机器人辅助技术在骨科教学中的应用

干旻峰 周峰 杨惠林

机器人辅助技术在骨科教学中的应用

干旻峰 周峰 杨惠林

探讨机器人辅助技术对于骨科教学的作用，将机器人技术作为医学教学改革的一种新的尝试和创新，采用机器人辅助技术来模拟、完成椎弓根螺钉置钉，使学习者缩短学习周期，迅速掌握椎弓根螺钉置钉。

机器人；骨科学；教学

传统的医学教学包括板书、挂图等，随着科技的发展特别是计算机技术的发展，教学方式方法有了很大的进步，比如Flash的应用、虚拟现实技术的应用等。但骨科教学比较复杂，特别是骨科手术方法的教学尤为复杂，学生掌握如何手术的学习曲线长，影响了学生的培养，阻碍了学生的成长。机器人技术已经广泛应用于普外科、泌尿外科、骨科等领域[1-3］，在骨科理论课教学环节中机器人辅助技术可以为学生提供形象的学习工具，有利于学生直观的掌握椎弓根螺钉置钉等，缩短学习周期，有利于培养学生的手术技能。在本文中作者探讨了机器人辅助椎弓根螺钉置钉在骨科教学中的优势和应用。

1 机器人技术在骨科教学中的优势

骨科学习中，解剖、治疗等都需要学生有立体概念，而立体概念的建立对于一个骨科研究生、规培生来说是比较困难的。因此，如何采用简单的方法为学生讲解复杂的解剖是十分必要的，且随着现代科技的发展特别是导航技术、机器人技术的发展，学生对于骨科疾病诊治的认识有了更好的提高，缩短了学习周期，有利于学生的培养。我科从2014年12月起，采用Renaissance机器人辅助行脊柱外科手术并将其应用于学生的教学。Renaissance机器人目前广泛应用于脊柱外科领域的手术[4-5］，主要用于辅助椎弓根螺钉置钉，而徒手椎弓根螺钉置钉有一定的并发症[6］且学习周期长、学生不容易掌握。在教学过程中机器人辅助技术可以清楚地显示人体椎弓根的空间结构、毗邻关系，方位感及层次感强，降低了学习的难度，提高了学习效率。让学生有机会在计算机上行模拟手术，学生可以从不同的角度、不同的层次去观察椎弓根及椎弓根螺钉置钉，缩短了学习周期，可减少因椎弓根螺钉置钉所致的并发症。将难以想象的空间结构、难以理解的毗邻关系及复杂的手术过程简单化。这种教学方法充分使让“以教师为中心”的教学方法转变成“以学生为中心”。

2 机器人技术在骨科教学中的应用

在教学中，我们教授学生采用机器人技术进行术前准备、手术规划、置钉准确性检验等，调动学生的主观能动性，使学生迅速、直观掌握椎弓根螺钉置钉方法。学生具体参与过程如下[7］：（1）术前准备：术前常规行病变节段为中心的薄层CT数据（层厚小于1 mm，DICOM格式），将CT数据导入工作站或笔记本电脑。采用Renaissance机器人手术规划软件进行术前规划：CT数据导入软件，系统自动生成病变节段正侧位，首先确定手术区域；其次确认每个椎弓根螺钉进针点，确定水平位、矢状位、冠状位进针角度，明确所选用椎弓根螺钉的长度、直径等；再次演示在横断位、矢状位、冠状位三个平面椎弓根螺钉在椎弓根内的位置；最后浏览、演示椎弓根置钉计划。（2）手术过程：患者全麻成功后，俯卧于手术台上。将机器人工作站、C形X线机之间用数据线连接，并将金属标记盘安装于C形X线机的影像接收器上。透视后机器人软件分析确认患者体位、方向。开放手术病例确认手术椎体节段后行切开暴露，将“clamp”夹持于棘突上后将金属标记固定于“clamp”。透视正位及60°斜位，将所得正、斜位影像数据与术前CT数据进行配准、注册并根据情况适当微调螺钉的进针点、进针角度。注册成功后，将“桥”固定于“clamp”，并将“桥”近端用克氏针固定于棘突，以确保“桥”稳定以利于机器人安放。经皮置钉患者采用固定针将“桥”固定在髂后上棘及棘突，安装金属标记透视正位、60°斜位片，将采集的数据与术前CT数据进行配准、注册并微调螺钉的进针点、进针角度。注册成功后将机器人安装于“桥”上。由工作站发出指令后机器人会自行运行至指定轨迹，安装指定的机械臂，顺机械臂孔安放通道，术者顺通道钻孔、置入导针、丝攻后置入椎弓根螺钉。（3）术后评估：术后患者均行CT检查，采用Gertzbein和Robbins标准[8］CT定量分析椎弓根螺钉的位置，具体如下：A级：椎弓根螺钉在椎弓根内；B级：椎弓根螺钉穿破椎弓根皮质小于2 mm；C级：椎弓根螺钉穿破椎弓根皮质大于2 mm，小于4 mm；D级：椎弓根螺钉穿破椎弓根皮质大于4 mm小于6mm；E级：椎弓根螺钉穿破椎弓根皮质大于6 mm 甚至更多。A级、B级对神经功能无影响，对稳定性也无影响，被认为是正确置钉。采用机器人辅助教学，学生不仅能对复杂的解剖结构有清晰的认识，也对手术方法的掌握提供了相对的捷径，缩短了学习周期，提高了效率。青年学生对计算机、机器人等新鲜事物抱有新鲜感，有利于学生兴趣的培养，有益于优秀青年医师的培养。

3 讨论

机器人辅助技术解决了骨科学教学中椎弓根结构复杂、椎弓根螺钉置钉难度大、学习曲线长的困难。骨科教学中，机器人技术比较高大上，对学生有较强的吸引力和感染力，极大地调动了学生求学和求知的欲望。激发学生的学习积极性、创造性、主动性，加深学生对抽象知识的理解，促进学生手术技能的提高。机器人辅助技术的最大优点就是智能化，学生需在模型及标本上反复训练的椎弓根螺钉置钉可以通过机器人辅助技术的相关软件在电脑上模拟实施，简化了手术过程，手术过程直观化，学生在虚拟现实中探求、理解教学内容，从而潜移默化中达到培养学生创新素质、能力的目的。另外，学生特别是青年医师普遍对机器人技术抱有很大的兴趣，提高了课堂、临床工作参与互动性。椎弓根螺钉徒手置钉，因为椎弓根周围解剖结构复杂，稍有不慎可能引起灾难性的并发症如瘫痪等。机器人技术应用于骨科学教学系统后，可以确保学生对椎弓根的立体概念的建立，提高椎弓根安全置钉，缩短学习曲线[9］，促进骨科教学模式、理念的进一步变化，此必将成为整个教学改革的一个重要趋势。

但是，机器人辅助脊柱手术教学普遍实施也存在困难。主要是Renaissance机器人系统价格昂贵，并不是所有医院能承受而广泛用于临床、教学。另外，机器人系统存在不稳定也可能对临床及教学工作带来不便。

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Application of Robot Assisted Technology in the O rthopaedic Teaching

GAN Minfeng ZHOU Feng YANG Huilin Orthopaedic Department of The First Affiliated Hospital of Soochow University， Suzhou Jiangsu 215031，China

To discuss the effect of robot assisted techniques for orthopaedic teaching. It’s a new attempt and innovation that introduce robot technology into medical education reform. The robot assisted techniques can help to simulate，complete the placement of pedicle screws. And it enables learners to shorten the learning cycle， and quickly grasp the placement of pedicle screws.

Robot， Orthopaedics， Teaching

G434

A

1674-9308（2016）26-0020-02

10.3969/j.issn.1674-9308.2016.26.011

国家高技术研究发展计划（863计划）（2015AA043201）

基金项目：江苏省临床医学研究中心基金（BL2012004）

苏州大学附属第一医院骨科，江苏 苏州 215031