3D打印模型在腹腔鏡肝膽微創(chuàng)手術(shù)術(shù)前培訓(xùn)中的應(yīng)用

陳燁奇，王知非

（浙江省人民醫(yī)院/杭州醫(yī)學(xué)院附屬人民醫(yī)院 肝膽胰外科/微創(chuàng)外科，浙江 杭州 310014）

隨著腹腔鏡技術(shù)的快速發(fā)展，腹腔鏡手術(shù)已成為肝膽外科手術(shù)的主流，但是由于腹腔鏡手術(shù)是二維視野，而且器械的自由度大大縮小，手術(shù)的難度明顯升高，肝膽外科醫(yī)師的成長周期大幅延長，如何安全有效地開展腹腔鏡肝膽外科手術(shù)亟待解決。以往的一些手術(shù)訓(xùn)練模型由于其質(zhì)地、結(jié)構(gòu)都與人體相差甚遠(yuǎn)，手術(shù)訓(xùn)練效果有限；雖然可以利用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物進(jìn)行相應(yīng)手術(shù)訓(xùn)練，但由于動(dòng)物倫理問題和高昂的訓(xùn)練費(fèi)用，在我國當(dāng)前國情下無法廣泛推廣。而3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，正好彌補(bǔ)了這一空白，3D打印模型無論在質(zhì)地還是在結(jié)構(gòu)上，都是比較理想的選擇。本文回顧相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合筆者經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，闡述3D打印模型在肝膽微創(chuàng)外科手術(shù)術(shù)前培訓(xùn)中的應(yīng)用。

1 3 D打印模型在肝臟局部解剖教學(xué)中的應(yīng)用

自1956年Claude Couinaud首次提出肝段解剖以來，肝段解剖學(xué)在臨床實(shí)踐中被廣泛接受，尤其是在肝臟外科手術(shù)中[1]。對肝段解剖的正確識別和良好理解是肝臟外科教學(xué)的基礎(chǔ)部分。然而，肝臟是一個(gè)極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有著肝動(dòng)脈系統(tǒng)、門靜脈系統(tǒng)、肝靜脈系統(tǒng)以及肝膽管系統(tǒng)四種不同類型的具有特定功能的管道，它們以復(fù)雜的方式交錯(cuò)分布，這對于年輕的外科醫(yī)師和醫(yī)學(xué)生來說，研究肝段解剖是一項(xiàng)十分困難的任務(wù)[2]。

與肝段解剖學(xué)相關(guān)的研究表明，3D打印模型在解剖學(xué)教學(xué)方面優(yōu)于3D虛擬和2D圖像[3]。與二維模型所需的心理重建不同，3D打印模型提供了直接的可視化效果；3D打印模型也比3D虛擬模型更容易操作，可以通過對難以識別的結(jié)構(gòu)進(jìn)行顏色編碼和標(biāo)記來進(jìn)行辨別[4]。

此外，3D打印模型已被確定為在復(fù)雜外科手術(shù)的規(guī)劃和實(shí)施中的有效工具，在任何肝臟切除術(shù)的術(shù)前規(guī)劃中，對復(fù)雜肝臟解剖的深刻理解是至關(guān)重要的。然而，二維診斷成像并不能夠全面提供外科醫(yī)師進(jìn)行肝臟切除所需要的信息。目前的3D打印技術(shù)能夠生成準(zhǔn)確的、個(gè)體化的解剖和病理特征的模型[5]。3D打印模型提供了觸覺體驗(yàn)，使外科醫(yī)師能夠?qū)嵺`和計(jì)劃外科手術(shù)，以實(shí)現(xiàn)個(gè)體化和精準(zhǔn)醫(yī)療的目標(biāo)。

2 3 D打印模型在肝膽外科手術(shù)基本技能培訓(xùn)中的應(yīng)用

3D打印模型作為一種可復(fù)制、可靠而又現(xiàn)實(shí)的模擬工具，可用于實(shí)踐腹腔鏡微創(chuàng)手術(shù)的訓(xùn)練。特別是對初學(xué)者，多項(xiàng)研究顯示利用特定3D打印模型進(jìn)行多次嘗試后，無論是技術(shù)還是速度上都有了顯著的提高，同時(shí)縮短學(xué)習(xí)曲線、降低相應(yīng)的并發(fā)癥[6]。此外，3D打印模型也為手術(shù)模擬創(chuàng)造了一個(gè)相對安全的環(huán)境，最大限度地提高學(xué)習(xí)效率，是青年外科醫(yī)師的一大福音，例如Williams A等[7]認(rèn)為，模擬腹腔鏡下幽門肌切開術(shù)的3D打印幽門狹窄胃模型是提高腹腔鏡技術(shù)的有效工具。

由于3D打印肝臟模型成本高且肝臟切除手術(shù)環(huán)境模擬困難，目前主要應(yīng)用于術(shù)前規(guī)劃和術(shù)中導(dǎo)航。在肝膽外科手術(shù)培訓(xùn)領(lǐng)域，有文獻(xiàn)報(bào)道利用3D打印膽道模型進(jìn)行膽總管探查手術(shù)的培訓(xùn)[8]。受訓(xùn)者在逼真的人工膽道系統(tǒng)中通過不斷地觀察模型和操作來獲得直接的反饋。由于膽道系統(tǒng)的迷宮狀解剖結(jié)構(gòu)和經(jīng)常出現(xiàn)的解剖變異，缺乏經(jīng)驗(yàn)的操作者在進(jìn)行膽道鏡檢查時(shí)很容易混淆[9]，因此受訓(xùn)者通常需要更長的訓(xùn)練時(shí)間來熟悉膽道結(jié)構(gòu)。Li A等[8]的研究表明，基于3D打印膽道模型的培訓(xùn)可以顯著提高此類技術(shù)的學(xué)習(xí)效果，并獲得肝膽外科醫(yī)師和住院患者的良好反饋。筆者相信，這種新的應(yīng)用有潛力成為復(fù)雜解剖領(lǐng)域的有效學(xué)習(xí)工具，如膽道內(nèi)窺鏡的訓(xùn)練，最終可以包括在肝膽外科住院醫(yī)師培訓(xùn)課程中。

目前3D打印模型在肝膽外科的手術(shù)培訓(xùn)應(yīng)用中尚處于起步階段。首先，當(dāng)前報(bào)道的研究觀察數(shù)量都較少；其次，肝膽系統(tǒng)的解剖變異十分常見，真實(shí)臨床情況存在較大差異；再者，由于3D打印材料的機(jī)械性能限制，很難再現(xiàn)肝臟的生物組織彈性。因此，失去正常的紋理和平滑度，并不完全反映肝臟生物組織彈性的性能，可能會(huì)影響受訓(xùn)者的觸覺反饋。

筆者團(tuán)隊(duì)也做過相應(yīng)的培訓(xùn)研究，圖1是在達(dá)芬奇機(jī)器人下進(jìn)行的培訓(xùn)，達(dá)芬奇外科系統(tǒng)的引入，使外科醫(yī)師具有更高的靈活性、可拓展的運(yùn)動(dòng)和良好的人體工程學(xué)應(yīng)用。目前國內(nèi)約有130臺達(dá)芬奇機(jī)器人，對于達(dá)芬奇機(jī)器人系統(tǒng)，仍有一些應(yīng)用在不斷添加并且更新，例如跟蹤機(jī)器人末端執(zhí)行器位置的能力。盡管技術(shù)在不斷改進(jìn)，但這些手術(shù)機(jī)器人仍缺少通過對末端執(zhí)行器的握力，進(jìn)行可靠估計(jì)的能力。由于外科醫(yī)師缺乏對力度的反饋，出現(xiàn)種種問題，如缺乏了通過觸覺對疾病的診斷信息的能力，組織擠壓損傷的可能性增大，以及對縫合等任務(wù)缺乏足夠的力度估計(jì)。筆者團(tuán)隊(duì)通過3D打印技術(shù)建立實(shí)體模型，利用微型壓力測量儀器，針對吻合時(shí)張力控制難度大的情景下（如胰腸吻合、膽腸吻合等）測量打結(jié)及捆綁時(shí)線結(jié)的力度和局部的壓力，在模型上建立力度與組織形變的關(guān)系，并且利用組織形變、力度、組織撕扯等指標(biāo)評估手術(shù)模擬操作訓(xùn)練，從而為手術(shù)訓(xùn)練和評估提供客觀指導(dǎo)。通過在上述模型中進(jìn)行力度與形變控制的訓(xùn)練，從而在手術(shù)中通過形變判斷達(dá)到預(yù)定的合適力度。另外我們也曾嘗試?yán)闷餍的┒嗣栌泚碓u估手術(shù)訓(xùn)練中的軌跡及流暢性，計(jì)劃用于浙江省人民醫(yī)院外科規(guī)范化培訓(xùn)學(xué)員的考核，這種方法的一個(gè)潛在好處是可以在手術(shù)結(jié)束后線下分析外科手術(shù)。

圖1 達(dá)芬奇機(jī)器人下3D打印模型手術(shù)訓(xùn)練及力度測量

外科仿真模型最具挑戰(zhàn)性的方面是保持手術(shù)的真實(shí)感和高度的可靠性。尸體模型是模擬的金標(biāo)準(zhǔn)，然而它們通常很難獲得[10]。3D打印模型的優(yōu)點(diǎn)是容易獲得和生產(chǎn)，它們被越來越多地用于模擬，供受訓(xùn)人員練習(xí)各種外科技術(shù)，以重建患者復(fù)雜的解剖結(jié)構(gòu)，并協(xié)助制定手術(shù)計(jì)劃。對于住院醫(yī)師培訓(xùn)，許多外科項(xiàng)目正在經(jīng)歷從時(shí)間本位教育向能力本位教育的轉(zhuǎn)變。3D打印模型在為學(xué)員提供外科手術(shù)或創(chuàng)傷場景方面起著越來越重要的作用。

3 展望

外科手術(shù)模擬有多種方式。首先是實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型，該模型所需的麻醉支持和維護(hù)很大程度上阻礙了訓(xùn)練的輕松和靈活進(jìn)行。其次，尸體上的訓(xùn)練雖然具有很高的保真度，但獲取困難，價(jià)格昂貴，且只能使用一次。此外，AR、VR等新技術(shù)也在不斷發(fā)展，但這些模型仍不成熟，缺乏真正的儀器和操作觸控，且價(jià)格更為昂貴。基于3D打印模型的手術(shù)訓(xùn)練可以在醫(yī)師的辦公室，醫(yī)學(xué)生的寢室進(jìn)行，這在外科醫(yī)師繁忙的日程中更容易進(jìn)行。3D打印模型，可以根據(jù)患者具體的CT數(shù)據(jù)制作，提供真實(shí)的儀器和觸覺反饋，也能重復(fù)使用，更適用于外科訓(xùn)練和醫(yī)學(xué)教育。事實(shí)上，筆者團(tuán)隊(duì)已做了一系列的手術(shù)訓(xùn)練，包括膽腸吻合、胰腸吻合模型手術(shù)訓(xùn)練[11]。

隨著3D打印技術(shù)的不斷進(jìn)步，3D打印的成本正在下降。人們可以用較低的成本生產(chǎn)模型，以供手術(shù)訓(xùn)練所需。對3D打印模型的進(jìn)一步優(yōu)化應(yīng)以特征患者為模版，以醫(yī)學(xué)生群體為模型的主要受訓(xùn)者。筆者相信3D打印會(huì)是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)，進(jìn)一步改善外科教育和臨床實(shí)踐。