3D打印模型在神經(jīng)外科住培技能教學中的應用

王躍華 李永鵬 孫博文 孟鈺驍 朱玉競 王東鵬 史懷璋

顱內(nèi)動脈瘤是蛛網(wǎng)膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）的首要病因，動脈瘤性蛛網(wǎng)膜下腔出 血（aneurysmal subarachnoid hemorrhage，aSAH）在世界范圍內(nèi)的總體年發(fā)病率約為9.1/10 萬[1]。對于破裂出血的顱內(nèi)動脈瘤，積極手術(shù)治療是預防再次出血、保障生命的最佳選擇，目前主要的手術(shù)方式有開顱夾閉與血管內(nèi)介入栓塞，而對于大腦中動脈（Middle cerebral artery，MCA）動脈瘤來說，開顱夾閉是優(yōu)先選擇的術(shù)式。MCA 動脈瘤形狀各異，顱內(nèi)血管走行復雜，單純的影像信息難以全方面地展示動脈瘤。20 世紀90 年代出現(xiàn)的三維（three-dimensional，3D）打印技術(shù)在腦血管病栓塞治療、動脈瘤手術(shù)夾閉、腦腫瘤切除術(shù)中發(fā)揮了重要作用[2-4]，實現(xiàn)了從單純視覺到視覺-觸覺模型的轉(zhuǎn)變，有助于神經(jīng)外科醫(yī)生的臨床培養(yǎng)及制定手術(shù)計劃[5]。本研究利用打印出的3 例高仿真顱內(nèi)動脈瘤3D 打印模型，對低年資神經(jīng)外科醫(yī)生手術(shù)技能進行訓練并評價，并完成術(shù)前的模擬與手術(shù)規(guī)劃。

1 材料與方法

1.1 目標人群的選擇

選取2020 年1 月—11 月期間就診于哈爾濱醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院神經(jīng)外科的3 名患者（表1）并收集其DSA、計算機斷層血管造影（computed tomography angiography，CTA）數(shù)據(jù)。選取條件為：（1）經(jīng)DSA 確診的MCA 動脈瘤；（2）計劃行開顱夾閉手術(shù)。受試者：6 位低年資神經(jīng)外科醫(yī)生，均有參與開顱動脈瘤夾閉手術(shù)實踐經(jīng)歷。

表1 患者資料

評價者：1 位高年資神經(jīng)外科醫(yī)生，主刀開顱手術(shù)經(jīng)驗豐富，行開顱動脈瘤夾閉手術(shù)逾300 例。

1.2 圖像處理及模型打印

使用Mimics 軟件，一種專門為醫(yī)學設(shè)計的3D 圖像生成及編輯處理軟件。將CTA、DSA 原始數(shù)據(jù)以醫(yī)學數(shù)字成像（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式直接導入并進行處理，通過軟件運算將數(shù)字成像中的數(shù)據(jù)和醫(yī)學數(shù)據(jù)進行三維可視化，通過剪切、調(diào)節(jié)閾值來建模（圖1）。以.stl（STereoLithography）格式導出，輸入3D 打印機，打印模型[6-8]。

圖1A 三維圖像可視化重建

圖1B 三維圖像可視化重建

1.3 對參培人員的評價

首先由6 位低年資神經(jīng)外科醫(yī)生通過3D-DSA 影像來觀察動脈瘤大小、形狀、指向及載瘤動脈的分支、瘤體與周圍血管、骨質(zhì)等的位置關(guān)系，而后在1 號模型進行首次動脈瘤夾閉模擬。模擬后由高年資神經(jīng)外科教授針對參培人員的操作進行評價打分，并向住院醫(yī)師講解動脈瘤夾閉手術(shù)要點及注意事項。隨后參培人員使用相同模型再次模擬，并接受高年資神經(jīng)外科教授的評價，最后每位參培人員都會參與本模型對應實際患者的動脈瘤夾閉手術(shù)或觀看錄像，此時參培人員完成整個實驗流程。每位參培人員都依次在1、2、3 號模型上進行上述流程。手術(shù)結(jié)束后通過手術(shù)視頻進行模型與實際手術(shù)之間的對比（圖2）。

圖2A 模型與實際手術(shù)對比

圖2B 與實際手術(shù)對比

我們的評價是使用顱內(nèi)動脈瘤夾閉手術(shù)操作評價表：objective structured assessment of aneurysm clipping skills（OSAACS）[9]，該表是由外科手術(shù)操作技能評價表改良的評價動脈瘤夾閉手術(shù)中的具體操作差別的量表，包括8 個與動脈瘤手術(shù)操作技能相關(guān)的項目（表3），即手術(shù)體位、操作時間、夾閉準確度、載瘤動脈保護、手術(shù)器械使用、術(shù)前計劃、顯微鏡使用、手術(shù)器械熟練。各項目分數(shù)范圍為1 到5 分，總分為40 分，通過此表能夠評價術(shù)者在顱內(nèi)動脈瘤夾閉手術(shù)中的操作細節(jié)。

1.4 統(tǒng)計學分析

所有評分數(shù)據(jù)運用SPSS 20.0 軟件進行統(tǒng)計學分析，計量資料用（）表示，采用t檢驗；兩組以上計量資料之間的比較采用單因素方差分析，進一步兩兩比較使用Q 檢驗；P＜0.05 表示差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

表2結(jié)果顯示，6位低年資參培人員分別被標為A、B、C、D、E、F，其中A、B 是工作2 年的神經(jīng)外科住院醫(yī)師，有10 次左右顱內(nèi)動脈瘤夾閉手術(shù)助手經(jīng)驗，C、D 工作4 年，有30 次左右顱內(nèi)動脈瘤夾閉手術(shù)助手經(jīng)驗，E、F工作5 年，有超過50 次的顱內(nèi)動脈瘤夾閉手術(shù)助手經(jīng)驗。表3 為每位參培人員完成每次模擬后由神經(jīng)外科教授所評的得分。每位參培人員在三個模型中，第二次得分均比第一次的得分高，且P＜0.001，差異有統(tǒng)計學意義（表3）。在3 例MCA 動脈瘤模型中，1 號模型位于M2 段，有三條干，夾閉難度要高于2 號；2 號模型位于M1 段，但其動脈瘤瘤頸更寬，夾閉難度要高于3 號。

表2 動脈瘤夾閉手術(shù)技能評價表

每位參培人員在1、2、3 號模型的訓練中，第二次模擬得分均比第一次模擬得分更高，配對t檢驗顯示兩組差異有統(tǒng)計學意義。每人再一次進行1、2、3 號模型進行模擬的時候得分均值依次增高。隨著模擬次數(shù)的增多，參培人員在消耗時間的項目中得分越來越高，說明隨著模擬次數(shù)的增多，參培人員操作所需時間越來越少。

表3 結(jié)果顯示，每位參訓人員的三個模型中，第二次得分均比第一次的得分高，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.001）。

表3 配對t 檢驗分析每位人員的每個模型第一次和第二次得分的差異（分，）

表3 配對t 檢驗分析每位人員的每個模型第一次和第二次得分的差異（分，）

3 討論

每位參培人員在經(jīng)過“模擬-教學-模擬-實際手術(shù)”這一完整流程后，比較2 次模擬得分，第二次得分較第一次得分均有提高。我們認為經(jīng)過這一流程的培訓，能夠使低年資醫(yī)生的開顱動脈瘤夾閉手術(shù)的操作技能得到提升。配對t檢驗分析顯示培訓前后得分差異有統(tǒng)計學意義，這說明3D 打印高仿真模型適用于低年資醫(yī)生的培訓任務(wù)。我們設(shè)計的流程中，在第一次模擬后參培人員接受神經(jīng)外科教授的講解，也是提高第二次模擬分數(shù)的影響因素，但我們也分析了每位人員在1、2、3 號模型上進行的3 個第一次模擬得分和3 個第二次模擬得分，發(fā)現(xiàn)每位人員的3 個第一次得分均值依次增高，3 個第二次得分均值也呈同樣趨勢，綜合后我們認為3D 打印動脈瘤模型能夠用于低年資神經(jīng)外科醫(yī)生的培訓。動脈瘤開顱夾閉手術(shù)經(jīng)驗越豐富的參與人員其第一次得分也越高，人員E、F 比人員C、D 的第一次模擬起步得分更高，同樣的情況在人員C、D 與人員A、B 的比較中也存在，這也符合平時手術(shù)經(jīng)驗多，手術(shù)技巧也相對嫻熟的規(guī)律。

現(xiàn)在介入栓塞適用于大多數(shù)的動脈瘤，尤其是那些患有難以開顱手術(shù)治療的動脈瘤的患者，這導致開顱動脈瘤夾閉手術(shù)量逐漸減少[10]。對于神經(jīng)外科住院醫(yī)師的培養(yǎng)，以前唯一的方法是通過手術(shù)數(shù)量與經(jīng)驗的積累，因此對神經(jīng)外科醫(yī)生的模擬手術(shù)培訓更值得青睞，并且計算機技術(shù)的發(fā)展也使各種手術(shù)模擬系統(tǒng)成為可能。3D打印技術(shù)則能夠為這些問題帶來解決方法，本研究中打印了3 例高仿真動脈瘤模型，1、2、3 號模型的打印分別花費了9 h、10.5 h、8 h。3 例病例均為體檢發(fā)現(xiàn)，限期手術(shù)患者，動脈瘤未破裂出血，有充足時間來制作3D打印動脈瘤模型，但是對于有aSAH 的患者，病情危急，隨時面臨再次破裂出血可能，所以在時間上可能無法有足夠時間來收集、運送、處理影像數(shù)據(jù)資料，制作打印模型，這個問題是限制其應用的一個重要因素。

MCA 動脈瘤是顱內(nèi)動脈瘤中最常見的類型之一，約占所有顱內(nèi)動脈瘤的1/4～1/5。MCA 供應同側(cè)大腦半球2/3 的血供，血流量較大、分支較多且局部解剖結(jié)構(gòu)復雜，因此MCA 動脈瘤的形態(tài)多變，且多為寬頸動脈瘤，并不適合進行介入栓塞手術(shù)治療[11]。MCA 動脈瘤一旦破裂更易引起顱內(nèi)血腫、腦疝、偏癱等不良預后[12-13]。因此無論是對于破裂或未破裂MCA 動脈瘤，精準地顯微手術(shù)夾閉都尤為重要。

本研究中，利用3D 打印技術(shù)打印出3 例高仿真MCA 動脈瘤模型，這有助于幫助參培人員更立體地了解動脈瘤的形狀、大小、位置、周圍血管、瘤頸等重要信息。我們可以看出在經(jīng)過模擬手術(shù)后，參培人員的手術(shù)技能都有所提高。與傳統(tǒng)學習模式相比，3D 打印技術(shù)在手術(shù)室外為經(jīng)驗不足的醫(yī)生提供了一個高度仿真的學習條件。而相對于利用動物模型、大體頭顱標本模擬手術(shù)和參觀手術(shù)進行學習、提高手術(shù)技巧，3D 打印技術(shù)可以耗費更少的資源，減短學習時間，最大幅度的優(yōu)化年輕醫(yī)生的學習曲線[14-15]。因此，與傳統(tǒng)的學習模式相比，3D 打印模型有著巨大的優(yōu)勢和潛力。同時，這些模型也可幫助醫(yī)生與患者及家屬更形象地溝通，使患者及家屬更容易理解什么是動脈瘤、動脈瘤的位置以及手術(shù)方式，Wurm 等[16]的一項研究已證實模型在臨床工作中的應用增加了患者及家屬對疾病的理解。Mankovich 等[17]在1990年成功打印三維顱骨模型，在腦血管神經(jīng)外科中，Derso 等[18]描述了快速成型技術(shù)的使用，以制作動脈瘤模型。

本研究中模型的另外局限在于，其尚未實現(xiàn)側(cè)裂靜脈，細小動脈，蛛網(wǎng)膜腔隙，硬腦膜的構(gòu)建。因為蛛網(wǎng)膜的解剖、分離側(cè)裂靜脈是手術(shù)中一個重要的步驟，我們正在尋找一種合適的材料來制作蛛網(wǎng)膜。

4 結(jié)論

3D 打印顱內(nèi)動脈瘤模型能夠用于低年資神經(jīng)外科醫(yī)生的培訓。通過在3D 打印顱內(nèi)動脈瘤模型上的累積訓練，能夠提高術(shù)者的操作技能水平。