3D打印模型在神经外科住培技能教学中的应用

王跃华 李永鹏 孙博文 孟钰骁 朱玉竞 王东鹏 史怀璋

颅内动脉瘤是蛛网膜下腔出血（subarachnoid hemorrhage，SAH）的首要病因，动脉瘤性蛛网膜下腔出 血（aneurysmal subarachnoid hemorrhage，aSAH）在世界范围内的总体年发病率约为9.1/10 万[1]。对于破裂出血的颅内动脉瘤，积极手术治疗是预防再次出血、保障生命的最佳选择，目前主要的手术方式有开颅夹闭与血管内介入栓塞，而对于大脑中动脉（Middle cerebral artery，MCA）动脉瘤来说，开颅夹闭是优先选择的术式。MCA 动脉瘤形状各异，颅内血管走行复杂，单纯的影像信息难以全方面地展示动脉瘤。20 世纪90 年代出现的三维（three-dimensional，3D）打印技术在脑血管病栓塞治疗、动脉瘤手术夹闭、脑肿瘤切除术中发挥了重要作用[2-4]，实现了从单纯视觉到视觉-触觉模型的转变，有助于神经外科医生的临床培养及制定手术计划[5]。本研究利用打印出的3 例高仿真颅内动脉瘤3D 打印模型，对低年资神经外科医生手术技能进行训练并评价，并完成术前的模拟与手术规划。

1 材料与方法

1.1 目标人群的选择

选取2020 年1 月—11 月期间就诊于哈尔滨医科大学附属第一医院神经外科的3 名患者（表1）并收集其DSA、计算机断层血管造影（computed tomography angiography，CTA）数据。选取条件为：（1）经DSA 确诊的MCA 动脉瘤；（2）计划行开颅夹闭手术。受试者：6 位低年资神经外科医生，均有参与开颅动脉瘤夹闭手术实践经历。

表1 患者资料

评价者：1 位高年资神经外科医生，主刀开颅手术经验丰富，行开颅动脉瘤夹闭手术逾300 例。

1.2 图像处理及模型打印

使用Mimics 软件，一种专门为医学设计的3D 图像生成及编辑处理软件。将CTA、DSA 原始数据以医学数字成像（digital imaging and communications in medicine，DICOM）格式直接导入并进行处理，通过软件运算将数字成像中的数据和医学数据进行三维可视化，通过剪切、调节阈值来建模（图1）。以.stl（STereoLithography）格式导出，输入3D 打印机，打印模型[6-8]。

图1A 三维图像可视化重建

图1B 三维图像可视化重建

1.3 对参培人员的评价

首先由6 位低年资神经外科医生通过3D-DSA 影像来观察动脉瘤大小、形状、指向及载瘤动脉的分支、瘤体与周围血管、骨质等的位置关系，而后在1 号模型进行首次动脉瘤夹闭模拟。模拟后由高年资神经外科教授针对参培人员的操作进行评价打分，并向住院医师讲解动脉瘤夹闭手术要点及注意事项。随后参培人员使用相同模型再次模拟，并接受高年资神经外科教授的评价，最后每位参培人员都会参与本模型对应实际患者的动脉瘤夹闭手术或观看录像，此时参培人员完成整个实验流程。每位参培人员都依次在1、2、3 号模型上进行上述流程。手术结束后通过手术视频进行模型与实际手术之间的对比（图2）。

图2A 模型与实际手术对比

图2B 与实际手术对比

我们的评价是使用颅内动脉瘤夹闭手术操作评价表：objective structured assessment of aneurysm clipping skills（OSAACS）[9]，该表是由外科手术操作技能评价表改良的评价动脉瘤夹闭手术中的具体操作差别的量表，包括8 个与动脉瘤手术操作技能相关的项目（表3），即手术体位、操作时间、夹闭准确度、载瘤动脉保护、手术器械使用、术前计划、显微镜使用、手术器械熟练。各项目分数范围为1 到5 分，总分为40 分，通过此表能够评价术者在颅内动脉瘤夹闭手术中的操作细节。

1.4 统计学分析

所有评分数据运用SPSS 20.0 软件进行统计学分析，计量资料用（）表示，采用t检验；两组以上计量资料之间的比较采用单因素方差分析，进一步两两比较使用Q 检验；P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果

表2结果显示，6位低年资参培人员分别被标为A、B、C、D、E、F，其中A、B 是工作2 年的神经外科住院医师，有10 次左右颅内动脉瘤夹闭手术助手经验，C、D 工作4 年，有30 次左右颅内动脉瘤夹闭手术助手经验，E、F工作5 年，有超过50 次的颅内动脉瘤夹闭手术助手经验。表3 为每位参培人员完成每次模拟后由神经外科教授所评的得分。每位参培人员在三个模型中，第二次得分均比第一次的得分高，且P＜0.001，差异有统计学意义（表3）。在3 例MCA 动脉瘤模型中，1 号模型位于M2 段，有三条干，夹闭难度要高于2 号；2 号模型位于M1 段，但其动脉瘤瘤颈更宽，夹闭难度要高于3 号。

表2 动脉瘤夹闭手术技能评价表

每位参培人员在1、2、3 号模型的训练中，第二次模拟得分均比第一次模拟得分更高，配对t检验显示两组差异有统计学意义。每人再一次进行1、2、3 号模型进行模拟的时候得分均值依次增高。随着模拟次数的增多，参培人员在消耗时间的项目中得分越来越高，说明随着模拟次数的增多，参培人员操作所需时间越来越少。

表3 结果显示，每位参训人员的三个模型中，第二次得分均比第一次的得分高，差异有统计学意义（P＜0.001）。

表3 配对t 检验分析每位人员的每个模型第一次和第二次得分的差异（分，）

表3 配对t 检验分析每位人员的每个模型第一次和第二次得分的差异（分，）

3 讨论

每位参培人员在经过“模拟-教学-模拟-实际手术”这一完整流程后，比较2 次模拟得分，第二次得分较第一次得分均有提高。我们认为经过这一流程的培训，能够使低年资医生的开颅动脉瘤夹闭手术的操作技能得到提升。配对t检验分析显示培训前后得分差异有统计学意义，这说明3D 打印高仿真模型适用于低年资医生的培训任务。我们设计的流程中，在第一次模拟后参培人员接受神经外科教授的讲解，也是提高第二次模拟分数的影响因素，但我们也分析了每位人员在1、2、3 号模型上进行的3 个第一次模拟得分和3 个第二次模拟得分，发现每位人员的3 个第一次得分均值依次增高，3 个第二次得分均值也呈同样趋势，综合后我们认为3D 打印动脉瘤模型能够用于低年资神经外科医生的培训。动脉瘤开颅夹闭手术经验越丰富的参与人员其第一次得分也越高，人员E、F 比人员C、D 的第一次模拟起步得分更高，同样的情况在人员C、D 与人员A、B 的比较中也存在，这也符合平时手术经验多，手术技巧也相对娴熟的规律。

现在介入栓塞适用于大多数的动脉瘤，尤其是那些患有难以开颅手术治疗的动脉瘤的患者，这导致开颅动脉瘤夹闭手术量逐渐减少[10]。对于神经外科住院医师的培养，以前唯一的方法是通过手术数量与经验的积累，因此对神经外科医生的模拟手术培训更值得青睐，并且计算机技术的发展也使各种手术模拟系统成为可能。3D打印技术则能够为这些问题带来解决方法，本研究中打印了3 例高仿真动脉瘤模型，1、2、3 号模型的打印分别花费了9 h、10.5 h、8 h。3 例病例均为体检发现，限期手术患者，动脉瘤未破裂出血，有充足时间来制作3D打印动脉瘤模型，但是对于有aSAH 的患者，病情危急，随时面临再次破裂出血可能，所以在时间上可能无法有足够时间来收集、运送、处理影像数据资料，制作打印模型，这个问题是限制其应用的一个重要因素。

MCA 动脉瘤是颅内动脉瘤中最常见的类型之一，约占所有颅内动脉瘤的1/4～1/5。MCA 供应同侧大脑半球2/3 的血供，血流量较大、分支较多且局部解剖结构复杂，因此MCA 动脉瘤的形态多变，且多为宽颈动脉瘤，并不适合进行介入栓塞手术治疗[11]。MCA 动脉瘤一旦破裂更易引起颅内血肿、脑疝、偏瘫等不良预后[12-13]。因此无论是对于破裂或未破裂MCA 动脉瘤，精准地显微手术夹闭都尤为重要。

本研究中，利用3D 打印技术打印出3 例高仿真MCA 动脉瘤模型，这有助于帮助参培人员更立体地了解动脉瘤的形状、大小、位置、周围血管、瘤颈等重要信息。我们可以看出在经过模拟手术后，参培人员的手术技能都有所提高。与传统学习模式相比，3D 打印技术在手术室外为经验不足的医生提供了一个高度仿真的学习条件。而相对于利用动物模型、大体头颅标本模拟手术和参观手术进行学习、提高手术技巧，3D 打印技术可以耗费更少的资源，减短学习时间，最大幅度的优化年轻医生的学习曲线[14-15]。因此，与传统的学习模式相比，3D 打印模型有着巨大的优势和潜力。同时，这些模型也可帮助医生与患者及家属更形象地沟通，使患者及家属更容易理解什么是动脉瘤、动脉瘤的位置以及手术方式，Wurm 等[16]的一项研究已证实模型在临床工作中的应用增加了患者及家属对疾病的理解。Mankovich 等[17]在1990年成功打印三维颅骨模型，在脑血管神经外科中，Derso 等[18]描述了快速成型技术的使用，以制作动脉瘤模型。

本研究中模型的另外局限在于，其尚未实现侧裂静脉，细小动脉，蛛网膜腔隙，硬脑膜的构建。因为蛛网膜的解剖、分离侧裂静脉是手术中一个重要的步骤，我们正在寻找一种合适的材料来制作蛛网膜。

4 结论

3D 打印颅内动脉瘤模型能够用于低年资神经外科医生的培训。通过在3D 打印颅内动脉瘤模型上的累积训练，能够提高术者的操作技能水平。