機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印高仿真教學(xué)模型模擬手術(shù)在研究生教學(xué)中的應(yīng)用

黃 瑩，羅文浩，范 彧，林 進(jìn)

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 整形外科醫(yī)院 耳再造中心，北京 100144；中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)院 2.基本外科； 3.骨科，北京 100730)

臨床實(shí)踐教學(xué)是醫(yī)學(xué)教育中的重要環(huán)節(jié)，外科學(xué)研究生必須在實(shí)踐中不斷積累經(jīng)驗(yàn)、深入了解手術(shù)設(shè)計(jì)原理、熟練掌握專科手術(shù)技能，才能蛻變成合格的臨床醫(yī)生。但臨床實(shí)踐本身具有一定的風(fēng)險(xiǎn)性，在如今患者自我保護(hù)意識(shí)強(qiáng)化、醫(yī)患關(guān)系敏感化、手術(shù)室資源應(yīng)用盡可能最大化的背景下，以患者為對象直接進(jìn)行臨床技能訓(xùn)練的傳統(tǒng)教學(xué)模式已經(jīng)難以滿足需要[1]。近年來，隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)、3D打印等技術(shù)的發(fā)展，模擬教學(xué)逐漸成為傳統(tǒng)教學(xué)模式的重要補(bǔ)充[2]。

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty, TKA)是終末期膝關(guān)節(jié)病變的重要治療方式，旨在幫助患者恢復(fù)日?；顒?dòng)、提高生活質(zhì)量。僅在2018年，我國開展的TKA就超過了25萬例[3]。膝關(guān)節(jié)作為人體負(fù)重最大的關(guān)節(jié)，其復(fù)雜的解剖學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、生物力學(xué)及組織工程學(xué)構(gòu)造一方面對術(shù)前計(jì)劃精確度要求高，另一方面也決定了重建術(shù)“操作難度大”的特點(diǎn)。傳統(tǒng)TKA手術(shù)設(shè)計(jì)依賴于X線片，術(shù)者的經(jīng)驗(yàn)性判斷十分重要，臨床教學(xué)難度大。因此，研究生在臨床教學(xué)中經(jīng)常反映對于手術(shù)設(shè)計(jì)和空間解剖理解困難，而且動(dòng)手機(jī)會(huì)很少，技能提高慢。目前尚無針對此項(xiàng)手術(shù)的模擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，且常規(guī)假骨教具仿真程度差，解剖標(biāo)志不明顯，不能滿足臨床教學(xué)的需要。

機(jī)器人輔助全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(robotic-arm assisted total knee arthroplasty, RA-TKA)是借助醫(yī)學(xué)成像、計(jì)算機(jī)和手術(shù)機(jī)器人等技術(shù)完成膝關(guān)節(jié)置換的術(shù)式。術(shù)者在術(shù)前根據(jù)CT等影像檢查結(jié)果建立三維模型并進(jìn)行立體規(guī)劃，將力線角度和截骨量這兩個(gè)最重要的指標(biāo)數(shù)字化，可模擬截骨、假體置入、畸形矯正等，從而指導(dǎo)手術(shù)計(jì)劃，在術(shù)中通過識(shí)別人工植入的解剖標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像，導(dǎo)航手術(shù)操作[4]。研究生在規(guī)劃過程中可以全方位、直接地觀察每一步驟的下肢骨骼，尤其是膝關(guān)節(jié)，有助于快速理解、掌握手術(shù)設(shè)計(jì)理念。同時(shí)可以將重建的下肢骨骼通過3D打印而得到高仿真假骨，配合廠家操作器械提高手術(shù)技能、積累經(jīng)驗(yàn)。

1 結(jié)合RA-TKA和3D打印進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐設(shè)計(jì)

首先，獲取患者膝關(guān)節(jié)的CT數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入專業(yè)軟件并完成患者下肢影像的三維重建。其次，設(shè)計(jì)截骨量并選擇合適的假體型號(hào)等，制定具體手術(shù)方案(圖1)；并且根據(jù)患肢及假體的模型數(shù)據(jù)和參數(shù)，3D打印尼龍材質(zhì)的高仿真假骨模具，高度還原人體骨骼細(xì)微結(jié)構(gòu)，最大限度地模擬截骨操作手感(圖2)。最后，完成模具和計(jì)算機(jī)成像的空間配準(zhǔn)，在實(shí)時(shí)成像、計(jì)算機(jī)導(dǎo)航下借助手術(shù)機(jī)器人在假骨模具上完成精細(xì)的手術(shù)操作(圖3)。

圖1 3D假體模型規(guī)劃設(shè)計(jì)Fig 1 Design of 3D prosthesis mold

圖2 3D打印高仿真下肢假骨教學(xué)模具Fig 2 3D printed high simulation of lower limb prosthetic bone teaching mold

圖3 臨床教學(xué)實(shí)踐流程Fig 3 Practice process of clinical teaching

2 機(jī)器人TKA手術(shù)高仿真假骨模具教學(xué)實(shí)踐

借助患者下肢長骨CT和三維重建，3D打印高仿真的股骨和脛、腓骨模型，固定于全膝人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)體位，按照RA-TKA軟件中的術(shù)前設(shè)計(jì)，先進(jìn)行患者的信息匹配(術(shù)前準(zhǔn)備)，然后在股骨和脛骨安裝帶有被動(dòng)反射標(biāo)記球的定位架，并用尖探針點(diǎn)擊膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面及周圍和脛骨特征解剖標(biāo)志，完成模型骨與電腦中CT重建圖像的空間配準(zhǔn)。而后將機(jī)械臂擺放到預(yù)設(shè)平面，術(shù)者操縱機(jī)械臂進(jìn)行模擬手術(shù)。與此同時(shí)，通過機(jī)器人電腦屏幕可以觀察、指導(dǎo)操作(圖4)。

3 機(jī)器人TKA手術(shù)操作教學(xué)考核

后期，除了通過傳統(tǒng)理論考試評估學(xué)生對膝關(guān)節(jié)解剖、TKA手術(shù)設(shè)計(jì)原理、手術(shù)基本指標(biāo)等方面的掌握情況，還可以借助RA-TKA系統(tǒng)、3D打印模具實(shí)際考察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，與傳統(tǒng)TKA手術(shù)教學(xué)對比，形成反饋體系(表1)。

4 RA-TKA聯(lián)合3D打印在教學(xué)中的優(yōu)勢

4.1 提高骨科外科教學(xué)效率

通過RA-TKA術(shù)前重建立體化、截骨量和力線角度數(shù)字化，幫助學(xué)生全方位、多角度、更直觀地學(xué)習(xí)膝關(guān)節(jié)解剖，進(jìn)而掌握手術(shù)設(shè)計(jì)原理。另外，3D打印高仿真骨關(guān)節(jié)模型可高度還原RA-TKA實(shí)際操作環(huán)境，除了在一定程度上解決臨床實(shí)際操作機(jī)會(huì)少、風(fēng)險(xiǎn)大的問題，也提供了較為可靠的考核方式。

4.2 改革創(chuàng)新TKA教學(xué)模式

結(jié)合機(jī)器人輔助系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，該教學(xué)實(shí)踐可以為搭建數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化TKA教學(xué)平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。

圖4 機(jī)器人TKA手術(shù)高仿真假骨模具教學(xué)實(shí)踐Fig 4 Teaching practice of RA-TKA surgery on simulation of prosthetic bone mold

表1 機(jī)器人TKA手術(shù)操作培訓(xùn)考核標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Assessment criterion of RA-TKA operation training

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中利用錄入的臨床患者信息建立教學(xué)病例庫，結(jié)合臨床實(shí)際情況、各方意見完善考核制度和反饋體系，從而進(jìn)一步優(yōu)化TKA教學(xué)模式。

4.3 設(shè)計(jì)方案可行有效

近年來，模擬教學(xué)廣泛應(yīng)用于各個(gè)醫(yī)學(xué)學(xué)科教學(xué)，其可行性和有效性被不斷驗(yàn)證[5-7]。有系統(tǒng)評價(jià)表明[8]，絕大部分骨科手術(shù)相關(guān)的模擬教學(xué)都能夠提高學(xué)者的操作能力。比較具備技術(shù)基礎(chǔ)的住院醫(yī)師和零基礎(chǔ)的初學(xué)者在膝關(guān)節(jié)鏡模擬訓(xùn)練中的學(xué)習(xí)曲線，發(fā)現(xiàn)初學(xué)者的學(xué)習(xí)曲線更加陡峭、技術(shù)進(jìn)步更加明顯[1]。由此，在研究生階段開展新型TKA模擬教學(xué)，效果值得期待。從學(xué)習(xí)的主觀能動(dòng)性方面，與傳統(tǒng)教學(xué)模式相比[2]，學(xué)生參與模擬教學(xué)和訓(xùn)練的意愿更加強(qiáng)烈。但亦有研究認(rèn)為，學(xué)生在模擬教學(xué)中所學(xué)技能能否高效轉(zhuǎn)化為實(shí)際臨床場景應(yīng)用仍有待驗(yàn)證[9]。本文中提出的教學(xué)模式是結(jié)合醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等進(jìn)行理論和實(shí)踐融合教學(xué)的新模式，較既往研究中的模擬教學(xué)更貼合實(shí)際臨床診療過程。從該教學(xué)模式的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，結(jié)合已有的相關(guān)研究，考慮其具有一定的可行性和有效性，但仍需要前瞻性對照實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

4.4 課程設(shè)置及考核方式革新

明確的教學(xué)目標(biāo)、合理的課程設(shè)置、有效的考核方式對模擬教學(xué)的發(fā)展至關(guān)重要[10-11]。但是，目前尚無模擬教學(xué)課程設(shè)置方面的高質(zhì)量指南或共識(shí)可供參考，相關(guān)考核的效度亦有待研究[9]。本文提出的教學(xué)模式具備明確的目標(biāo)，構(gòu)建了結(jié)合RA-TKA和3D打印技術(shù)進(jìn)行操作考核的評價(jià)體系，相比于傳統(tǒng)教學(xué)和考核方式，模擬教學(xué)目的性強(qiáng)、創(chuàng)新性強(qiáng)，旨在更真實(shí)地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和臨床引用能力，這對于評價(jià)教學(xué)成果、反饋改進(jìn)十分重要。但是，未來仍需要更多研究來驗(yàn)證該課程設(shè)置和考核制度的優(yōu)越性。

4.5 同時(shí)提高技術(shù)及非技術(shù)性能力

目前，本研究探討的教學(xué)模式側(cè)重于研究生的TKA相關(guān)理論學(xué)習(xí)、技術(shù)性訓(xùn)練和考核。有研究表明[12]，模擬教學(xué)能夠提高學(xué)生的臨床自信心，這對醫(yī)學(xué)生的成長至關(guān)重要。除此之外，團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通策略等非技術(shù)性能力會(huì)影響技術(shù)性表現(xiàn)，亦是影響手術(shù)安全性和患者預(yù)后的重要因素[8, 13-15]。在初步驗(yàn)證其有效性后，亦應(yīng)考慮在該教學(xué)模式中融入非技術(shù)性能力培養(yǎng)的相關(guān)內(nèi)容，以提高年輕一代骨科醫(yī)生的綜合素質(zhì)。

4.6 增加成本效益

外科手術(shù)模擬訓(xùn)練涉及較高的成本，包括手術(shù)機(jī)器人、專業(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備、3D打印高仿模具、教學(xué)場地等硬件配置，專業(yè)指導(dǎo)師培訓(xùn)和學(xué)者的學(xué)習(xí)時(shí)長等軟性投入[8, 16]。利用RA-TKA系統(tǒng)和3D打印技術(shù)為學(xué)者提供操作訓(xùn)練機(jī)會(huì)，旨在通過提高學(xué)者專業(yè)能力和其實(shí)際進(jìn)行TKA手術(shù)的安全性，從而降低因操作失誤、延長手術(shù)時(shí)間等造成的損傷、感染等風(fēng)險(xiǎn)，以期增加廣大患者獲益。然而，目前關(guān)于模擬教學(xué)的成本效益研究有限，本文教學(xué)模式的成本效益有待進(jìn)一步研究。

5 展望

未來，可結(jié)合新技術(shù)發(fā)展、臨床需求、學(xué)生意見、考核結(jié)果、學(xué)術(shù)交流等，不斷完善該教學(xué)模式的細(xì)節(jié)設(shè)定。并且，適時(shí)推動(dòng)各醫(yī)學(xué)院校合作，或向具有一定基礎(chǔ)的骨科醫(yī)生開放學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，充分發(fā)揮學(xué)生基數(shù)優(yōu)勢，通過高質(zhì)量對照研究解決爭議問題，推動(dòng)關(guān)節(jié)外科教學(xué)體系革新，培養(yǎng)綜合性醫(yī)學(xué)人才。最終，通過新型教學(xué)模式可高效推廣RA-TKA等相關(guān)技術(shù)，造福更多的患者。

6 結(jié)語

醫(yī)療環(huán)境復(fù)雜化帶來了挑戰(zhàn)，科技進(jìn)步帶來了機(jī)遇，RA-TKA手術(shù)設(shè)計(jì)結(jié)合3D打印高仿真教學(xué)模型模擬手術(shù)的新型教學(xué)模式即是兩者作用下的產(chǎn)物。通過將教學(xué)內(nèi)容形象化、數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化，有望提高骨科膝關(guān)節(jié)重建術(shù)的教學(xué)效率，為全面革新外科手術(shù)教學(xué)奠定基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)教育同道們應(yīng)積極合作，推動(dòng)相關(guān)對照研究的開展，以解決成本效益等爭議問題，促進(jìn)醫(yī)學(xué)教育發(fā)展，為患者提供安全、有效的治療。