關(guān)節(jié)外科機(jī)器人輔助技術(shù)在臨床教學(xué)中的研究與應(yīng)用

冀全博 李俊成 王巖 張國(guó)強(qiáng)

髖關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜且功能特殊，又有重要的血管、神經(jīng)毗鄰。全髖關(guān)節(jié)置換術(shù) ( total hip arthroplasty，THA ) 是治療終末期髖關(guān)節(jié)疾病的重要手段，能有效恢復(fù)關(guān)節(jié)功能。髖關(guān)節(jié)假體安放位置不良常導(dǎo)致術(shù)后關(guān)節(jié)脫位、活動(dòng)受限和假體磨損等嚴(yán)重并發(fā)癥，影響患者術(shù)后康復(fù)。關(guān)節(jié)外科規(guī)范化培訓(xùn)要求學(xué)生對(duì) THA 具有整體的知識(shí)掌握和三維立體概念。然而，通過傳統(tǒng)教學(xué)模式來進(jìn)行 THA 的手術(shù)方案教學(xué)，特別是在髖臼磨銼位置和深度以及假體準(zhǔn)確植入的指導(dǎo)培訓(xùn)方面具有一定的局限性。近年來，機(jī)器人輔助技術(shù)被在關(guān)節(jié)外科臨床應(yīng)用上得到了大力發(fā)展。機(jī)器人輔助技術(shù)可以更加精準(zhǔn)實(shí)時(shí)控制和調(diào)整髖臼磨銼的方向和假體的定位，提高了手術(shù)的精準(zhǔn)性，同時(shí)能夠使初學(xué)者清晰直觀的領(lǐng)會(huì)髖臼的深度和位置以及假體置入的準(zhǔn)確性，降低了徒手安放假體的不確定性，提高了學(xué)習(xí)效率，縮短了學(xué)習(xí)周期，真正使教學(xué)模式向以學(xué)生為中心轉(zhuǎn)變。為適應(yīng)關(guān)節(jié)外科臨床教學(xué)模式的發(fā)展和改革，筆者將機(jī)器人輔助技術(shù)應(yīng)用于關(guān)節(jié)外科教學(xué)中，通過對(duì)關(guān)節(jié)外科機(jī)器人輔助技術(shù)在臨床教學(xué)中的研究與應(yīng)用，總結(jié)機(jī)器人輔助技術(shù)的教學(xué)效果，以有效提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

資料與方法

一、一般資料

選取 2018 年 12 月至 2020 年 12 月參加我院關(guān)節(jié)外科規(guī)范化培訓(xùn)輪轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)的 32 名醫(yī)學(xué)生作為研究對(duì)象，年齡 24～28 歲，其中對(duì)照組平均年齡( 25.8±1.3 ) 歲，試驗(yàn)組平均年齡 ( 25.7±1.5 ) 歲。所有人員采用完全隨機(jī)化分組方法，即利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)將研究對(duì)象隨機(jī)平均分為對(duì)照組和試驗(yàn)組進(jìn)行研究，兩組醫(yī)學(xué)生各 16 名。兩組年齡、性別比及基礎(chǔ)成績(jī)方面等基線資料差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(＞ 0.05 ) ( 表1 )。

表1 兩組基線資料的數(shù)據(jù)比較 ( x-±s )Tab.1 Comparison of baseline data between the two groups ( x- ± s )

二、教學(xué)方法

1.對(duì)照組：采用常規(guī)線下傳統(tǒng)帶教的方式，由教師制作 PPT 教案線下講課的形式，選擇常見股骨頭壞死作為典型教學(xué)病例介紹骨科專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)要點(diǎn)，包括患者髖臼原始解剖形態(tài)以及 THA 要點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)。帶教前將上課學(xué)習(xí)內(nèi)容交給學(xué)生提前預(yù)習(xí)。理論授課詳細(xì)講授知識(shí)點(diǎn) 2 課時(shí)，手術(shù)室現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)2 課時(shí)。

2.試驗(yàn)組：( 1 ) 機(jī)器人輔助技術(shù)圖像處理教學(xué)及術(shù)前計(jì)劃模擬教學(xué)。試驗(yàn)組首先通過術(shù)前對(duì)患者的骨盆、股骨近端和膝關(guān)節(jié)進(jìn)行 CT 掃描，同時(shí)使用 Stryker公司的 THA 3.1 軟件重建骨盆和股骨近端的三維模型 ( 圖1 )。帶教老師向試驗(yàn)組介紹關(guān)節(jié)置換的手術(shù)原理并幫助其理解患者髖臼原始解剖形態(tài) ( 圖2 )，同時(shí)帶領(lǐng)試驗(yàn)組同學(xué)對(duì)髖臼假體的型號(hào)、前傾角和外展角進(jìn)行規(guī)劃；然后與試驗(yàn)組一起在髖臼冠狀面和橫斷面上檢查計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，幫助試驗(yàn)組理解髖關(guān)節(jié)假體的安放位置等；另一方面，帶教老師通過根據(jù)術(shù)前計(jì)劃選擇最合適的股骨柄及股骨頭型號(hào)來恢復(fù)下肢長(zhǎng)度 ( 圖3 )，帶領(lǐng)試驗(yàn)組在軟件上測(cè)量股骨頸截骨線到小轉(zhuǎn)子的距離，以便于在手術(shù)期間確定截骨高度，幫助試驗(yàn)組同學(xué)理解股骨截骨的手術(shù)操作原理和注意事項(xiàng)；( 2 ) 教學(xué)討論：關(guān)節(jié)病例展示及討論分析 2 課時(shí)，機(jī)器人輔助技術(shù)教學(xué) 2 課時(shí)。通過授課討論，并在討論完畢后采用機(jī)器人輔助技術(shù)圖像處理技術(shù)，展示基于 CT 掃描數(shù)據(jù)制作的髖關(guān)節(jié)三維圖像，清晰直觀地向?qū)嶒?yàn)組同學(xué)闡述股骨頭壞死的解剖、髖關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)置換的手術(shù)操作步驟等，特別是對(duì)術(shù)中髖臼需要磨銼的位置、深度和角度以及股骨截骨的部位和下肢力線的恢復(fù)等進(jìn)行教學(xué)，深入講解 THA 的要點(diǎn)和方案。

圖1 a：機(jī)器人輔助技術(shù)進(jìn)行骨盆及下肢三維重建圖像展示；b：患者術(shù)前下肢長(zhǎng)短測(cè)量的二維圖像Fig.1 a: Robot-assisted technology in 3D reconstruction of the pelvis and lower limbs;b: Preoperative measurement of lower limb length by two dimensional images

圖2 a～d：機(jī)器人輔助技術(shù)從多角度和多方向觀察髖臼形態(tài)，立體直觀展現(xiàn)髖臼的骨儲(chǔ)備、囊性變形和骨贅增生Fig.2 a - d: Robot-assisted technology to observe the shape of acetabulum from multiple angles and directions; Bone reserve, cystic deformation and osteophyte proliferation of the acetabulum were showed

圖3 a：機(jī)器人輔助展示髖臼位置的覆蓋情況和髖臼杯安放角度；b：機(jī)器人輔助技術(shù)實(shí)時(shí)提示髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體的安放情況和下肢長(zhǎng)短比較Fig.3 a.Robot-assisted technology to display the acetabular position coverage and acetabular cup placement angle; b.Robot-assisted technology could prompt the placement of prosthesis and the comparison of leg length after hip replacement in real time

三、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

1.教學(xué)考核：兩組均由帶教資歷深厚，規(guī)范化培訓(xùn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富的帶教老師完成教學(xué)指導(dǎo)。教學(xué)結(jié)束后所有學(xué)生參加統(tǒng)一命題的理論和操作考試?？紤]到試驗(yàn)組機(jī)器人輔助技術(shù)多涉及操作，為客觀評(píng)價(jià)機(jī)器人輔助技術(shù)的教學(xué)效果，筆者將基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容和操作技能的考核側(cè)重于共性部分。其中試驗(yàn)組和對(duì)照組的理論考核內(nèi)容均包括股骨頭壞死等常見髖關(guān)節(jié)疾病的解剖、關(guān)節(jié)置換的原理以及髖臼磨銼角度大小范圍等基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容。理論考試內(nèi)容由未參加教學(xué)的另一位教師閱卷。試驗(yàn)組和對(duì)照組的統(tǒng)一操作考試內(nèi)容包括 THA 的操作要點(diǎn)回答、髖臼假體的安放位置操作、股骨截骨的具體位置識(shí)別和注意事項(xiàng)等內(nèi)容，并統(tǒng)計(jì)兩組的理論和操作考試分值。

2.調(diào)查問卷：教學(xué)結(jié)束后，所有學(xué)生以匿名方式填寫關(guān)于教學(xué)方式評(píng)估的調(diào)查問卷。問卷內(nèi)容包括 3 個(gè)指標(biāo)，即能否激發(fā)主動(dòng)學(xué)習(xí)興趣、提高理論知識(shí)及教學(xué)模式滿意度 3 個(gè)方面。每項(xiàng)指標(biāo)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)是和否兩個(gè)選項(xiàng)，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)選項(xiàng)的比率。

四、統(tǒng)計(jì)學(xué)處理

結(jié) 果

一、理論和操作教學(xué)結(jié)果

將收集到的兩組教學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。結(jié)果顯示，在理論知識(shí)和操作考試成績(jī)方面，試驗(yàn)組學(xué)生的成績(jī)優(yōu)于對(duì)照組，且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (＜0.05 ) ( 表2 )。

二、教學(xué)效果調(diào)查問卷分析

對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行調(diào)查問卷，共計(jì)發(fā)放問卷32 份，回收 32 份，均為有效問卷，回收率 100%。兩組問卷進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果顯示，機(jī)器人輔助技術(shù)實(shí)驗(yàn)組在激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、提高理論知識(shí)及教學(xué)模式滿意度 3 個(gè)方面的教學(xué)效果評(píng)分優(yōu)于傳統(tǒng)教學(xué)的對(duì)照組，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義 (＜ 0.05 ) ( 表3 )。

討 論

在臨床上，關(guān)節(jié)外科中髖關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及眾多神經(jīng)與血管，內(nèi)容知識(shí)復(fù)雜，對(duì)于學(xué)生的理解和記憶難度較大。熟練掌握髖關(guān)節(jié)解剖結(jié)構(gòu)對(duì)于該領(lǐng)域疾病的臨床診斷及手術(shù)治療具有至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)骨科教學(xué)通常由任課教師作為主導(dǎo)，以文字教學(xué)和二維解剖圖譜為主要素材，直觀性不足，常導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性較低、理論技能知識(shí)掌握不夠和教學(xué)滿意度不高等問題。機(jī)器人輔助技術(shù)可以將 CT 數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)工作站進(jìn)行三維重建，并利用圖像處理軟件進(jìn)行三維解剖模型構(gòu)建，有助于加強(qiáng)醫(yī)學(xué)生對(duì)于解剖結(jié)構(gòu)位置的空間理解，術(shù)中操作注冊(cè)步驟的實(shí)時(shí)控制更能深化學(xué)生對(duì) THA的整體掌握，提升了關(guān)節(jié)外科的教學(xué)效果，也推動(dòng)了臨床教學(xué)的改革創(chuàng)新。

THA 能有效改善患者生活質(zhì)量，減輕患者痛苦。但傳統(tǒng)教學(xué)模式學(xué)習(xí)曲線長(zhǎng)，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)理解難度大、知識(shí)掌握不全面等教學(xué)問題。機(jī)器人輔助技術(shù)有利于縮短基礎(chǔ)理論知識(shí)與臨床技能操作之間的距離。傳統(tǒng)關(guān)節(jié)外科臨床教學(xué)模式中，教師針對(duì)基本手術(shù)技術(shù)，只能借助枯燥的文字資料和二維圖片進(jìn)行講解，并在手術(shù)室長(zhǎng)期教學(xué)講解，才能讓學(xué)生深入了解手術(shù)過程，并在上級(jí)醫(yī)生指導(dǎo)下進(jìn)行部分輔助手術(shù)操作，學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和關(guān)節(jié)外科手術(shù)的熟悉有很大的局限性。機(jī)器人輔助技術(shù)的出現(xiàn)為關(guān)節(jié)外科臨床教學(xué)帶來了新模式。研究表明，采用數(shù)字化技術(shù)能夠幫助學(xué)生理解各類手術(shù)的術(shù)前計(jì)劃、手術(shù)過程和術(shù)后預(yù)測(cè)，更能加深學(xué)生對(duì)復(fù)雜解剖結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和掌握。機(jī)器人輔助手術(shù)技術(shù)通過對(duì)髖臼注冊(cè)、股骨注冊(cè)、髖臼磨銼的方向和假體的定位等的實(shí)時(shí)手術(shù)操作演示，對(duì)關(guān)節(jié)外科的臨床教學(xué)提供了一種可行的新方案，大大縮短了學(xué)生手術(shù)培訓(xùn)時(shí)間，提高了學(xué)生對(duì)關(guān)節(jié)外科的學(xué)習(xí)興趣。在本研究中，機(jī)器人輔助手術(shù)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在股骨頭壞死等常見髖關(guān)節(jié)疾病的解剖等理論知識(shí)掌握方面，以及股骨頭壞死的體征和臨床意義、關(guān)節(jié)置換的術(shù)前規(guī)劃操作能力以及 THA 的操作要點(diǎn)和注意事項(xiàng)方面數(shù)據(jù)優(yōu)于對(duì)照組，究其原因是由于機(jī)器人輔助系統(tǒng)能夠清晰直觀的對(duì)髖關(guān)節(jié)的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示，并能夠在手術(shù)過程中實(shí)時(shí)提供髖臼的深度、角度和位置以及截骨的位置，增強(qiáng)了初學(xué)者的空間位覺和手術(shù)視覺能力，充分說明了機(jī)器人輔助手術(shù)技術(shù)具有明顯的教學(xué)優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)教學(xué)模式中，教師輸送知識(shí)多為單向，在學(xué)生對(duì)臨床診療思維、動(dòng)手操作能力等最重要的臨床能力培養(yǎng)方面具有一定的局限性。機(jī)器人輔助技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)實(shí)踐，可以增強(qiáng)學(xué)生們主動(dòng)參與的積極性。教師帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行 THA 前的手術(shù)規(guī)劃、術(shù)中導(dǎo)航以及術(shù)后評(píng)估的臨床教學(xué)，相對(duì)于人工徒手進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換，充分發(fā)揮了學(xué)生主動(dòng)性，著力培養(yǎng)了學(xué)生的臨床診療思維能力；同時(shí)，由于機(jī)器人操作技術(shù)在手術(shù)操作部分更加注重，為客觀評(píng)價(jià)機(jī)器人輔助技術(shù)在教學(xué)中的效果，筆者對(duì)基礎(chǔ)理論教學(xué)內(nèi)容和操作技能的考核也側(cè)重于髖關(guān)節(jié)置換的共性部分。但需注意的是，機(jī)器人輔助技術(shù)進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換的術(shù)前規(guī)劃和注冊(cè)更為重要，涉及假體的位置安放等，在具體應(yīng)用時(shí)需謹(jǐn)慎操作。從本研究的調(diào)查問卷結(jié)果來看，機(jī)器人輔助技術(shù)發(fā)揮了積極作用，能有效激發(fā)同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，提高理論知識(shí)水平以及臨床教學(xué)的滿意度。

綜上所述，機(jī)器人輔助技術(shù)作為一種新的教學(xué)輔助模式，在臨床教學(xué)過程中為滿足臨床醫(yī)學(xué)教學(xué)需求提供了一種新的教學(xué)手段，能激發(fā)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)課程的興趣和積極性，增加教學(xué)內(nèi)容的生動(dòng)性，有效調(diào)動(dòng)師生互動(dòng)，有助于加強(qiáng)學(xué)生臨床思維及技能操作培養(yǎng)，提高學(xué)生的臨床實(shí)踐能力，在關(guān)節(jié)外科臨床教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。