3D打印可拆卸垂體瘤切除模型的真實性評估

顧 瀟，潘周嫻，陳 適，沈 震，牛璐璐,5，潘 慧，姚 勇

(中國醫學科學院 北京協和醫學院 北京協和醫院 1.臨床醫學八年制；2.變態反應科；3.內分泌科；6.神經外科，北京100730；4.中國科學院 自動化研究所，北京100190；5.中國科學院大學 人工智能學院，北京100190)

內鏡下經蝶竇垂體腺瘤切除術(endoscopic transsphenoidal surgery, ETS)是垂體腺瘤的主要治療方式。該手術需在狹小空間內準確定位垂體腺瘤并切除，同時避免損傷周圍正常垂體組織以及毗鄰解剖結構，對術者要求較高。該手術的常見并發癥與手術醫生的學習曲線有關：當術者主刀手術例數>50時，患者術后腦脊液漏的發生率出現顯著下降[1-2]。因此，對于醫學生與低年資醫生而言，在參與真實手術前應充分進行仿真模擬練習，積累一定的操作經驗。

三維打印(three dimensional printing[3]，3D打印)是一種新興的制造技術，可對復雜精細結構進行快速制造。3D打印在醫療領域中的應用較為廣泛，包括提供解剖模型、進行手術指導和制造移植器官等；應用范圍涵蓋多個手術科室，如整形外科、口腔科、神經外科和骨科[4-5]。近年來，3D打印仿真人體模型逐漸推廣于外科操作練習中。與傳統大體解剖模型相比，3D打印模型具有易于獲取、保存長久的優點，適合重復練習操作技術。然而，實現3D打印教具的難點在于如何最大程度地還原真實解剖結構。這意味著在制造教具時需要構建精確模型，挑選外觀與質地符合人體構造的打印材料。

目前已有部分研究采用3D打印制作教學模型，但對于仿真模型的研究較少[6-7]。本課題組采用體繪制圖像、數字模型與低成本3D臺式打印機制作了顱底模型[8]，并在此基礎之上構建了經鼻蝶入路垂體腺瘤切除操作模型。本文對垂體腺瘤切除操作模型的真實性進行了探究，并初步探討了模型的教學性。

1 方法

1.1 垂體腺瘤模型構建

1.1.1 模型構建：圖1描述了垂體腺瘤切除模型的構建過程。使用Siemens SOMATOM Force CT掃描儀掃描患者頭部，所得數據導入Mimics，通過設置閾值來獲得所需的顱骨部分；使用Mimics的填充工具來修復數據采集和格式轉換過程中缺失的結構，以OBJ(OBJect)格式導出文件，并將其上載到Autodesk Mudbox(2012)中；然后使用數字雕刻三維操作工具，進一步雕刻重要部分的特征，使其更加明顯[9]。將模型分割為顱骨底座部分與鼻腔操作部分，以實現鼻腔部分拆卸更換的需求。

A. 鼻腔模型的建模與修復； B. 可拆卸鼻腔模型三視圖； C. 鼻腔鏡圖像：暴露“垂體腺瘤”圖1 經鼻可拆卸垂體腺瘤切除模型構建圖像Fig 1 Construction of nasal removable pituitary adenoma resection model

1.1.2 底座打印：使用直徑為1.75 mm、層厚為0.1 mm的白色聚乳酸(polylactic acid, PLA)材料，采用熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling, FDM)技術打印顱骨底座。

1.1.3 鼻腔構建：使用石膏材料，采用3D打印技術打印鼻腔[10]。首先在鼻腔手術區模型表面涂抹5度硅膠，使其具有皮膚般的質感；其次用502黏接劑黏住鼻道和鼻中隔兩側；然后使用0度硅膠與紅色色漿的混合體覆蓋鼻腔內部模擬腔內分泌物；最后在鼻腔模型的鞍區垂體窩內放置熟鵪鶉蛋，模擬待切除的垂體腺瘤；兩旁放置薄層硅膠制血袋，模擬雙側頸內動脈，并采用魔術帶固定。

本研究組以往研究文獻中包含構建模型的詳細步驟[10]。

1.2 評估方法

參與評估的人員包括北京協和醫院本院及進修醫師19名，按照年資進行分組：年資<10分入“低年資組”，共10人；年資≥10分入“高年資組”，共9人。每位醫師分別對3D打印垂體腺瘤切除模型進行如下操作：1) 鼻腔結構探查；2)暴露鵪鶉蛋模擬的“垂體”；3) 切除鵪鶉蛋模擬的“垂體”。操作前后分別填寫調查問卷與評估量表，包括：1)評估者基本信息：科室、年資、訓練經歷、操作信心等；2)評估量表：模型的外觀與操作真實度；3)主觀感受：評估者信心增長程度、建議等。

1.3 統計學分析

低年資組與高年資組間比較采用獨立樣本t檢驗，垂體腺瘤模型操作前后比較采用配對t檢驗。使用SPSS 25進行統計。

2 結果

2.1 評估者基本信息

評估者共19名，平均年齡為34.1±6.4，男性共16人(84.2%)，平均年資為8.3±6.4年。科室分布包括神經外科12名(63.2%)，外科5名(26.3%)，耳鼻喉科1名(5.3%)。職稱為住院醫師10名(52.6%)，主治醫師3名(15.8%)以及副主任醫師6名(31.6%)。

圖2統計了各評估者對于鼻腔鏡探查術與垂體腺瘤切除術的操作經驗。由圖可知，高年資組接觸兩種操作的探查經驗均高于低年資組。

A.鼻腔鏡操作次數統計； B.垂體瘤切除次數統計； C.鼻腔鏡探查操作的最高級別； D.垂體瘤切除術操作的最高級別圖2 評估者操作經驗統計Fig 2 Statistics of operating experience of the evaluator

2.2 評估量表

圖3為模型真實度量表中的各項評分情況。該模型所有真實度項目的得分均在4附近，其中評分最高為“結構大小仿真程度”，評分最低項為“組織軟硬仿真程度”，各評分項間無明顯差異。與“識別鼻腔結構”“成功暴露垂體腺瘤”步驟相比，“切除垂體腺瘤”的真實性評分相對較低(圖3A)。對于“垂體腺瘤”切除操作，高年資組評分普遍低于低年資組(圖3C)。

A.“垂體瘤”切除中核心操作步驟真實性評分； B.鼻腔鏡真實性評分； C.“垂體瘤”切除術真實性評分圖3 各量表評分Fig 3 Statistics of scores in each scale

2.3 主觀感受

圖4顯示了操作前后評估者的信心評分變化。由圖可知，除高年資組在垂體腺瘤切除操作后信心降低外，其余組別評分在兩項操作后均有上升。對年資組間進行比較，操作前低年資組信心評分顯著低于高年資組，操作后兩組評分趨于一致；對于“垂體腺瘤切除”步驟，低年資組的信心評分變化顯著高于高年資組(圖4B)。

低年資組與高年資組分別對下列信心評分進行獨立t檢驗：A.鼻腔鏡； B.“垂體瘤”切除術圖4 操作前后信心評分Fig 4 Confidence score before and after operation

評估者認為模型的“解剖結構準確程度”對于真實度最為重要；所有人均認為通過模型操作后知識儲備得到提升；對于模型的用途，選擇“手術教學”的評估者最多，為18名(94.7%)；對于訓練效果，選擇“增加操作熟練度”的評估者最多，為18名(94.7%)。

此外，部分評估者對模型的真實度提出了改造建議：1)面部采用更加堅硬的材料以模仿骨骼；2)應體現蝶竇開口；3)鼻中隔和鼻頂部應連到一起。

3 討論

內鏡下垂體腺瘤切除術對術者的操作技術要求較高，需要接受大量培訓[2]。傳統的仿真練習通常采用尸頭進行操作。然而遺體捐獻單位數量有限，尸頭數量稀少。新鮮尸頭標本演示性較好，但保存條件較為苛刻；固定尸頭易于保存，但結構順應性差。因此，開展教學的難點之一在于尋找易于獲得、便于長期使用的仿真模具。3D打印可根據建模批量制造精確模型，是制作解剖模具的優選，目前已有研究應用3D打印制作經蝶垂體瘤切除教學模型[7]。本文介紹了一例仿真垂體腺瘤切除模型，對真實性進行了評估。

真實性是一種抽象概念，模型內結構的大小、顏色、質地、位置等各種性質均可影響最終呈現的結果。本實驗根據真實性的影響因素制定了較為詳細的量表，從多角度、多方位評估，探討影響真實性呈現的主要原因。對于該模型，結構大小的仿真得分最高，這說明該模型的建模較為準確；但該模型的組織軟硬程度仍有欠缺，說明選擇適宜材料是仿真模型構建過程中的難點。模型構建的另一難點在于血管、腫瘤模型的真實性。本研究采用硅膠血袋和鵪鶉蛋模擬血管和腫瘤，實際教學中可根據培訓難度選擇不同的腫瘤替代物，例如對進階培訓人員可應用生鵪鶉蛋來模擬鞍底和鞍底硬膜，增加操作的難度。

此外，不同年資醫師對模型真實程度的理解各不相同，本文根據年資對醫師進行了分組。從評估量表結果可知，對于同一個解剖部位，高年資組的評分較低年資組更低。高年資組醫師操作經驗豐富，給出的評分更加接近真實情況。缺乏經驗的醫師對模型可能存在主觀印象，通過年資分組降低了主觀猜測造成的干擾。

本研究設計了操作前后信心變化評分，初步探究了模型的教學價值。從結果來看，操作后低年資組信心評分增長較多，向高年資組靠攏，證明該模型可針對缺乏經驗者提升操作信心，適宜應用于實際教學。由于本研究為教學試驗的鋪墊，尚未設計客觀指標體現操作前后的技能變化，在之后的實驗設計中將采用客觀指標與主觀指標結合的方式，對模型的教學價值進行詳細的研究。

本研究驗證了該垂體腺瘤切除模型具有較高的真實性。下一步將開展教學試驗，評估模型的教學作用，以期進一步推廣3D模型在教學中的應用。