3D打印技術在腹腔鏡腎部分切除術培訓中的應用

彭文標

（中山市古鎮(zhèn)人民醫(yī)院,廣東 中山 528421）

3D 打印的基礎是患者影像數(shù)據(jù)的采集和數(shù)字模型的三維重建，是當下醫(yī)學研究的一個熱點，目前在神經(jīng)外科、骨科、頜面外科的術前輔助應用較多，能較好提高手術精度、縮短手術時間[1-5]。腹腔鏡下腎部分切除術（Laparoscopic Partial Nephrectomy，LPN）是難度較高的手術，有報道稱即使經(jīng)驗豐富的外科醫(yī)師行LPN 發(fā)生手術并發(fā)癥的風險也接近33%[6]。因此，在開展LPN 之前有必要對外科醫(yī)師進行系統(tǒng)培訓，減少手術風險。傳統(tǒng)的手術室"學徒式"教學模式由于手術時間、病人安全等因素的考慮，已經(jīng)無法滿足外科手術技能培訓的需要。

本研究擬探索3D 打印技術用于腹腔鏡腎部分切除手術培訓中的應用前景，擬基于患者的真實影像學數(shù)據(jù)，采用三維重建及3D 打印技術制作解剖結構逼真、可重復生產(chǎn)、能長久保存的腎部分切除術疾病模型，用于LPN 高級手術技能的培訓，并驗證培訓效果，為進一步規(guī)范化LPN 培訓課程的設計提供理論及實踐依據(jù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選取2016年9月-2019年12月在中山市古鎮(zhèn)人民醫(yī)院泌尿外科輪轉的12 名輪科醫(yī)生為教學對象,均為男性，培訓時間均為4 個學時，以數(shù)字表法將其隨機分為3D 打印教學組和傳統(tǒng)教學組，每組各6 人。其中3D 打印教學組年齡21～24 歲，平均（22.667±1.106）歲，傳統(tǒng)教學組年齡22～25 歲，平均(22.833±1.067)歲。本次研究所有入組學員本人均知情且同意，兩組學員在年齡上無統(tǒng)計學差異（P＞0.05）。

1.2 教學方法

3D 疾病模型制作：收集適合LPN 的腎臟腫瘤患者的CT數(shù)據(jù)，包括平掃期、動脈期、靜脈期、腎盂排泄期，以DICOM格式保存，并導入到MIMICS 15.0 軟件中，針對不同時相期的CT 數(shù)據(jù)分別分割重建腎臟內部及毗鄰臟器結構, 包括腎臟大體、腎腫瘤、腎動靜脈及其分支,腎集合系統(tǒng)及毗鄰結構肺下部、肝臟或脾臟、脊柱、腰部皮膚，采用自動配準和人工輔助調整逐一完成配準、融合，構建一體化腎臟腫瘤三維模型。按1:1 等比例打印出腎臟大體、腎臟腫瘤、腎動靜脈及其分支，材料為高分子粉末，由南方醫(yī)科大學3D 打印研究中心提供技術支持。

教學實施：兩組學員均按照統(tǒng)一的教學大綱（內容包括疾病知識、腎臟及其毗鄰結構的解剖學知識及LPN 手術步驟）要求進行教學培訓，傳統(tǒng)教學組采用典型LPN 病例結合CT 機導出的三維重建圖片進行教學，3D 教學組在傳統(tǒng)授課方式的基礎上，另外加入采用Mimics15.0 軟件重建的可任意旋轉的虛擬腎臟腫瘤模型及3D 打印模型進行教學。兩組均采用小講課方式教學，培訓時長均為4 個學時，培訓老師為具有豐富LPN 經(jīng)驗的高級職稱醫(yī)生。

1.3 教學效果評價

所有輪科學員完成培訓后，即進行培訓效果考核及教學滿意度調查。考核內容包括LPN 的臨床知識（30 分）、腎臟及其毗鄰結構的解剖學知識(30 分）、LPN 手術步驟（40 分）。教學滿意度調查通過問卷調查表的形式，讓每個參與培訓的輪科醫(yī)生采用Likert 5 分評價量表對本次培訓進行評價，5 分為最高值，代表評價最高，反之，1 分評價最差。量表內容包括總體滿意度（不滿意～非常滿意）、對教學理解的難易度（難理解～非常容易理解）、教學模式的生動性（很枯燥～非常生動）、提高學習效率（不能提高～明顯提高）進行評價4 個方面。

1.4 統(tǒng)計學處理

采用SPSS 22.0 統(tǒng)計學軟件進行數(shù)據(jù)分析，學員考核評價成績和滿意度調查結果用均數(shù)±標準差(±s）表示，組間比較使用t檢驗，P＜0.05 為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 3D 技術教學組和傳統(tǒng)教學組臨床知識考核評分差別無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），3D 打印教學組對腎臟及其毗鄰相關結構的解剖知識及LPN 手術路徑考核評分高于傳統(tǒng)教學組(P＜0.05)，差別有統(tǒng)計學意義，具體考核結果見表1。

表1 兩組考核結果比較

2.2 3D 技術教學組學員對教學模式總體滿意度、難易度、生動性、提高學習效率的評價高于傳統(tǒng)教學組，P＜0.05，見表2。

表2 兩組滿意度評價比較

3 討論

3.1 創(chuàng)新LPN 培訓方式的必要性

LPN 是一項難度較高、操作復雜的重建性泌尿外科腹腔鏡手術[8]，學習曲線長，輪科醫(yī)生在泌尿外科專業(yè)學習的時間有限，腎臟解剖位置較深，對低年資醫(yī)師來說，腎臟內部及其毗鄰結構的解剖是主要難點所在，立體空間結構認知的缺失是主要原因。傳統(tǒng)教學方式主要采用內容單一的CT、文字、圖片和手術觀摩等教學方法，主要基于傳統(tǒng)二維視角展開培訓，沒有三維立體結構的展示，很難在短時間有效提高學員對解剖結構及手術路徑的認知，學員的積極性也不高。為了提高LPN 培訓效率，我們必須創(chuàng)新教學方式，以期提高低年資輪轉醫(yī)師的學習興趣和效果。

3.2 采用三維重建及3D 打印技術進行教學的優(yōu)勢

基于患者真實影像學數(shù)據(jù)構建的疾病三維重建模型，能任意角度的的展示腫瘤與腎臟的相對位置以及腎臟及其毗鄰結構的層次結構。3D 打印是一種快速成型技術，以患者影像學數(shù)據(jù)為基礎，基于三維重建虛擬模型運用可粘合材料逐層打印的方式來構造三維物體的逆向工程技術，3D 打印模型能夠真實地還原患者腎臟及其毗鄰結構的解剖特點[9-10]。采用3D 打印技術打印LPN 的典型案例，比較新穎、直觀。所有學員都可以學習相同的病例，達到同質化的教學效果。研究顯示3D 打印模型輔助教學對學員的學習起到了促進作用，彌補了傳統(tǒng)教學的缺點，更容易使學員理解關鍵解剖結構及病理特點[11-15]，教學滿意度調查提示學員更加喜歡3D 模型教學。

3.2 本研究的亮點

采用基于病人真實的影像數(shù)據(jù)，結合醫(yī)學圖像三維重建及3D 打印技術，構建個性化、解剖結構逼真、可重復生產(chǎn)、能反復利用、不受場地限制的LPN 培訓模型，能夠直觀生動的展示病例特點，大大的降低了學習的難度，提高了學員的學習效率。此外，構建的3D 打印模型可以長期保存、反復應用，是較好的教學輔助工具，能夠較好的控制教學成本，值得推廣。

3.3 不足與展望

采用三維重建和3D 打印技術，雖然獲得了較好的學習效果，但仍存在一定的不足，需要持續(xù)改建。首先，3D 打印模型采用全彩粉末打印技術，雖然解剖結構比較逼真，但打印的模型質地偏硬，與真實的人體組織相差較遠，在接下來的研究中，可以挑選軟性材料進行打印，能大大改善培訓模型的質感，更接近實際臨床手術；其次，本研究僅與傳統(tǒng)教學組比較了短期培效果，最終是否能有效縮短LPN 的學習曲線，有待設計更長時間的培訓課程去驗證。