不同型号的髋臼假体和股骨假体进行安装调试,学员可以实时查看不同假体型号和不同位置的安装效果,机器人能够显示各个层面上假体与髋臼和股骨近端的位置关系,通过不断地调整找出最适合的假体型号和方位,机器人的人工智能辅助模块也会模拟此时假体安装之后的具体外展角度、前倾角度和偏心距等数据,便于学员判断。通过这一阶段的训练,可以使学员构建起直观的假体与人体解剖位置关系,熟练掌握正确的假体安放位置。(2)术中实时定位,便于判断学生操作的准确性。本次的学习考核设置了髋臼磨锉和置杯操作考核内容。对照组徒手完成操作,观察组操作机械臂完成考核内容,观察组操作时屏蔽屏幕实时反馈数据,学员自行判断操作终点。2组学员均使用的是经过机器人标定完成后的骨盆模型,考官通过机器人辅助技术在操作完成后评价臼杯安放位置情况。我们避免了使用X光透视来评估髋臼位置,由于机器人辅助技术具有假体位置的量化判断功能,在臼杯打入后通过机器人辅助定位模块就可以获得即刻的臼杯角度、深度等数据,可以对结果进行客观和快速地判读。其他教学方法因为缺乏客观的评价标准往往很难设置合理的操作考核来评估学员对于该手术技术的掌握情况,使用机器人辅助技术则可以形成有效的操作反馈体系[13]。

本研究中使用机器人辅助教学,全面细致地模拟了模型的解剖结构,详细地展示了术前规划过程,学生通过自己动手实践操作,提升了学生的空间想象能力和理解能力[14]。本研究结果显示,使用机器人辅助教学的学生专业理论考核成绩高于传统教学模式的学生,验证了机器人辅助教学是一种很好的教学工具。本研究中,学生通过机器人辅助教学的操作辅助模式,在骨盆模型上进行了操作练习,并获得了机器人实时反馈的操作评价,更加直观地体验了手术步骤,锻炼了临床实际操作能力,使理论与实践相结合,进一步加深了对教学内容的理解。本研究结果显示,使用机器人辅助技术训练的学员,髋臼操作和置杯的临床技能实践考核成绩高于传统教学模式的学员,表明机器人辅助技术用于实践操作教学中的优越性。本研究结果显示,使用机器人辅助教学的学员主观问卷调查综合能力自我评价得分高于对照组,对教学模式的满意度也更高。进一步表明机器人辅助技术用于临床教学具有良好的教学效果和教学满意度。

综上所述,将机器人辅助技术用于THA临床教学,具有高等效性、零风险、实时交互和动态反馈等优点,弥补了传统教学模式的不足,可显著提高学生的理解能力、课程参与度、学习效率、自学能力等综合能力,具有更好的教学效果和满意度。机器人辅助技术在教学中的应用可以增加学生学习的体验感,但是也会增加学生在今后实际临床工作中的依赖感,需要学生在后续的临床实践中反复练习。随着关节机器人国产化进程的加速,相信会有越来越多的学生可以享受到该技术用于教学所带来的新奇感受。