机器人辅助全膝关节置换术设计结合3D打印高仿真教学模型模拟手术在研究生教学中的应用

黄 莹，罗文浩，范 彧，林 进

(1.中国医学科学院 整形外科医院 耳再造中心，北京 100144；中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院 2.基本外科； 3.骨科，北京 100730)

临床实践教学是医学教育中的重要环节，外科学研究生必须在实践中不断积累经验、深入了解手术设计原理、熟练掌握专科手术技能，才能蜕变成合格的临床医生。但临床实践本身具有一定的风险性，在如今患者自我保护意识强化、医患关系敏感化、手术室资源应用尽可能最大化的背景下，以患者为对象直接进行临床技能训练的传统教学模式已经难以满足需要[1]。近年来，随着医学影像学、3D打印等技术的发展，模拟教学逐渐成为传统教学模式的重要补充[2]。

全膝关节置换术(total knee arthroplasty, TKA)是终末期膝关节病变的重要治疗方式，旨在帮助患者恢复日常活动、提高生活质量。仅在2018年，我国开展的TKA就超过了25万例[3]。膝关节作为人体负重最大的关节，其复杂的解剖学、运动学、生物力学及组织工程学构造一方面对术前计划精确度要求高，另一方面也决定了重建术“操作难度大”的特点。传统TKA手术设计依赖于X线片，术者的经验性判断十分重要，临床教学难度大。因此，研究生在临床教学中经常反映对于手术设计和空间解剖理解困难，而且动手机会很少，技能提高慢。目前尚无针对此项手术的模拟设计系统，且常规假骨教具仿真程度差，解剖标志不明显，不能满足临床教学的需要。

机器人辅助全膝关节置换术(robotic-arm assisted total knee arthroplasty, RA-TKA)是借助医学成像、计算机和手术机器人等技术完成膝关节置换的术式。术者在术前根据CT等影像检查结果建立三维模型并进行立体规划，将力线角度和截骨量这两个最重要的指标数字化，可模拟截骨、假体置入、畸形矫正等，从而指导手术计划，在术中通过识别人工植入的解剖标记点进行实时成像，导航手术操作[4]。研究生在规划过程中可以全方位、直接地观察每一步骤的下肢骨骼，尤其是膝关节，有助于快速理解、掌握手术设计理念。同时可以将重建的下肢骨骼通过3D打印而得到高仿真假骨，配合厂家操作器械提高手术技能、积累经验。

1 结合RA-TKA和3D打印进行教学实践设计

首先，获取患者膝关节的CT数据，将其导入专业软件并完成患者下肢影像的三维重建。其次，设计截骨量并选择合适的假体型号等，制定具体手术方案(图1)；并且根据患肢及假体的模型数据和参数，3D打印尼龙材质的高仿真假骨模具，高度还原人体骨骼细微结构，最大限度地模拟截骨操作手感(图2)。最后，完成模具和计算机成像的空间配准，在实时成像、计算机导航下借助手术机器人在假骨模具上完成精细的手术操作(图3)。

图1 3D假体模型规划设计Fig 1 Design of 3D prosthesis mold

图2 3D打印高仿真下肢假骨教学模具Fig 2 3D printed high simulation of lower limb prosthetic bone teaching mold

图3 临床教学实践流程Fig 3 Practice process of clinical teaching

2 机器人TKA手术高仿真假骨模具教学实践

借助患者下肢长骨CT和三维重建，3D打印高仿真的股骨和胫、腓骨模型，固定于全膝人工关节置换手术体位，按照RA-TKA软件中的术前设计，先进行患者的信息匹配(术前准备)，然后在股骨和胫骨安装带有被动反射标记球的定位架，并用尖探针点击膝关节关节面及周围和胫骨特征解剖标志，完成模型骨与电脑中CT重建图像的空间配准。而后将机械臂摆放到预设平面，术者操纵机械臂进行模拟手术。与此同时，通过机器人电脑屏幕可以观察、指导操作(图4)。

3 机器人TKA手术操作教学考核

后期，除了通过传统理论考试评估学生对膝关节解剖、TKA手术设计原理、手术基本指标等方面的掌握情况，还可以借助RA-TKA系统、3D打印模具实际考察学生的学习情况，与传统TKA手术教学对比，形成反馈体系(表1)。

4 RA-TKA联合3D打印在教学中的优势

4.1 提高骨科外科教学效率

通过RA-TKA术前重建立体化、截骨量和力线角度数字化，帮助学生全方位、多角度、更直观地学习膝关节解剖，进而掌握手术设计原理。另外，3D打印高仿真骨关节模型可高度还原RA-TKA实际操作环境，除了在一定程度上解决临床实际操作机会少、风险大的问题，也提供了较为可靠的考核方式。

4.2 改革创新TKA教学模式

结合机器人辅助系统、计算机系统，该教学实践可以为搭建数字化、标准化TKA教学平台奠定基础。

图4 机器人TKA手术高仿真假骨模具教学实践Fig 4 Teaching practice of RA-TKA surgery on simulation of prosthetic bone mold

表1 机器人TKA手术操作培训考核标准Table 1 Assessment criterion of RA-TKA operation training

在计算机系统中利用录入的临床患者信息建立教学病例库，结合临床实际情况、各方意见完善考核制度和反馈体系，从而进一步优化TKA教学模式。

4.3 设计方案可行有效

近年来，模拟教学广泛应用于各个医学学科教学，其可行性和有效性被不断验证[5-7]。有系统评价表明[8]，绝大部分骨科手术相关的模拟教学都能够提高学者的操作能力。比较具备技术基础的住院医师和零基础的初学者在膝关节镜模拟训练中的学习曲线，发现初学者的学习曲线更加陡峭、技术进步更加明显[1]。由此，在研究生阶段开展新型TKA模拟教学，效果值得期待。从学习的主观能动性方面，与传统教学模式相比[2]，学生参与模拟教学和训练的意愿更加强烈。但亦有研究认为，学生在模拟教学中所学技能能否高效转化为实际临床场景应用仍有待验证[9]。本文中提出的教学模式是结合医学影像技术、计算机技术等进行理论和实践融合教学的新模式，较既往研究中的模拟教学更贴合实际临床诊疗过程。从该教学模式的设计理念出发，结合已有的相关研究，考虑其具有一定的可行性和有效性，但仍需要前瞻性对照实验加以验证。

4.4 课程设置及考核方式革新

明确的教学目标、合理的课程设置、有效的考核方式对模拟教学的发展至关重要[10-11]。但是，目前尚无模拟教学课程设置方面的高质量指南或共识可供参考，相关考核的效度亦有待研究[9]。本文提出的教学模式具备明确的目标，构建了结合RA-TKA和3D打印技术进行操作考核的评价体系，相比于传统教学和考核方式，模拟教学目的性强、创新性强，旨在更真实地反映学生的学习情况和临床引用能力，这对于评价教学成果、反馈改进十分重要。但是，未来仍需要更多研究来验证该课程设置和考核制度的优越性。

4.5 同时提高技术及非技术性能力

目前，本研究探讨的教学模式侧重于研究生的TKA相关理论学习、技术性训练和考核。有研究表明[12]，模拟教学能够提高学生的临床自信心，这对医学生的成长至关重要。除此之外，团队协作、沟通策略等非技术性能力会影响技术性表现，亦是影响手术安全性和患者预后的重要因素[8, 13-15]。在初步验证其有效性后，亦应考虑在该教学模式中融入非技术性能力培养的相关内容，以提高年轻一代骨科医生的综合素质。

4.6 增加成本效益

外科手术模拟训练涉及较高的成本，包括手术机器人、专业计算机设备、3D打印高仿模具、教学场地等硬件配置，专业指导师培训和学者的学习时长等软性投入[8, 16]。利用RA-TKA系统和3D打印技术为学者提供操作训练机会，旨在通过提高学者专业能力和其实际进行TKA手术的安全性，从而降低因操作失误、延长手术时间等造成的损伤、感染等风险，以期增加广大患者获益。然而，目前关于模拟教学的成本效益研究有限，本文教学模式的成本效益有待进一步研究。

5 展望

未来，可结合新技术发展、临床需求、学生意见、考核结果、学术交流等，不断完善该教学模式的细节设定。并且，适时推动各医学院校合作，或向具有一定基础的骨科医生开放学习机会，充分发挥学生基数优势，通过高质量对照研究解决争议问题，推动关节外科教学体系革新，培养综合性医学人才。最终，通过新型教学模式可高效推广RA-TKA等相关技术，造福更多的患者。

6 结语

医疗环境复杂化带来了挑战，科技进步带来了机遇，RA-TKA手术设计结合3D打印高仿真教学模型模拟手术的新型教学模式即是两者作用下的产物。通过将教学内容形象化、数字化、标准化，有望提高骨科膝关节重建术的教学效率，为全面革新外科手术教学奠定基础。医学教育同道们应积极合作，推动相关对照研究的开展，以解决成本效益等争议问题，促进医学教育发展，为患者提供安全、有效的治疗。