3D 打印模型體外手術(shù)模擬在二尖瓣介入治療教學(xué)中的應(yīng)用

翟蒙恩，金 屏，徐臣年，毛 予，馬燕燕，李蘭蘭，薛武超，俞世強(qiáng)，金振曉，劉金成，劉 洋，楊 劍

二尖瓣疾病是最常見(jiàn)的心臟瓣膜疾病，主要表現(xiàn)為二尖瓣狹窄（mitral stenosis，MS）和二尖瓣關(guān)閉不全（mitral regurgitation，MR）［1］。 風(fēng)濕性心臟病、老年退行性變、感染性心內(nèi)膜炎、乳頭肌腱索斷裂、缺血性心臟病、先天性發(fā)育異常、結(jié)締組織病等均是引起二尖瓣疾病的重要因素［2］。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和老齡化問(wèn)題的日益突出，風(fēng)濕性病變引起的二尖瓣疾病發(fā)病率逐年下降，而退行性病變引起的二尖瓣疾病正逐年增加［3］。 外科二尖瓣置換或修復(fù)術(shù)是治療重度二尖瓣疾病的標(biāo)準(zhǔn)方案，且能夠明顯改善患者的長(zhǎng)期預(yù)后、生活質(zhì)量和生存時(shí)間［4］。 然而并非所有重度二尖瓣疾病患者都有機(jī)會(huì)接受外科治療，據(jù)報(bào)道，美國(guó)49%的MR 患者因?yàn)樾墓δ艿拖隆⒑喜Y多、高齡等高風(fēng)險(xiǎn)因素而未接受外科手術(shù)［5］。 近年來(lái)，二尖瓣介入治療技術(shù)的出現(xiàn)及快速發(fā)展，無(wú)疑對(duì)于此類(lèi)患者帶來(lái)了新的治療選擇［6］。

二尖瓣介入治療主要包括經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣修復(fù)和經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣置換（transcatheter mitral valve replacement，TMVR）兩種方式，其中經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣修復(fù)術(shù)主要包含經(jīng)冠狀靜脈竇間接二尖瓣環(huán)成型（Carillon、Mitralign）［7］、直接瓣環(huán)成型（Cardioband）［8］、緣對(duì)緣修復(fù)（Mitraclip、PASCAL、Valve Clamp 等）以及腱索修復(fù)（Neochord）等［9－11］。 近兩年來(lái)，二尖瓣介入領(lǐng)域新技術(shù)和新器械層出不窮。 對(duì)于即將開(kāi)展二尖瓣介入治療的醫(yī)生和單位，必須盡快掌握器械特征、手術(shù)步驟和注意事項(xiàng)、手術(shù)并發(fā)癥等，才能更好地應(yīng)用該技術(shù)救治重度二尖瓣疾病患者的生命。

3D 打印技術(shù)即增材制造技術(shù)，或稱(chēng)快速成型技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)將以數(shù)字定義的幾何圖形上沉積多層材料，從而將影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為3D 實(shí)物模型［12］。3D 打印技術(shù)近年來(lái)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，特別是心血管疾病介入治療領(lǐng)域［13］。 本團(tuán)隊(duì)通過(guò)將3D 打印技術(shù)結(jié)合體外手術(shù)模擬應(yīng)用于二尖瓣介入治療教學(xué)中，取得了良好的教學(xué)效果。

1 對(duì)象和方法

1.1 教學(xué)對(duì)象 2021 年 1 月至 2021 年 12 月共有40 名醫(yī)師在西京醫(yī)院心血管外科參加了住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)，所有醫(yī)師均無(wú)二尖瓣介入手術(shù)經(jīng)驗(yàn)，是此次教學(xué)研究的對(duì)象。

1.2 研究方法 將40 名醫(yī)師隨機(jī)分為對(duì)照組和教學(xué)實(shí)驗(yàn)組。 對(duì)照組20 名住院醫(yī)師采取理論授課，教學(xué)實(shí)驗(yàn)組20 名住院醫(yī)師采用理論授課＋3D 打印心血管模型體外手術(shù)模擬，兩組教學(xué)時(shí)長(zhǎng)一致。 教學(xué)結(jié)束后，將通過(guò)答題的方式檢測(cè)住院醫(yī)師對(duì)二尖瓣介入手術(shù)及器械的掌握程度，主要考核手術(shù)適應(yīng)證和禁忌證、瓣膜器械基本特征和標(biāo)準(zhǔn)化手術(shù)操作流程。 考試結(jié)束后，通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷的形式對(duì)教學(xué)情況進(jìn)行評(píng)估和評(píng)分。

1.3 手術(shù)操作過(guò)程分析 授課所用3D 打印心臟模型以及手術(shù)模擬器由西安馬克醫(yī)療科技有限公司提供。 經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣置換術(shù)手術(shù)模擬操作過(guò)程見(jiàn)圖1；經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣修復(fù)術(shù)手術(shù)模擬操作過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖1 經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣置換體外手術(shù)模擬

圖2 經(jīng)導(dǎo)管二尖瓣緣對(duì)緣修復(fù)體外手術(shù)模擬

2 結(jié) 果

40 名住院醫(yī)師均順利完成課程的全部培訓(xùn)，培訓(xùn)結(jié)束后，考核兩組住院醫(yī)師對(duì)于手術(shù)適應(yīng)證和禁忌證（30 分）、瓣膜器械基本特征（30 分）和標(biāo)準(zhǔn)化手術(shù)操作流程（40 分）的掌握程度。 在手術(shù)適應(yīng)證和禁忌證方面，兩組住院醫(yī)師成績(jī)無(wú)明顯差異（P＞0.05）；在瓣膜器械基本特征方面，教學(xué)實(shí)驗(yàn)組住院醫(yī)師的成績(jī)明顯優(yōu)于對(duì)照組（P＜0.01）；在標(biāo)準(zhǔn)化手術(shù)操作流程方面，教學(xué)實(shí)驗(yàn)組住院醫(yī)師的成績(jī)明顯優(yōu)于對(duì)照組（P＜0.01）。 從總成績(jī)方面，教學(xué)實(shí)驗(yàn)組住院醫(yī)師的成績(jī)明顯優(yōu)于對(duì)照組（P＜0.01）。見(jiàn)表1。

表1 考核成績(jī)對(duì)比（n＝20，）

表1 考核成績(jī)對(duì)比（n＝20，）

項(xiàng)目 對(duì)照組 教學(xué)實(shí)驗(yàn)組 t 值 P 值手術(shù)適應(yīng)證和禁忌證評(píng)分（分） 26.2±2.0 26.5±2.5 0.42 0.68瓣膜器械基本特征評(píng)分（分） 21.8±2.4 25.3±2.4 4.61 ＜0.01標(biāo)準(zhǔn)化手術(shù)操作流程評(píng)分（分） 31.8±3.5 37.8±1.5 7.05 ＜0.01總分 79.9±4.7 89.6±3.5 7.40 ＜0.01

課程考核結(jié)束后，針對(duì)兩組住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)醫(yī)師展開(kāi)了課程調(diào)查問(wèn)卷。 調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)教學(xué)方法相比，3D 打印心血管模型進(jìn)行體外手術(shù)模擬的教學(xué)方法更能提高學(xué)員學(xué)習(xí)興趣、把握重點(diǎn)知識(shí)、提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、提高分析問(wèn)題能力、增加師生互動(dòng)、利于實(shí)際工作能力（均P＜0.05）。此外，教學(xué)實(shí)驗(yàn)組對(duì)于該組教學(xué)方法的喜愛(ài)度更高（P＜0.05）。 見(jiàn)表 2。

表2 兩組教學(xué)效果問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果分析（n＝20）

3 討 論

在人體的解剖中，心臟的解剖結(jié)構(gòu)精巧而復(fù)雜，認(rèn)識(shí)熟悉心臟的解剖結(jié)構(gòu)需要較強(qiáng)的空間思維能力，而現(xiàn)實(shí)中缺乏滿(mǎn)意的教學(xué)模具。 因此，心臟外科醫(yī)師培養(yǎng)周期長(zhǎng)已是業(yè)內(nèi)共識(shí)。 隨著3D 打印技術(shù)的引入，目前臨床醫(yī)師能夠直觀地觀察心臟，3D 模型在空間結(jié)構(gòu)方面展示出了明顯優(yōu)勢(shì)。 精確3D 打印的心血管解剖模型作為醫(yī)學(xué)生的良好培訓(xùn)工具，可以幫助醫(yī)學(xué)生、護(hù)士和外科醫(yī)生在手術(shù)之前與現(xiàn)實(shí)的解剖模型進(jìn)行交互和練習(xí)，提高操作的成功率和準(zhǔn)確性。 尤其是給結(jié)構(gòu)性心臟病教學(xué)帶來(lái)了極好的學(xué)習(xí)模型，有助于醫(yī)務(wù)工作者及醫(yī)學(xué)生理解不同疾病狀態(tài)下心臟及其連接的大血管結(jié)構(gòu)的改變，突破傳統(tǒng)教學(xué)依賴(lài)空間想象和思維培養(yǎng)的弊?。煌ㄟ^(guò)重點(diǎn)突出的模擬真實(shí)疾病狀態(tài)的模型直觀地展現(xiàn)，帶領(lǐng)醫(yī)務(wù)工作者及醫(yī)學(xué)生親眼看到疾病的真實(shí)狀況，彌補(bǔ)了常規(guī)教學(xué)中用抽象的空間思維代替物理的心臟立體空間結(jié)構(gòu)，使得醫(yī)務(wù)工作者及醫(yī)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)性心臟病更簡(jiǎn)單、更直觀、更具趣味性和真實(shí)性。

目前已有研究顯示，將光固化快速成型、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型、噴墨式3D 打印、光聚合物噴射等［13］技術(shù)構(gòu)建的3D 打印心臟模型運(yùn)用到心血管專(zhuān)科醫(yī)護(hù)人員教育培訓(xùn)中，取得了良好的效果，加深了其對(duì)心臟疾病的解剖和病理生理特點(diǎn)的理解。例如，唐都醫(yī)院張章教授團(tuán)隊(duì)利用3D 打印應(yīng)用于主動(dòng)脈疾病的臨床教學(xué)，明顯提高了學(xué)員在專(zhuān)業(yè)知識(shí)、基本操作、解剖結(jié)構(gòu)以及手術(shù)器具熟悉等方面的掌握程度，取得了良好的應(yīng)用前景［14］。 無(wú)錫市人民醫(yī)院張杰等［15］發(fā)現(xiàn)3D 打印在心臟房室缺封堵手術(shù)中具有重要作用，能明顯提高封堵有效性以及手術(shù)安全性。 本團(tuán)隊(duì)前期也在3D 打印輔助下完成了700余例經(jīng)導(dǎo)管主動(dòng)脈置換術(shù)的臨床應(yīng)用，大大提高了手術(shù)安全性和成功率。 本研究以參加住院醫(yī)師規(guī)范化培訓(xùn)的住院醫(yī)師為研究對(duì)象，比較了傳統(tǒng)教學(xué)（對(duì)照組）和3D 打印體外手術(shù)模擬教學(xué)（教學(xué)實(shí)驗(yàn)組）的教學(xué)效果，結(jié)果顯示，3D 打印心血管模型體外手術(shù)模擬能明顯提高住院醫(yī)師對(duì)于二尖瓣介入手術(shù)的掌握程度，提高住院醫(yī)師總體成績(jī)。 而且，參訓(xùn)醫(yī)師更喜歡這種教學(xué)方式，認(rèn)為更能提高學(xué)員學(xué)習(xí)興趣、把握重點(diǎn)知識(shí)、提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、提高分析問(wèn)題能力、增加師生互動(dòng)、利于實(shí)際工作能力。

此外，3D 打印模型的應(yīng)用對(duì)于二尖瓣介入手術(shù)并發(fā)癥預(yù)測(cè)、器械研發(fā)以及醫(yī)患溝通等方面也發(fā)揮了重要作用。 例如，介入二尖瓣植入后易引起左室流出道（left ventricular outflow tract， LVOT）梗阻，可導(dǎo)致心律失常、充血性心力衰竭甚至死亡，特別是二尖瓣瓣膜鈣化嚴(yán)重的老年患者，其發(fā)生率更高［16］。經(jīng)食道超聲及術(shù)前CT 血管成像對(duì)于LVOT 梗阻的預(yù)測(cè)能力十分有限，而3D 打印技術(shù)則表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。 通過(guò)加工處理獲得患者特異性的3D 打印模型，打印出重要解剖結(jié)構(gòu)，包括二尖瓣復(fù)合體、LVOT 及心房面，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模擬植入支架瓣膜假體，能動(dòng)態(tài)地分析TMVR 術(shù)后支架瓣膜對(duì)LVOT 的影響，進(jìn)一步通過(guò)調(diào)整植入假體的內(nèi)徑和長(zhǎng)短，觀測(cè)對(duì)LVOT 的動(dòng)態(tài)影響［17］。 也有助于反饋給介入瓣膜的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，從而不斷改進(jìn)和完善介入瓣膜。 由于二尖瓣病變?cè)斐苫颊咦蠓俊⒆笫?、室間隔厚度的變化，每個(gè)患者的左室流出道及瓣環(huán)平面角度都不同，針對(duì)目前市面存在的介入二尖瓣，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立患者特異性的左心3D 模型，通過(guò)將介入瓣膜模型植入，能更加真實(shí)地反映出患者特性的LVOT 風(fēng)險(xiǎn)。此外，通過(guò)3D 打印模型可增強(qiáng)醫(yī)生與患者之間對(duì)治療方式選擇的討論質(zhì)量、提升患者參與度和滿(mǎn)意度。傳統(tǒng)的術(shù)前知情同意需要患者對(duì)醫(yī)生所描述的2D圖像進(jìn)行理解，而在患者教育中早期使用3D 模型則大大提高了患者對(duì)手術(shù)的理解和反饋。

然而，目前3D 打印技術(shù)也存在一定的缺陷。 理想情況下，心血管3D 打印模型應(yīng)能夠同時(shí)展現(xiàn)活體器官的解剖特征和生物特性。 對(duì)于體外測(cè)試和／或手術(shù)模擬，3D 打印模型最好能模擬心臟在整個(gè)心動(dòng)周期中的動(dòng)態(tài)變化；然而，目前材料尚無(wú)法滿(mǎn)足模擬心臟的非線(xiàn)性和各項(xiàng)特異性表現(xiàn)。 為了能夠使3D打印更好地模擬器官的形態(tài)和生物特性，未來(lái)必須對(duì)3D 打印材料做進(jìn)一步深入研究。

綜上所述，在二尖瓣介入治療手術(shù)教學(xué)中應(yīng)用3D 打印心臟模型進(jìn)行體外手術(shù)模擬是可行的，能明顯提高學(xué)習(xí)效率和成果。 早期應(yīng)用這些技術(shù)可以明顯縮短新器械、新技術(shù)的學(xué)習(xí)曲線(xiàn)。