巡回护士掌握天玑机器人辅助脊柱手术设备操作技能的学习曲线
巡回护士掌握天玑机器人辅助脊柱手术
设备操作技能的学习曲线
姚轶超，张麒*，滕海茂
保定市第一中心医院，河北 071000
Learning curve for itinerant nurses to master the equipment operation skills of TiRobot⁃assisted spinal surgery
YAO　Yichao, ZHANG　Qi, TENG　Haimao
Baoding First Central Hospital, Hebei 071000 China
Corresponding Author ZHANGQi,E⁃mail:****************
Keywords    TiRobot； itinerant nurse； spine operation equipment； learning curve； nursing
摘要目的：探讨手术室巡回护士掌握天玑机器人辅助脊柱手术设备操作技能所需的最少操作例数，为制定配合此类手术护士的资格准入标准及技能培训提供依据。方法:9名手术室巡回护士以脊柱模具为工具
独立进行机器人设备模拟操作，每人共计操作16例。记录其设备准备及导线连接耗时、图像采集及传输耗时、手术置钉规划耗时、机器人运行耗时4个评价指标，并使用累积和分析法分别绘制个体学习曲线与总体学习曲线。结果：个体学习曲线斜率开始降低的操作例数为3~11例，总体学习曲线斜率开始降低的操作例数为8例。4个操作阶段中学习曲线开始降低的例数分别为第5例、第8例、第11例、第3例。结论：巡回护士要掌握天玑机器人辅助脊柱手术的设备操作技能至少需要操作8例。其中，图像采集及传输部分与手术置钉规划部分是操作技能的难点，需要在今后的培训中引起重视。
关键词天玑机器人；巡回护士；脊柱手术设备；学习曲线；护理
doi:10.12102/j.issn.1009-6493.2023.17.028
人工智能化技术目前广泛应用于医疗行业领域[1⁃2]。外科机器人手术的开展符合手术微创化、精准化的发展方向[3]。天玑骨科机器人辅助系统（以下简称机器人）是我国天智航公司自主研发的一款骨科机器人，可应用于脊柱、四肢、骨盆等部位手术，具有降低术中辐射量、定位准确、切口微创等特点[4⁃5]。机器人手术的开展对手术室护士提出了更高的配合要求。在机器人辅助脊柱手术中，设备准备及导线连接、图像的采集及传输、在手术医生的指挥下进行手术置钉的规划操作以及执行机器人机械臂运动等工作往往由巡回护士完成，因此，巡回护士对机器人设备操作技能的熟练程度对该类手术的顺利进行有较大的影响。机器人设备操作技能的学习是一个逐步摸索、改进、提高、熟练、稳定的学
习过程[6]，使用累计和分析法（cumulative sum analysis,CUSUM）可以量化学习过程，精准确认跨越学习曲线的水平[7⁃8]。本研究应用CUSUM法绘制巡回护士掌握机器人辅助脊柱手术设备操作技能的学习曲线，探讨巡回护士掌握机器人设备操作技能需要的最少操作例数，为今后制定手术室护士配合骨科机器人手术资格准入和技能培训提供参考依据。
1 对象与方法
1.1　研究对象
  于2022年4月—6月选取9名手术室护士为研究对象。纳入标准：本科及以上学历；护师及以上职称；参加手术室工作≥5年；接受天玑骨科机器人厂家培训，通过科室理论考核；同意参加本研究。
1.2　研究方法
　科室成立项目考评小组，小组成员包括2名熟练掌握机器人操作的专业组护士和1名副高级职称骨科医生。考评小组成员设定各阶段所完成工作的质量评
·综合研究·
基金项目保定市科技计划项目，编号：2141ZF067
作者简介姚轶超，主管护师，硕士
通讯作者张麒，E⁃mail：****************
引用信息姚轶超，张麒，滕海茂.巡回护士掌握天玑机器人辅助脊柱手术设备操作技能的学习曲线[J].护理研究
,2023,37(17):3192⁃3196.
价标准并且告知研究对象（见表1）。骨科医生负责指导研究对象完成相应椎体的手术规划。研究对象在手术室机器人手术间使用相关设备及可透视脊柱模具按照项目要求进行模拟操作。研究共进行8周，每周抽取1 d开展2次项目试验。每次试验中每名成员依抽签顺序按照全部操作程序独立完成2次机器人设备操作。每名研究对象在项目结束时，共进行16次独立操作。考评小组成员使用秒表记录每名研究对象每阶段操作所耗费的时间。
1.3　累积和评价指标的设立和量化
　在累积和分析中，学习曲线的计算公式为δ=X i-X0。δ为评价指标的量化值，X0为评价指标所设目标
值的失败率，X i为研究对象每次操作是否达到目标值的情况，当达到目标值时X i=0，当未达到目标值时X i=1。目标值及其失败率的设定有以下几种方法：1）国内外文献报道；2）相关专科领域专家的统一意见；3）基底数据或者技能熟练掌握者的平均水平[9]。经查阅文献及厂家培训资料，未发现各项操作的标准完成时间，因此本研究采用本科室技能熟练者的平均水平为基线。根据天玑骨科机器人辅助脊柱手术的手术步骤，将巡回护士操作骨科机器人的工作内容分为4个阶段。1）第1阶段为设备准备及导线连接用时（δ1）：指巡回护士将骨科机器人术中所使用的C型臂透视机、光学追踪系统、主控台车、机器人机械臂依据相应规定完成连接并按照正确的顺序开启各设备电源，然后将相应设备推入指定预设位置所耗费的时间。经过对操作熟练者平均操作时间及失败率的测量，本阶段操作目标时间3 min，失败率为5%。2）第2阶段为图像采集及传输用时（δ2）：指在主控台车完成病人注册及示踪器选择，使用C型臂机3D模式完成脊柱模具环形扫描，并将采集图像传输至主控台车所耗费的时间。目标时间3 min，失败率10%。3）第3阶段为手术置钉规划用时（δ3）：指在骨科医生指导下完成腰1~腰5腰椎螺钉的规划所耗费的时间。目标时间5 min，失败率为10%。4）第4阶段为机器人运行耗时（δ4）：指依据规划方案运行机器人机械臂依次移动至指定位置（若运行过程中光学导航相机无法跟踪机械臂示踪器，应及时调整光学导航相机位置），撤离机械臂，完成折叠归位所耗费的时间。目标时间3 min，失败率为5%。每名研究对象每次操作的量化值为4个阶段得分的总和，即Σ=
δ1＋δ2＋δ3＋δ4。累积和的计算为S i=∑j=1i(x j-x0)。
1.4　学习曲线的绘制
　应用SPSS 20.0统计软件进行数据分析，分别刻画个体学习曲线、总体学习曲线、总体各阶段学习曲
表1　天玑机器人辅助脊柱手术巡回护士设备操作考核表
操作阶段第1阶段
第2阶段
第3阶段第4阶段
操作要求及标准
设备准备及导线连接阶段：将所用仪器推至指定位置。导航相机置于手术床头侧。机器人机械臂置于手
术床右侧。C型臂透视机从手术床左侧进入。主控台车置于手术床头侧右前方。依次连接导航相机控制
线⁃主控系统控制线⁃DICOM网线⁃机械臂电源线⁃主控台车电源线⁃C型臂电源线。连接完成后，依次打开
机械臂电源开关⁃机械臂系统开关⁃主控台车电源开关⁃主控台车电脑开关。登录普通账户。选择相应型号
的机械臂示踪器。机械臂预设位置调至“左侧标尺位”
图像采集及传输阶段：将机械臂落地锁定后在机械臂示踪器远端连接定位标尺。将C型臂透视机从手术
床左侧推入。依照正位⁃侧位⁃3D模式的顺序采集图像。正位、侧位采集图像时，确保所有标记点在图像范
围内。正侧位采集成功后，进行C型臂三维扫描。注意在采集图像的过程中，模具示踪器、机械臂、模具均
不能有任何移动，否则，需要重新采集图像。图像采集成功后，从C型臂控制台上选择采集的3D图像，传
输至机器人主控台车。传输过程中保证软件界面上的两个示踪器颜为绿，即光学追踪器对示踪器为
可视状态
手术置钉规划阶段：在医生的指导下对腰1~腰5椎体进行螺钉规划。将选择好的椎体调至适合进行螺钉
规划的矢状面与横断面。矢状面规划螺钉进钉的高度，横断面规划螺钉进钉的角度。规划完成后点击“添
加规划”，进行下一个椎体的规划，共规划10枚螺钉
机器人运行阶段：完成所有螺钉规划后，将机械臂末端的定位标尺替换成导向器。运行螺钉规划之前点击
“模拟”，显示运动路径，确认安全后点击“确定”，执行运动路径。运行到指定位置，微调至误差小于0.5 mm，
停留3 s后，进行下一步螺钉规划路径。在机械臂运行的过程中，若示踪器无法被跟踪，需要手动调整导航
相机位置，直至机械臂示踪器与模具示踪器都显示为绿方可继续运行。所有螺钉规划执行完成后，将机
械臂撤出
标准用时
3
3
5
3
线。制作散点图，横坐标（X轴）代表操作例数，纵坐标（Y轴）为累计和值S i。使用曲线拟合方法描述X轴与Y轴的曲线函数关系，由曲线拟合决定系数（R2）评价曲线拟合效果。根据曲线函数计算学习曲线斜率K，K=0时所对应的X值即为曲线峰值。曲线峰值后第1个X 值为研究对象掌握该技能需要的最少操作例数。2 结果
2.1　个体学习曲线
　当学习曲线K值=0时，曲线峰值后第1个X值即为该研究对象掌握该技能的最少操作例数。9名研究对象个体学习曲线图斜率K值降低时对应的手术例数见表2。
2.2　总体学习曲线
　X轴为总体学习曲线操作次数，Y轴为所有研究对象每次操作的累积和值。总体学习曲线拟合函数公式为Y=0.048X3+1.681X2+16.684X+20.670，R2=
0.932 6，曲线拟合良好。计算该曲线斜率值得出，第7次操作时，曲线斜率K=0。因此，8例操作为研究对象掌握机器人设备操作技能的最低操作例数。见图1。
2.3　总体各阶段学习曲线
　分别绘制总体各阶段学习曲线图。X轴为各阶段学习曲线操作次数，Y轴为所有研究对象每阶段操作的累积和值。总体各阶段学习曲线拟合函数见图2~图5。由拟合函数计算曲线斜率值可知，在4个阶段操作过程中，斜率开始下降的例数分别为第5例、第8例、第11例、第3例。
表2　研究对象基本资料及学习曲线K值降低时对应的手术例数
序号1
2
3
4
5
6
7
8
9年龄（岁）
40
29
34
31
28
27
34
28
35
性别
女
女
男
女
男
男
男
女
男
职称
主管护师
护师
主管护师
主管护师
护师
适合护士发的朋友圈
护师
主管护师
护师
主管护师
工作年限（年）
18
7
10
9
5
5
10
6
12
斜率K降低时对应的操作次数（次）
11
9
7
8
7
7
3
9
6
图1
　研究对象总体操作技能
图2　研究对象第1
阶段学习曲线
图3　研究对象第2阶段学习曲线
3 讨论
学习过程是一种经过多次反复的练习而改变行为的过程，任何一种重复性手工操作都存在学习的现象[10⁃11]。学习是有规律可循的，有学者将操作时间随
着经验的增加而减少的规律称为“学习曲线”[12]。累积
和分析法是由剑桥大学Page 教授于1954年首先提出，是质量管理体系认证（ISO ）推荐的数理统计方法之一，目前广泛应用于临床操作技能和外科手术学习曲线的研究中[13⁃14]。累积和控制图能够将学习过程中的波动累加起来以达到放大的效果，能够及时检测出发生异常的数据点。外科机器人作为一种现代化医疗设备的引入，对手术室护士提出了更高的要求，相比于传统的护理技能操作，如何更好地通过操作机器人设备从而达到精准配合外科手术是手术室人员需要思考的问题。天玑骨科机器人系统使用设备多，操作复杂，且大部分操作过程都需要巡回护士在医生的指导下完成。因此，对设备的熟悉程度和操作的熟练程度将极大地影响手术进程。巡回护士在进行机器人操作时会经历探索、提高、熟练、稳定等过程。本研究中将机器人整个手术流程的巡回护士操作过程进行梳理，最终划分为设备准备及导线连接阶段、图像采集及传输阶
段、手术置钉规划阶段、机器人运行阶段4个阶段。
通过对9名研究对象个体学习曲线研究发现，个体之间熟练掌握相应操作技能所需要的最少操作例数差异较大。研究对象1学习曲线K 值开始降低时的例数为第11例，而研究对象7学习曲线K 值开始降低时的例数为第3例。同时发现，女性护理人员相较于男性护理人员，需要更多的操作例数来掌握该项操作技能。通过对每个个体学习曲线的研究发现，在第2阶段与第3阶段，即图像采集及传输阶段与手术置钉规
划阶段，是男性护理人员与女性护理人员产生差异的主要阶段。这可能有以下几个原因：1）女性较男性力气小，在操作C 型臂等大型设备时较费时；2）男性较女性对于机器人设备的理解、操作等方面有更好的敏锐性；3）男性护理人员往往配合骨科手术较多，对于解剖及手术的掌握程度可能优于女性护理人员，因此在主控台车上进行手术规划时，在脊柱三维图像矢状面与横切面的平面选择以及螺钉规划阶段耗时更少。
通过对总体学习曲线的研究发现，在总体研究对象进行第8例操作时，学习曲线K 值开始呈下降趋势，曲线开始呈现平缓状态，学习过程进入稳定期，说明总体研究对象已经跨越学习曲线，进入相对熟练的阶段。对于各个阶段的学习曲线研究发现，4个阶段的K 值出现拐点的例数分别为第5例、第8例、第11例、第3例，说明在4个阶段的学习过程中，图像采集及传输阶段与手术置钉规划阶段是较难掌握的
部分。通过与研究对象的交流发现，这两个阶段的难点在于：1）在使用C 型臂透视机进行脊柱模型正、侧位图像的采集过程中，需要反复调整C 型臂透视机、脊柱模型、机械臂定位标尺的位置关系，难以一次成功；2）在主控台车接收到的三维图像上规划螺钉时，无法快速、准确地调整到适合进行螺钉规划的矢状面与横切面；3）规划螺钉时，对于矢状面螺钉进钉的高度及横切面螺钉进钉的角度需要反复调整。提示手术室管理者及机器人厂家培训人员，在今后的培训中，可结合图片、视频、反复模拟操作等方式对上述部分进行重点讲解，有的放矢地开展相关培训，以缩短手术室护理人员的学习时间[15]。4 小结
综上所述，手术室巡回护士掌握天玑骨科机器人辅助脊柱手术操作技能的最少操作例数为8例。其中，机器人手术的图像采集及传输部分与手术置钉规划部分是巡回护士较难掌握的部分，在今后的培训过程中应引起相关人士的重视。本研究的不足之处在于，受病人数量的限制，
本项目是基于脊柱模具模拟手
图4　研究对象第3
阶段学习曲线
图5　研究对象第4阶段学习曲线
术条件下的研究。虽然与实际的手术过程有一定的出入，但巡回护士对于机器人设备的操作步骤是高度一致的。在实际的手术过程中，由于病人脊柱本身的变异性及周围机体组织的影响，C型臂透视机采集到的脊柱三维图像质量可能比模拟条件下采集到的图像质量更差，因此，图像的辨识难度和螺钉的规划难度更高。但是总体来讲，通过模拟条件下的集中操作学习从而缩短操作间隔时间，能够帮助学习者更好地理解、记忆与熟悉机器人操作流程，对掌握相关技能起到积极的作用[16]。
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（收稿日期：2022-10-19；修回日期：2023-06-06）
（本文编辑崔晓芳）

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