【INC国际大咖研究成果】大脑半球切除术模拟器如何用于癫痫手术培训？-INC国际神经外科医生集团

　　James T.Rutka（鲁特卡）教授曾任世界神经外科学院院长，30多年来深耕儿童神外研究，带领团队不断突破，从脑瘤分子分型、精准治疗、新药治疗、微创治疗，为全球神经外科疑难病患儿带来希望，他发表了研究《Design and validation of a hemispherectomy simulator for neurosurgical education》（用于神经外科教育的大脑半球切除术模拟器的设计与验证），以下是研究简述。

　　01PART、摘要

　　目的

　　外科模拟器的早期采用者已记录其可改善术中手术表现。类似的进展将推动神经外科教育，特别是在高度精细的癫痫手术中。本研究介绍了一款实操性大脑半球手术模拟器，并评估其在癫痫手术教学中的有效性。

　　方法

　　两名癫痫神经外科医生评估模拟器的解剖真实度及其作为培训工具的有效性。通过模拟13名参与者的熟练程度（任务完成时间）来评估结构效度。

　　结果

　　泊松回归显示模型整体拟合显著（χ²=30.11,p<0.0001）。使用培训工具时的熟练程度与先前接触大脑半球离断手术和职业生涯年限的联合效应之间的关联具有统计学显著性（χ²=7.30,p=0.007）；模拟前接触大脑半球离断手术（χ²=6.71,p=0.009）和职业生涯长度（χ²=14.21,p<0.001）也具有显著性。平均任务完成时间为25.59±9.75分钟。绘制职业生涯年限与任务完成时间的关系图，为了解癫痫手术的学习曲线提供了参考。预测公式估算，需要经历10例真实的大脑半球离断手术案例才能接近专家的熟练程度。

　　结论

　　大脑半球手术模拟器是一个合理的癫痫手术培训工具，可以增加神经外科教育的术前练习机会。

　　02PART、引言

　　外科模拟有可能规避与能力建设相关的障碍，并通过提供对患者安全的术前培训平台来优化学习。特别是年癫痫手术案例数量较少的医院和学术机构，可以从实施外科模拟中受益。早期采用外科模拟器的外科领域报告了模拟器训练带来的术中表现改善。

　　学员的表现经常通过可重复的验证研究进行评估，这是模拟和外科教育的一个标志。这些研究依赖于表面效度、内容效度和结构效度。在实操性外科模拟器的背景下，表面效度是指模拟器发明的解剖真实度，内容效度是指其作为培训工具的有效性，而结构效度是指模拟器在新手到专家梯度上区分不同熟练程度谱系的能力。表面效度和内容效度可以仅记录该领域少数专家的反馈，有时仅需两到三位，取决于相关亚专业专家的稀缺程度。

　　切除性癫痫手术也不例外，例如一项研究中，全球52个中心的仅有46名外科医生报告进行了至少一种形式的半球手术。与表面效度和内容效度相比，模拟器的结构效度更容易评估，并且只要受访者数量足以避免研究效能不足，就应该是可重复的。客观结构化技术技能评估（OSATS）是一种经过验证的临床工具，用于测量外科医生表现。该工具的可测量变量包括“组织尊重程度”、“时间和动作”、“器械操作”、“器械知识”、“手术流程”、“助手使用”和“特定手术知识”。

　　OSATS评分系统已被推广用于验证外科模拟器，但其在实验台测试中重现其作用的能力有限。例如，OSATS评分中的“助手使用”和“组织尊重程度”成分难以在模拟器上衡量；在实验室设置中很少使用助手，并且模拟器可能专注于单一的技术技能。

　　任务时间差异是可用于验证外科模拟器和在新手-专家梯度上评定临床外科技能的另一种可测量指标。尽管有人反对将任务完成时间作为衡量外科熟练程度的单一标准，但他们的论点没有考虑到，时间和经验是用于模拟传统学习曲线的标准变量。通常，随着手术掌握程度的提高，外科学习曲线会显示出更快的手术时间。这意味着，虽然外科医生可能动作非常缓慢，但掌握技能的外科医生具备时间经济性，作为多种精细操作的一部分，并因此会遭遇更少的并发症。外科模拟的最终目标是改善外科医生的术中表现。衡量模拟经验转化为真实手术能力的研究表明，外科医生的平均手术时间减少，自信心增加。据作者所知，在本文描述的发明之前，没有关于大脑半球手术模拟器的记录，部分原因是可用于模拟半球离断精细操作的材料繁多。为了填补癫痫手术模拟训练的空白，我们的论文描述了一款新颖的实操性大脑半球手术模拟器的设计流程，以及通过表面、内容和结构效度研究验证其作为神经外科教育有用工具的过程。

　　03PART、方法

　　设计流程

　　从医院（The Hospital for Sick Children）DICOM档案中获取了一名14岁药物难治性癫痫患者的脑部磁共振成像和头部计算机断层扫描图像。进行脑部MRI和头部CT的图像分割，分割阶段纳入的手术特异性解剖结构包括脑回和脑沟、胼周动脉、大脑中动脉穿支、灰质-白质界面、软脑膜、海马体和脑室系统。物理大脑模型在J750数字解剖3D打印机上制造，所得的大脑半球切除术模拟器如图1所示。将大脑半球手术模拟器进行图像配准并融合到7D外科手术导航系统上（图2）。

图1：半球切除术模拟器与神经导航参考框架。

　　表面效度和内容效度

　　由两名癫痫医生对癫痫手术模拟器进行了实验台测试，他们共同完成的大脑半球离断术病例系列超过100例。模拟设置包括将模拟器注册到7D外科手术图像引导导航系统上的患者MRI（图2）。设置还包括吸引器、双极电凝镊尖、手术剪和组织钳。向外科医生发放了一份包含2个领域和5个锚点的李克特问卷。测试的两个领域是模拟器的解剖真实性和作为培训工具的有效性。在解剖真实性领域的12个问卷项目和作为培训工具有效性领域的5个问卷项目中，每个项目的5个锚点范围从1（非常不同意）到5（非常同意）。

图2：模拟器与真实脑部MRI在7D手术神经导航系统上的融合。屏幕上的十字光标沿着预设轨迹瞄准侧脑室颞角的位置。

　　预设阈值如下：任何单个问卷项目得分为1或2将触发质询性回应，通过进一步访谈受访者并对模拟器进行设计修改，然后重新测试。同样，在最低可获得17分和最高可获得85分之间的分数（最低可获得17分，最高可获得85分）将需要工程设计改进。在模拟练习前对专家问卷进行了先验预测试，随后对语言进行了修改以提高清晰度和简洁性。专家们在完成模拟练习后填写问卷，随后对收集的数据进行分析。对个体问卷回答进行统计，然后分析外科医生得分的比较统计量。测试的零假设是外科医生的得分没有差异。

　　结构效度

　　招募了神经外科学员参与结构效度评估，即评估模拟器区分不同专业知识水平或先前癫痫手术培训经历的能力。每位专家外科医生在填写回复问卷前进行一次模拟。基于效能分析，邀请了13名神经外科学员参与者在干燥实验室环境中对新研制的切除性癫痫手术模拟器进行实验台模拟。参与者人数是根据一项类似研究的效能分析值计算得出的。参与者包括五名研究员、两名神经外科教员和六名住院医师。在六名住院医师中，两名处于第一住院医师培训年，一名处于PGY3，两名处于PGY4。每个参与者会议开始时先介绍模拟器的定位（模拟患者的体位），然后播放专家1在模拟器上执行大脑半球离断术的分步视频教程。

　　收集了关于PGY培训年资以及接触大脑半球手术的数据。分析了任务完成时间、模拟前特定于大脑半球离断术的手术接触以及职业经验的数据，同时分析了两位专家的类似数据。职业经验定义为在培训期间（住院医师和研究员）以及在独立/教员神经外科实践中花费的总年数。模拟前接触包括所有作为主刀或第一助手进行的大脑半球离断手术，这是对外科医生对切除性癫痫手术技术熟悉程度的衡量估计。使用二次表达式对数据进行线性化处理。进行了回归分析，确定了皮尔逊相关系数，并使用统计软件分析了预测变量。结构效度数据的最佳统计拟合是使用对数连接函数的广义线性模型和泊松分布。在测试的各种关联统计模型中，GLZM产生了最低的赤池信息量准则。采用GLZM模型的关键假设得到满足。具体而言，没有过度离散，并且通过绘制学生化偏差残差的分布图确认了线性。预测分析软件进行了计算，基于参与者的职业经验和先前接触，优化了接近专家平均任务完成时间所需的时间。

　　04PART、结果

　　表面效度和内容效度

　　两位专家对所有问卷项目的评分均高于预设阈值，这导致模拟器被接受为合适的实操性培训模型。

图3：专家外科医生表面（真实感）和内容（感知有效性）效度评分的比较。

表1：模拟器表面效度和内容效度的汇总统计

　　结构效度

　　模型整体拟合检验具有统计学显著性，表明参与者在模拟器上的表现与模拟前接触以及职业生涯长度之间存在显著关系。效应检验确定模拟前接触大脑半球手术和职业生涯长度的联合效应对整体效应有显著贡献。单独来看，模拟前接触大脑半球离断手术和职业生涯长度同样与任务完成时间显著相关。职业生涯长度和模拟前接触之间的皮尔逊相关系数为0.89。预测分析软件估计，在接触了10例真实的大脑半球离断病例后，任务完成时间将得到优化，并且大约在神经外科培训的第9年达到优化。

表2：所有参与者的任务完成时间

图4：任务时间与模拟前接触大脑半球切除术以及职业生涯长度之间的关系。

　　05PART、讨论

　　毫无疑问，练习可以提高表现。外科模拟已经在不同专业验证了这一说法，同时考虑了由于模拟支持者在相关出版物中占多数作者身份而产生的偏倚。神经外科教育，特别是癫痫手术，可以从强化的术前练习机会中受益。通过使用大脑半球手术模拟器实现的这种培训，有可能有助于弥合癫痫外科医生能力方面的赤字。此外，神经外科模拟器可能会遵循与其他跨专业模拟器相似的发展路径，这些模拟器已转化为对患者的术中益处。本文描述的大脑半球模拟器将其效用建立在解剖和功能保真度上。一些解剖保真度组件包括：用于增强软膜下剥离模拟的模拟软脑膜、海马体、脑室、灰质-白质界面、大脑中动脉分叉结构（烛台样结构）以及覆盖在胼胝体上的胼周动脉。

　　我们的发明必须通过适当的心理测量测试进行科学验证，因为只有这样，它对外科医生的感知价值才会有相同的衡量标准。利用模拟器的视觉线索，外科医生参与者能够识别足够的手术解剖结构以执行大脑半球手术。两位专家外科医生的回答都超过了预设的阈值，证实了模拟器的表面效度和内容效度。在认为模拟器适合作为培训工具后，我们招募了不同经验水平的神经外科参与者，然后将任务完成时间与个体外科医生的职业经验、模拟前对大脑半球切除术技术的熟悉程度，以及职业经验和模拟前接触大脑半球离断手术的联合效应进行回归建模。GLZM是数据的最佳拟合模型。模型假设得到满足：过度离散值为1.25，学生化偏差残差未显示非均匀性。大于2的过度离散值被认为过高。估计了任务完成时间与所有三个参数估计值之间的正相关：职业长度和先前接触的联合效应、模拟前接触和职业长度。任务完成时间与先前接触类似的大脑半球离断手术以及任务完成时间与职业生涯长度之间的中等相关性证实了回归分析的结果。确实，外科医生应该通过在一定时间内多次执行相同类型的手术，沿着新手-专家的连续体取得进步。同样，先前接触大脑半球手术与职业生涯长度之间存在强正相关。

　　通过应用预测公式，可以优化大脑半球癫痫手术的学习，应用于我们的研究时，该公式建议四舍五入后的10例大脑半球离断病例数是接近熟练掌握所需的适当接触量。预测分析还表明，掌握大脑半球手术大约发生在神经外科学习的第9年。这大致对应于住院医师培训后的研究员培训阶段，特别是涉及接触大脑半球手术的研究员培训，或成为教员的第一年，具体取决于培训计划的课程设置。

　　在神经外科培训中部署大脑半球切除术模拟器的一个建议是在协助进入手术室之前，推荐进行术前模拟。大脑半球手术发明的更广泛应用包括分级分离性癫痫手术模拟，例如单独或连续进行的胼胝体切开术、皮质切除术或颞叶切除术。由于其能够与神经导航系统共同配准，大脑半球模拟器可能有助于向学员介绍手术室技术。可以模拟各种病理状况，例如半侧巨脑畸形或深部脑肿瘤切除术，以增强术前手术计划或改变工作流程，实现手术护理术前计划的个性化。学习曲线对学术培训机构来说是无价的。