小儿泌尿外科手术的模拟训练（3D打结模拟）

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El-Gohary, Y., Syed, S., Turner, A.M., Subramaniam, R. (2022). Simulation in Pediatric Urology. In: Biyani, C.S., Van Cleynenbreugel, B., Mottrie, A. (eds) Practical Simulation in Urology . Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-88789-6_27

小儿泌尿外科模拟

基于模拟的手术培训被定义为一种教育技术，允许受训者在患者安全的环境中进行互动表演，模仿虚拟临床场景。手术培训模拟器是工作场所培训的有用补充，有助于在患者安全的环境中减少学习曲线。它用于腹腔镜、内窥镜和机器人辅助手术，以建立资格认证、推进技能发展，并进一步推进微创手术领域。尽管由于许多原因，儿童机器人手术落后于成人手术，但它现在越来越多地被小儿外科医生使用，特别是在泌尿外科，用于各种儿科泌尿科疾病，用于多种诊断和治疗目的。

27.1简介

手术模拟是一种教育技术，允许受训者在患者安全的环境中进行互动表演，从而重现虚拟临床场景。它已经在航空和军事等几个非医疗行业得到了很好的应用[ 1 ]。

在过去的几十年里，外科培训发生了翻天覆地的变化，从有时限的学徒模式转变为以能力为基础的培训。各种技术和非技术技能的获得导致人们从手术室转向手术技能实验室。这是通过基于模拟的教育实现的，该教育已被纳入各级外科培训。因此，手术技能不再仅仅在手术室中获得，有几个平台可以帮助进一步的手术教育。这些平台包括在线模拟、虚拟现实培训师、基本手术技能课程和腹腔镜工作台培训师。

在手术室和患者床边进行的传统学徒培训取决于在医院环境中花费的时间长短。然而，北美对外科实习生的工作时间限制以及 2009 年欧洲工作时间指令在欧洲的实施，可以说是在减少外科实习生暴露于指示病例和丧失护理连续性方面提出了一系列新挑战。2 ]。有人认为，外科教育中的模拟有助于学员在处理较小的病例时获得必要的技能，从而规避这些工作时间限制 [ 1 , 3 ]。模拟器可以随时使用，与患者接触不同，它们可以灵活地进行训练。

小儿泌尿科是最早在腹腔镜、腹腔镜和机器人手术中采用先进手术技术的亚专科之一。但是，有一些模拟工具适用于小儿泌尿外科。技术技能的掌握至关重要，因为缝合材料更精细，目标器官更精细，最重要的是，手术空间更小。因此，小儿泌尿外科微创手术的模拟培训至关重要，因为它一直处于泌尿外科和侵入性外科手术的新兴技术的最前沿 [ 4 ]。

27.2腹腔镜手术模拟训练的历史

1990 年代从开放手术到腹腔镜手术的逐渐转变代表了手术创新和进步的巨大飞跃。这是由于外科医生强烈希望改善患者预后和患者安全。然而，这给外科医生带来了一系列独特的挑战，因为腹腔镜手术涉及的技能与开放手术完全不同。这包括触觉反馈的丧失、手眼协调的改变，以及由于腹腔镜器械放大小动作而需要精细运动技能。这些技能可以通过在与患者接触前进行模拟来实现 [ 5]。第一个膀胱镜通过腹壁用于人体，1910 年发表了一份报告，但直到 1987 年才进行了第一个视频腹腔镜胆囊切除术 [ 6]。这种早期、缓慢的腹腔镜发展步伐主要与技术和培训的局限性有关。复杂腹腔镜手术最重要的技术进步将是视频腹腔镜的出现。美国胃肠和内窥镜外科医生协会 (SAGES) 认识到腹腔镜手术的价值。因此，他们于 1997 年启动了腹腔镜手术基础 (FLS) 计划，以满足对腹腔镜手术基本原理和基本技能进行正规教育的需要。FLS 是一个基于网络的综合教育模块，包括通过腹腔镜培训师和评估工具进行的动手技能培训组件，旨在教授基本腹腔镜手术所需的生理学、基础知识和技术技能[7、8、9 ]。_ _ _ 在 FLS 计划之前，学习腹腔镜手术技术对许多外科医生来说是一件随意的事情。

美国外科学院于 2005 年共同赞助了 FLS 项目。此后，已有 30 多个国家购买了 FLS 在线教学和 FLS 培训系统，来自 20 多个国家的外科医生参加了 FLS 考试 [ 9 ]。2008 年，美国外科委员会要求所有寻求委员会认证的普通外科住院医师通过 FLS 考试才有资格参加普通外科资格考试 [ 9 ]。因此，FLS 为北美的外科住院医师教育创建了外科培训的标准化验证，并已被证明可以预测手术表现 [ 10 ]。SAGES 随后介绍了内窥镜手术基础 (FES)，这是一个以 FLS 内窥镜培训为蓝本的计划 [ 11]。现在还要求外科实习生在 2018 年获得董事会认证之前进行这项工作 [ 11 ]。FLS 和 FES 计划都作为模型创建基于模拟的工具来教授技能和评估手术学员的能力，提高手术教育的质量，并提高患者的安全性。

27.3 3D打印

需要体内缝合的最常见的儿科泌尿外科手术是肾盂成形术。这种特定的技能可以通过腹腔镜台式培训师和 FLS [ 5 ] 等项目来解决。然而，已经出现了其他技术，以在泌尿外科培训中以三维 (3D) 打印的形式模拟组织处理和操作，并获得了发展势头 [ 3 ]。解剖模型通过 CT 或 MRI 成像获得，然后使用各种材料通过逐层技术构建为 3D 模型。该模型已用于腹腔镜肾盂成形术和其他儿科泌尿外科手术，如经皮肾镜取石术、部分肾切除术和输尿管膀胱吻合术 [ 3]。Cheung 等人开发了用于腹腔镜肾盂成形术的 3D 模拟器打印和硅胶模型。并证明了儿科泌尿科研究员及其顾问之间的有效性（图27.1和27.2）[ 12 ]。已经为儿科泌尿外科学员提出了相同的模型来进行部分和根治性肾切除术 [ 12 ]。

图 27.1

3D 打印和硅胶肾盂成形术模型。上覆腹膜 ( a) 标有使用 FLS 训练器暴露的肾盂 (b) 并在体内完成吻合 (c)（Journal of Surgical Education 版权许可）

图 27.2

通过将 3D 打印与 MRI、2D 和 3D 超声等患者成像相结合创建的硅橡胶肾脏模型（Journal of Surgical Education 版权许可）

小儿泌尿外科的另一个标准程序是经尿道导管插入术。然而，尿道外伤最常见的原因之一是不当导尿造成的医源性损伤 [ 13 ]。不正确的 Foley 导管插入也会导致尿路感染，从而导致尿毒症和败血症。通过 3D 打印模型进行的模拟提供了对移动硅胶外生殖器的更逼真的操作 [ 14 ]。它是一个有用的工具，特别是对于初级医生和本科医学生来说，它提供了带有触觉反馈的逼真模拟。这使受训者对经尿道导管插入术更有信心，而不会因为第一次在真实患者身上进行手术而增加压力。

27.4虚拟现实模拟

机器人在小儿泌尿外科的应用正在增加，许多人认为机器人手术是微创手术的下一个发展方向之一。儿科泌尿外科的一些外科手术使用机器人手术，例如肾盂成形术、输尿管再植、米曲凡诺夫创造和半肾切除术 [ 15 ]。有些人甚至展示了机器人辅助小儿腹腔镜肾盂成形术如何始终比传统腹腔镜手术时间更短 [ 16]。机器人技术最吸引人的方面在于其支持能力，允许外科医生执行优于传统腹腔镜仪器能力的手术。改进的灵巧性和先进的缝合技能使其对任何外科医生都非常有价值，尤其是在漫长而复杂的手术任务中。随着技术进步、更小的端口、更小的仪器、更小的机器人和更大的运动范围，它成为儿科外科实习生的标准化教学只是时间问题。缺点是使用很少数据的机器人来支持其完全具有成本效益的成本效益。为了帮助降低成本，15 ]。当前的机器人手术时代与 20 世纪初的腹腔镜手术非常相似。它将很快效仿 FLS 和 FES，为寻求外科委员会认证的外科实习生提供标准化和经过验证的机器人培训课程。培训的发展和新技术进步的未来发展将确保这一点。

由于大多数机构负担不起专门用于培训的机器人，因此假设培训下一代机器人外科医生的最佳方法是通过虚拟现实模拟器 [ 17 ]。这是通过基于计算机的平台和人工生成的虚拟环境来实现的，这些虚拟环境向外科医生提供统计反馈。最常用的系统是来自 Intuitive Surgical, Inc. 的 da Vinci® Surgical System，它由两个主要组件组成；一个主控台和一个从属机器人 [ 17]。主控制台由外科医生操作，外科医生控制从属机器人对患者执行必要的动作。有多种虚拟现实训练器可用于机器人平台，包括 SEP Robot（SimSurgery，奥斯陆，挪威），机器人手术模拟器（RoSS；Simulated Surgical Systems，Buffalo，NY），dV-Trainer（Mimic Technologies, Inc.，西雅图，WA )、 ProMIS®（Haptica，爱尔兰）和 da Vinci Skills Simulator® [ 17、18 ]。所有这些都可用于认证机器人手术，并经过验证可用于儿科泌尿外科培训 [ 19]。这些虚拟现实模拟器的缺点是它们只测试通用任务，例如组织操作、缝合、手眼协调、解剖和打结。对特定程序的培训将是实现关键步骤的奖励。最近，一种专门用于机器人辅助根治性前列腺切除术的虚拟现实模拟器培训已被开发为外科教育中的一种新工具 [ 20 ]。这是使用 RobotiX Mentor® (3D Systems; Simbionix Products, Cleveland, OH, USA) 完成的，这是一种机器人手术虚拟模拟器，已开发用于使用 da Vinci® 手术系统（Intuitive Surgical，Sunnyvale，CA，USA）培训外科医生[ 20 ]。

在儿童中执行机器人程序的关键步骤之一涉及机器人的正确对接、端口放置和手臂定位 [ 15 ]。需要大约 30 个案例的学习曲线来证明机器人辅助儿科泌尿外科手术的学习和维护阶段之间的时间在统计学上显着减少，从而有助于降低成本 [ 21 ]。这包括正确的端口位置放置，如下图所示（图27.3、27.4和27.5 ）。

图 27.3

用于右侧肾盂成形术的机器人端口放置。如果进行左侧肾盂成形术，则将 8 mm 髂窝工作口放置在左侧髂窝中。对于小于 2 岁的患者，髂窝端口放置在更靠近中线的内侧。相同的端口位置可用于半肾切除术

图 27.4

用于输尿管再植入的机器人端口放置

图 27.5

用于 Mitrofanoff 创建的机器人端口放置，出口位置位于 VQ 塑料标记处

Chowriappa 等人。使用虚拟模拟器观察尿道 - 膀胱吻合术，将受训者随机分为两组：执行基于程序的虚拟现实训练的干预组和对照组。虚拟现实训练组比对照组取得了更好的表现和更高的分数[ 22 ]。这也得到了另一组的支持，他们表明，在尿道-膀胱吻合虚拟现实模型中进行 5.5 小时的模拟训练，可以显着改善专家和新手外科医生的学习曲线 [ 23 ]。

27.5在线模拟

已经开发了一个在线教育模块，以帮助协调所有外科手术室工作人员，包括顾问外科医生、泌尿外科实习生、循环护士和外科技术人员，在儿科机器人辅助腹腔镜肾盂成形术期间。这是因为有效和高效地执行儿科机器人手术需要一个统一的团队方法。该模块通过计算机增强视觉学习 (CEVL) 提供，允许用户识别他们何时获得了在手术室中发挥作用的基本知识 [ 24]。为所有外科手术室工作人员提供共享的在线互动学习，以便在手术病例之前和同时使用，将允许有效的团队合作，从而加强患者护理。这同样被应用于为儿科泌尿科研究员创建内窥镜肉毒杆菌注射液的在线学习互动培训，其中包括关于肉毒杆菌毒素*过程的旁白视频 [ 25 ]。

27.6基于过程的仿真和低成本选项

基于程序的模拟允许学员在模拟环境中执行部分或整个外科手术。理想情况下，这是在尸体或动物模型上进行的，但由于伦理和财务限制，这是有限的。因此，已开发出合成工作台模型来模拟特定器官。一个这样的例子是由 Millan 等人开发的腹腔镜输尿管再植入模型。2018 年，采用 Lich-Gregoir 技术进行小儿输尿管再植术 [ 26 ]。使用可重复使用和一次性材料，学员可以练习膀胱外输尿管解剖，然后在逼尿肌分裂后暴露黏膜，然后将输尿管重新植入新的隧道，最后重新逼近和缝合逼尿肌（图27.6 ）和27.7 ) [ 26 ]。输尿管再植模型中的手术参与者认为这种技术不常用 [ 26 ]。

图 27.6

采用 Lich-Gregoir 技术的腹腔镜输尿管再植模型。切开腹膜（IOBAN™ 布单）以识别远端输尿管，分离并朝膀胱输尿管交界处解剖 ( a)。逼尿肌（聚氨酯泡沫的椭圆形袋）用剪刀分开，直到粘膜（水球）暴露（b）（儿童泌尿学杂志版权许可）

图 27.7

Lich-Gregoir 技术的腹腔镜模型。完成解剖后，在输尿管周围向膀胱顶部放置一条固定缝合线。输尿管被引入新创建的隧道 ( a)。逼尿肌用 3 到 4 次间断的体内缝线重新逼近 (b)（版权许可来自《儿科泌尿外科杂志》）

腹腔镜肾盂成形术的出现减少了 1 岁以上儿童开放手术的病例量。由于工作空间更小、缝合线更精细以及需要提高手术灵活性，输尿管盆腔交界处的开放式手术带来了独特的挑战。因此，法国的一个小组开发了一种低成本模型，用于肢解 Anderson-Hynes 开放式肾盂成形术 [ 27 ]。模拟器的结构需要以下材料：A4 牛皮纸信封、60 mL 导管尖端注射器、充满 30 mL 空气、260 造型气球（模拟输尿管）、11 英寸派对气球（模拟扩张的肾盂）、强力胶、永久性标记和胶带（图27.8）。该小组展示了这种用于开放肢解肾盂成形术的低成本模拟器的面部验证（图 2）。27.9 )。作者提出这是一种用于输尿管盆腔交界处教学和培训的教育工具 [ 27 ]。与成本 650 美元的腹腔镜肾盂成形术模拟模块（Simulab Corporation，西雅图，WA）或技能实验室的动物模拟器相比，该模型非常有吸引力，如果包括兽医技术人员和支持人员，成本可能会令人望而却步。27 ]。其他作者描述了使用猪膀胱作为腹腔镜肾盂成形术的模拟器来训练单结运行缝合吻合术 [ 28 ]。该模拟器的吸引力在于它提供了逼真的模拟，而无需借助活体动物。

图 27.8

用于肢解 Anderson-Hynes 开放性肾盂成形术的低成本模拟器模型的组件。这包括：A4 牛皮纸信封、装有 30 mL 空气的 60 mL 导管尖端注射器、260 造型气球、11 英寸派对气球、强力胶、永久性记号笔和胶带（Journal of Surgical Education 的版权许可）

图 27.9

使用廉价组装组件进行肢解的 Anderson-Hynes 开放式肾盂成形术的主要步骤。肾盂成形术模型组装（一）。切除输尿管盆腔交界处 (b)。Anderson-Hynes 肾盂成形术 (c)。肾盂成形术后的最终结果（d）（Journal of Surgical Education 的版权许可）

小儿泌尿外科学员的另一个模型是耻骨上导管插入模拟训练模型 [ 29]。耻骨上导管插入是泌尿外科学员应掌握的一项基本技能。该模型具有三个解剖部分：膀胱、前腹壁和外壳腹箱。一个装满自来水的标准派对气球用于表示膀胱，在其上放置一条 Mefix 胶带（Molnlycke Health Care），潮湿时仍保持粘附，并防止膀胱（气球）在扩张器剥离期间“爆裂” - 离开鞘放置，通过将家用海绵、3M Transpore 的 3 层正方形（直肌鞘）和另一海绵（腹壁脂肪）分层来复制前腹壁。外壳盒是一个带夹盖的塑料容器。从盖子上切出一个圆形孔，以便接触气囊（图27.10和27.11）。

图 27.10

用于耻骨上导管插入模型的低成本模拟器模型的组件。这包括：装满自来水的标准派对气球（作为膀胱）、一条 Mefix 胶带（Molnlycke Health Care）、15 刀片刀、12F Lawrence Add-a-Cath（Femcare-Nikomed）、塑料盖盒、3 - 3M（直肌鞘）、家用海绵和 Foley 导管的 Transpore 层正方形（泌尿学杂志版权许可）

图 27.11

使用低成本模拟模型的耻骨上导管插入程序。手术刀切口（一）。插入扩张器导引鞘 (b)。尿液流经鞘 (c)。通过护套插入导管 (d)。盖子被移除，展示了膀胱中的 Foley 导管 (e)（来自泌尿学杂志的版权许可）

膀胱输尿管反流的内窥镜矫正是一种手术，操作者有机会正确地进行手术。因此，受训者可以被排除在这项活动之外，而有利于最有经验的操作员。索尔塔尼等人。验证了专门用于训练和评估此程序的猪膀胱模拟器 [ 30 ]。该工具可以提高受训者在执行该程序时的表现，并在患者体验之前更好地了解该技术程序。

目前的研究生医学教育认证委员会 (ACGME) 泌尿外科住院医师需要至少进行十次经皮肾内泌尿外科手术才能成功完成住院医师培训 [ 31 ]。因此，已经开发出一种用于超声引导下经皮肾通路的腹部体模模型 [ 31 ]。需要练习的技能是经皮将针头插入肾脏以促进肾造口管放置、经皮肾镜取石术、肾活检和肾肿块的经皮消融。

27.7混合仿真

尽管手术模拟器为学员提供了评估技术技能的结构化机会，但它们并没有解决非技术技能目标。为了向受训者提供开展此类人际沟通技能培训所必需的接触，已经开发了混合模拟模型，其中涉及结合两种模拟形式，例如部分任务培训师与模拟患者的配对[ 32 ]。目的是模拟现实世界临床场景的复杂性，使学习者能够同时评估多种技能。部分任务训练器模拟器可以是模拟部分手术干预的合成、尸体或动物模型 [ 18 ]。它已被用于接受膀胱镜检查和支架操作培训的泌尿科住院医师 [ 33]。在评估过程中，通过使用 SimMan（Laerdal Medical Canada Ltd.，多伦多，加拿大）模拟和操作患者的生命体征，同时视频监控和评估泌尿外科实习生在膀胱镜检查和支架操作方面的技术表现以及他们与现场的互动实时标准化患者 [ 33 ]。可以评估不同的临床情况，例如在手术过程中与护士助理的互动或无法移除的卡住支架。这种混合膀胱镜模型代表了对现实世界程序的良好模拟，并将逐渐取代基于时间的手术培训。

同样，已经开发了腹腔镜肾切除术模型来评估泌尿外科实习生在手术过程中的脚本关键事件中评估他们的沟通和管理技能的能力，例如肺门解剖过程中的肾静脉损伤 [ 32 ]。混合模拟使用新的肾脏手术模型和高保真人体模型模拟器。这些模型有助于解决在手术室等高风险环境中可能出现的通信故障，并有助于避免显着的手术发病率甚至死亡率。

27.8总结

儿科泌尿科医生一直处于腹腔镜后、腹腔镜和机器人手术形式的外科技术的最前沿。现在，他们已经通过模拟接受了手术培训中的手术演变，以及手术中不断增长的限制，包括工作时间限制和诉讼气氛。手术模拟可以进一步培训新手外科医生，让他们在低风险、无压力的环境中获得易于重复的手术技能、提高以学习者为中心的技能以及灵活的培训时间。模拟平台的技术装备已经显示出有效性，有助于减少手术错误，并缩短学习曲线到技术熟练程度。随着新技术的出现，机器人手术领域正在快速发展，并有可能将手术提升到一个新的水平。我们怀着激动的心情密切关注这一领域的快速发展。