3D打印聯(lián)合混合現(xiàn)實技術(shù)在側(cè)腦室穿刺教學中的運用研究

杜昌旺，史羅寧，王 玫，王茂德，劉 昊

西安交通大學第一附屬醫(yī)院：1 神經(jīng)外科；2 腎移植科；3 病案室， 西安 710061

側(cè)腦室穿刺術(shù)是神經(jīng)外科的一項基本操作，也是神經(jīng)外科醫(yī)師必須掌握的基本技能。主要用于腦積水、腦室出血等危重患者的急救處理及腦室分流術(shù)的重要環(huán)節(jié)。穿刺點的位置、方向完全憑借醫(yī)師的手感和經(jīng)驗，對手術(shù)醫(yī)師要求高、風險也較大。目前，尚無良好的教學工具及訓練方法。故該課題將3D打印技術(shù)、混合現(xiàn)實技術(shù)運用于側(cè)腦室穿刺教學，取得了較好的效果，在教學中讓神經(jīng)外科醫(yī)師、進修醫(yī)師及實習生熟練掌握該操作，降低該手術(shù)的難度和風險。現(xiàn)介紹如下。

1 研究對象

征得本人同意，選取2013—2017年在神經(jīng)外科學習的研究生、進修生及規(guī)培生為研究對象，隨機分為培訓組和對照組。

2 研究方法

2.1 教學方法

2.1.1將基于3D打印及神經(jīng)導航系統(tǒng)的混合現(xiàn)實技術(shù)制成一套側(cè)腦室穿刺教學工具采集3D打印源數(shù)據(jù)：以頭顱磁共振T1WI為源數(shù)據(jù)，掃描參數(shù)：TE3.7 ms，TR765 ms ms，矩陣=256×256，F(xiàn)OV=256 mm，層厚=1 mm，無間隔連續(xù)掃描，數(shù)據(jù)存盤為DI- COM格式。依據(jù)DICOM源數(shù)據(jù)進行3D打印出1∶1的頭顱模型。將3D打印的源數(shù)據(jù)輸入到美敦力S7導航系統(tǒng)，并在導航系統(tǒng)重建頭顱及腦室的3D圖像，將頭顱3D圖像的可見度設置為20%，使得腦室3D圖像可見。將頭顱3D模型擺放合適頭位并以頭架固定，然后安裝神經(jīng)導航系統(tǒng)相關(guān)配件，以面部輪廓注冊法將頭顱3D模型注冊到神經(jīng)導航系統(tǒng)。頭顱3D模型上標記穿刺點，按無菌原則進行消毒鋪巾、鉆孔，導航探針作為穿刺針，探針尖所在的部位在神經(jīng)導航系統(tǒng)屏幕的冠、矢、軸位及3D圖像上顯示出來，從而可以判斷穿刺部位、穿刺方向是否合適、是否進入腦室。整個操作過程等同于手術(shù)過程。兩組學員均首先通過講授法學習側(cè)腦室前角、三角區(qū)、枕角的穿刺操作要領(lǐng)。

2.1.2實驗組學員在上述制作的側(cè)腦室穿刺教學工具上練習側(cè)腦室前角、三角區(qū)、枕角穿刺，熟練后在教學工具上考核并記錄成績。

2.1.3對照組學員直接在上述制作的側(cè)腦室穿刺教學工具上進行側(cè)腦室前角、三角區(qū)、枕角穿刺考核并記錄成績。為了教學公平性，最后在教學工具上學習，熟練后再次考核并記錄成績。

2.2 評價方法

以患者術(shù)前準備頭位、消毒、穿刺點選擇、穿刺方向、穿刺深度、是否進入腦室、操作熟練程度制定評分細則，滿分100分。記錄實驗組培訓后成績、對照組培訓前、培訓后成績。對照組培訓前成績與實驗組培訓后成績、對照組培訓后成績分別比較以評價該教學工具的效果；將實驗組培訓后成績和對照組培訓后成績進行比較，評價該教學工具在不同學生群教學效果的穩(wěn)定性；培訓后全部學員前角、三角區(qū)、枕角成績的差異比較以評估側(cè)腦室穿刺不同部位的難易程度。全部學員培訓后調(diào)查其對教學工具的評價，包括兩個問題，第一個問題：該教學工具是否對側(cè)腦室穿刺操作教學有幫助？選項：①沒有幫助；②有幫助，但不大；③幫助很大。第二個問題：是否有信心給患者行側(cè)腦室穿刺操作？選項：①沒有信心；②有信心，但不大；③很有信心。

2.3 統(tǒng)計分析方法

3 結(jié)果

3.1 學員基本特征

共納入143人為研究對象，均為男性。隨機分為實驗組72人和對照組71人。實驗組年齡(31.9±4.5)歲，學歷本科55(76.4%)人，碩士11(15.3%)人，博士6(8.3%)人，對照組年齡(33.3±4.4)歲，學歷本科45(63.4%)人，碩士14(19.7%)人，博士12(16.9%)人，兩組研究對象在年齡、學歷構(gòu)成上差異均無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

3.2 成績比較

對照組培訓前后比較：對照組培訓前前角、三角區(qū)、枕角的成績分別為：(86.85±4.99)分、(86.99±3.80)分、(85.32±4.09)分；對照組培訓后前角、三角區(qū)、枕角的成績分別為：(94.85±2.27)分、(94.68±2.24)分、(92.90±1.73)分。對照組培訓前后在前角、三角區(qū)及枕角的成績比較，差異均有統(tǒng)計學意義(t前角=15.062，P前角<0.001；t三角區(qū)=17.728，P三角區(qū)<0.001；t枕角=16.949，P枕角<0.001)；培訓后成績高于培訓前成績，說明該教學工具能提高側(cè)腦室穿刺操作成績，如表1所示。

兩組間比較：實驗組前角、三角區(qū)、枕角的成績分別為：(94.26±2.39)分、(94.18±1.61)分、(92.54±1.59)分；實驗組與對照組培訓前在前角、三角區(qū)及枕角的成績比較，差異均有統(tǒng)計學意義(t前角=11.316，P前角<0.001；t三角區(qū)=14.688，P三角區(qū)<0.001；t枕角=13.877，P枕角<0.001)；實驗組與對照組培訓后在前角、三角區(qū)及枕角的成績比較，差異均無統(tǒng)計學意義(t前角=1.490，P前角=0.139；t三角區(qū)=1.522，P三角區(qū)=0.130；t枕角=1.296，P枕角=0.197)，說明該教學工具在實驗組及對照組的穩(wěn)定性好(如表1所示)。

不同穿刺部位比較：全部學員在該教學工具培訓后前角、三角區(qū)、枕角的成績分別為：(94.55±2.34)分、(94.43±1.96)分、(92.72±1.66)分，前角、三角區(qū)、枕角的成績比較，差異有統(tǒng)計學意義(F=44.035，P<0.001)；組間兩兩比較，前角與三角區(qū)的成績比較差異無統(tǒng)計學意義(P=0.946)，枕角與前角、枕角與三角區(qū)的成績比較，差異均有統(tǒng)計學意義(P<0.001)，前角、三角區(qū)成績略高于枕角。說明枕角穿刺操作難度系數(shù)較前角及三角區(qū)大，須反復練習(如表1所示)。

部 位實驗組培訓后(n=72)對照組培訓前(n=71)對照組培訓后(n=71)全部學員培訓后(n=143)前 角(94.26±2.39)(86.85±4.99)(94.85±2.27)(94.55±2.34)*三角區(qū)(94.18±1.61)(86.99±3.80)(94.68±2.24)(94.43±1.96)*枕 角(92.54±1.59)(85.32±4.09)(92.90±1.73)(92.72±1.66)#

備注：*表示前角和三角區(qū)成績比較，P>0.05；#表示枕角與前角、枕角與三角區(qū)成績比較，P<0.05

3.3 學員對教學工具的評價

該教學工具是否對側(cè)腦室穿刺操作教學有幫助？8人(5.6%)認為“沒有幫助”，43人(30.1%)認為“有幫助，但不大”，92人(64.3%)認為“幫助很大”。94.4%的學員認為該教學工具對側(cè)腦室穿刺教學有幫助。

是否有信心給患者行側(cè)腦室穿刺操作？17人(11.9%)回答“沒有信心”，24人(16.8%)回答“有信心，但不大”，102人(71.3%)回答“很有信心”。培訓后88.1%的學員有信心給患者行側(cè)腦室穿刺操作。通過該教學工具反復訓練，學員在對真實的患者行側(cè)腦室穿刺操作時能更從容面對。

4 討論

側(cè)腦室穿刺手術(shù)是神經(jīng)外科醫(yī)師必須掌握的一項基本技能，對診斷、搶救和治療多種顱內(nèi)疾病具有重大價值[1]。其成功實施的關(guān)鍵是穿刺過程中準確地一次性置管，使穿刺對腦組織的損傷降至最低。目前，側(cè)腦室穿刺手術(shù)全憑醫(yī)師的手感和經(jīng)驗，穿刺結(jié)果時常有偏差，有時甚至需要多次反復調(diào)整穿刺角度及深度方能成功，增加了出血、感染等并發(fā)癥的發(fā)生幾率。因此，對于神經(jīng)外科醫(yī)師尤其是年輕醫(yī)師，熟練掌握側(cè)腦室穿刺操作的技巧尤為重要。目前，側(cè)腦室穿刺操作訓練的基本途徑大致有3種：①尸頭練習；②仿真頭顱解剖模型；③高年資醫(yī)師指導及操作示范，年輕醫(yī)師在手術(shù)過程中逐漸積累經(jīng)驗。上述方法各具優(yōu)缺點，例如：尸頭是最早應用于神經(jīng)外科操作培訓的，但無法了解穿刺路徑及評估其最終是否進入腦室，充滿甲醛的解剖室也令人窒息，此外，尸頭的保持和維護費用也是相當昂貴。仿真頭顱解剖模型存在精度不高、無法反映頭顱解剖的真實性，訓練效果也會大打折扣。而高年資醫(yī)師指導與操作示范的方式受到一定醫(yī)學倫理的限制，也將增加并發(fā)癥的發(fā)生率[2-5]。

3D打印技術(shù)是近年來新興的一種制造技術(shù)，其原理是“分層制造、逐層疊加”[6-9]，通過計算機讀取DI- COM數(shù)據(jù)，三維建模后逐層建造高度逼真的1∶1顱腦實體模型，為神經(jīng)外科醫(yī)師提供了立體和觸感的耦合，在此模型上實現(xiàn)皮膚表面定位、穿刺點標記、顱骨鉆孔、穿刺角度及方向，幾乎等同于給真實患者實施手術(shù)的全過程，故這樣的操作培訓與真實手術(shù)具有等效性，且沒有風險。該研究結(jié)果中實驗組培訓后的成績與對照組培訓前的成績及對照組培訓后的成績差異均有統(tǒng)計學意義，表明在3D打印模型上進行側(cè)腦室穿刺操作練習能幫助學員掌握側(cè)腦室穿刺操作，提高手術(shù)的熟練程度。研究中顯示全部學員培訓后枕角的穿刺操作成績與前角、三角區(qū)的差異均有統(tǒng)計學意義，枕角穿刺的平均成績低，分析原因可能與枕角的穿刺部位及方向比較難掌握，需要反復加強練習才能熟練掌握。

混合現(xiàn)實(mixedteality，MR)是將虛擬信息和真實場景融合，利用全息影像、實時交互等技術(shù)對現(xiàn)實世界進行重塑，實現(xiàn)虛擬信息在物理現(xiàn)實中的真實投影，具有動態(tài)可視化、真實、可交互的優(yōu)點，將虛擬的信息和現(xiàn)實場景融為一體，可緩解學習的枯燥，有利于提高學生的學習效率[10]。該研究對全部學員問卷調(diào)查的兩個問題培訓前、后對比，差異均具有統(tǒng)計學意義，94.4%的學員培訓后認為該教學工具對側(cè)腦室穿刺教學有幫助。該教學工具將神經(jīng)導航系統(tǒng)虛擬的環(huán)境與3D打印的顱腦實體模型進行注冊，虛實結(jié)合、實時交互，在操作的過程中可以實時了解穿刺的角度、深度及是否到達側(cè)腦室，極大地增強教師和學員的教學體驗，使傳統(tǒng)教學中抽象的概念變成立體生動的模型，對學員理解抽象操作有較大的幫助，培訓后88.1%的學員有信心給患者行側(cè)腦室穿刺操作，在面對真實患者時，術(shù)者就能夠從容、熟練的手術(shù)。

綜上所述，將3D打印技術(shù)、神經(jīng)導航系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)連接起來形成混合現(xiàn)實技術(shù)，應用于側(cè)腦室穿刺教學，具有高等效性、零風險、虛實結(jié)合、實時交互等優(yōu)點。既不會損害患者，又可幫助學員積累豐富的手術(shù)經(jīng)驗、提高手術(shù)熟練程度及增強對手術(shù)的信心，提高神經(jīng)外科手術(shù)操作教學效果，學員認同該教學模式對自身操作的幫助，值得推廣。