阶梯式培训在外科手术机器人教学中的应用探究

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(武汉大学中南医院，湖北 武汉 430071)

目前世界主流的外科手术机器人是达芬奇(da Vinci)系列。手术机器人的操作模式为“主—仆”式，操作模式和标准腹腔镜不同，大部分的副损伤和手术并发症发生在术者学习曲线的初段。随着业务量的增加，手术并发症也开始增加。患者的生命安全和手术者的职业安全凸显了手术机器人培训工作的重要性[1-3]。美国医师协会开始制定机器人培训标准 (Fundamentals of Robotic Surgery,FRS)，以期用严格的考核制度，保证机器人手术的质量。

至2016年11月，中国大陆共安装了59台达芬奇手术机器人，共累计完成手术31863例，发表了94篇和“robotic surgery”相关的SCI文章(占5.57%)。但是，如果关键词换成“robotic surgical training” (手术机器人培训)，经过阅读和筛选，仅剩下3篇SCI，我国在手术机器人培训应用研究领域仍有不足。国内医院对手术机器人的需求巨大，因此多家高校正在加紧研制国产手术机器人。由于知识产权限制，国产手术机器人的培训体系需要自主研发，不能照搬Intuitive公司的商业标准。和国外大型培训中心相比，采购多台手术机器人进行培训显然不太现实。符合我国国情的手术机器人培训体系，应充分利用大多数医学院的现有装备，经过适当采购和升级，即可实施。

基于此，本文对手术机器人中所需要掌握的关键技术进行了分解，设计了阶梯式培训体系以符合学习规律。招募没有外科经验的规培学员进行测试，以验证其培训效果。

一、材料和方法

1.一般资料。规培第一年和第二年的外科住院医师50人，男性27人，女性23人，所招募的医师均无机器人操作经验。通过随机数字表的方式分配到两组中，每组25人。A组男14人，女11人；B组男13人，女12人。

2.方法。(1)研究设备：腹腔镜模拟训练箱、Simbionix腹腔镜虚拟模拟器、四目显微操作训练台和dV-Trainer手术机器人模拟器；(2)培训流程：A组在观看完演示之后，进行一次Match board 2的测试作为基线，然后进行3个小时的Match board 2练习和5个小时的Thread the Rings 1两个练习；B组经过4小时理论学习，2小时腔镜基础训练，2小时腹腔镜虚拟仿真训练，2小时显微操作训练后，再在机器人模拟器上进行3个小时的Match board 2练习和5个小时的Thread the Rings 1练习。理论学习由学生登录美国Intuitive Surgica公司的网上学习平台[4]和FRS学习平台[5]进行。由带教老师准备好机器人操作的标准教学录像，供学员观摩。腔镜基础训练在训练箱中进行，包括夹豆、递线和缝合训练腹腔镜虚拟仿真训练在Simbionix训练器上进行，包括钉转移、递线和缝合训练。显微外科操作训练在四目显微镜下进行，采用的是自制穿针模块，环按照螺旋顺时针向心排列。(3) 测试项目的选择：选择Match Board 2(MB)和Thread the Ring 1(TR)两个练习进行测试的原因如下：①MB和TR两个练习需要大范围移动机器人手臂，而且两个练习对器械受力和器械运动的有效性比较敏感；②以前的研究证实，这两个练习难度合适，对操作者的水平辨识度较高，而且具有较好的学习曲线[6]；两个练习代表了不同难度。MB考察了双手的协调和夹物的准确，TR考察了缝合技巧，这都是机器人操作的核心技能。

3.数据收集。模拟器自带的评估系统(M-score)根据从项目完成时间，器械运动距离，器械碰撞次数，器械受力，器械超出视野时间，手臂运动距离，目标掉落次数七个方面给出分数，然后统计总分(600分及格,1240满分)。记录学员首次进行MB的分数为基线值。完成培训后MB和TR项目的分数作为最终成绩，进行组间比较。

4.数据分析。分析软件为SPSS(Statistical Product and Service Solutions，Chicago,vision 20),组间比较统计方法为单因素方差分析(One way ANOVA)，P值设定为0.05。

二、结 果

两组学员的初始水平相比，无统计学差异。但经过培训后，使用阶梯式培训模式的B组学员在MB和TR两个练习上成绩都明显高于直接进行模拟器培训的A组(P值分别为0.002及0.001)，差异有统计学意义(见附表)。

附表 培训前后两组操作评分

三、讨 论

本文中的阶梯式培训体系，将机器人手术所需要掌握的核心技巧进行分解，列入了对应的训练科目：(1)机器人的基础理论学习：利用目前成熟的教学平台，让学生利用国外开源资源进行学习，录制了手术机器人的操作技巧视频，供学生下载观看。(2)腹腔镜训练箱主要让学生理解微创手术的基本原则：如器械在视野中的保持，避免视觉盲区，双手的协同工作等。腹腔镜仿真训练器的训练目的是让学生熟悉虚拟现实技术，向高仿真模拟机进行过渡。(3)显微镜下操作和手术机器人操作有很多共同点：坐姿，双手协作，受限的三维立体视野，双前臂支撑，手指操作，学习显微技术可以明显提高机器人操作技能[7]。在进行模拟器操作前，制作了类似的操作模块，让学员在显微镜下进行操作。其主要目的是训练学员的人体工学习惯，和对视野的控制以及三维立体视野下的操作技能。 基于虚拟现实技术的手术机器人模拟器，可以有效地提高操作技巧[8]，获得的手术技能可以迁移到真实的手术中去[9-10]。并且通过自带的评估系统，可以对操作质量进行量化评分，从而进行针对性训练。

本研究采用了以下措施以提高机器人训练器的培训效能。

1．使用自动纠正系统提升培训效率。手术机器人操作的核心在于脚踏的使用，频繁使用Clutch pedal(离合器)可以让双手始终位于舒适位置，得到托台的牢固支撑，从而获得更高的稳定性和自由度，而新手常犯的错误是双手悬空操作。在前期的工作中发现专家对这一技能的掌握要远超新手[11]。开发基于压力传感器的自动纠正系统，在双手离开同托台时，进行语音提示纠正，形成条件反射，从而提高操作质量[12]。这一措施对于养成正确的操作习惯作用明显。

2．使用多通道录制系统进行录像，自主学习。在前期研发了机器人操作多通道监测系统，可以在一个屏幕中整合所有的操作细节，有效地提高培训效率[6]。录制每个学员上机第一次操作和最后一次操作，和专家进行的标准操作一起，由学员带回，在两次培训间进行自主学习，互相讨论，取长补短。

新手学员直接进行上机操作的培训效果并不理想。阶梯式培训模式更符合学习规律，培训效果更佳。从培训时间上来看，A组比B组多了额外的10小时基础训练时间：4小时理论学习，2小时腔镜基础训练，2小时腹腔镜虚拟仿真训练，2小时显微操作。但从实际操作来看，dV-trainer模拟器的数量有限，不能满足多个学员同时培训的需要，采用轮换的方式，使轮空的学员在显微器械和腹腔镜训练箱进行手术机器人的基本技能学习，让学员在操作手术机器人或者模拟器前养成良好习惯，做好准备，最大化的利用上机时间，从而提高学习效率。

采用阶梯式培训的方式，低年资的住院医师可以通过系统学习，在机器人模拟器上取得优秀成绩。阶梯式培训中的许多环节，可以在目前大多数医学院校进行，然后赴有条件的培训中心完成更高级的训练。随着理论研究的深入和虚拟技术的进步，其他的培训设备和更高级别的训练，也应充实进培训体系中。一个符合国情的手术机器人培训体系的完善和建设，需要大家共同努力。