3D打印技術在全脊柱內鏡手術臨床教學中的應用

［摘 要］ 為探討3D打印技術在全脊柱內鏡手術臨床教學中的應用，通過3D打印技術重建擬手術病變節段脊柱骨性結構單元，結合術中觀摩、術后脊柱內鏡手術視頻，復盤全脊柱內鏡手術過程，教授學員脊柱內鏡手術定位、手術路徑、關鍵步驟及手術技巧要點。分別對2020年6月至2022年10月在本科室進修、輪轉的醫師及研究生等共30名學員，進行平均為期3個月的臨床教學培訓。培訓結束后進行培訓效果考核及滿意度調查。結果表明，學員平均臨床學習時間3個月，出科考核成績為（86.77±6.43）分，合格率為100.00%，其中優秀率為83.33%。滿意度調查結果顯示學員滿意度得分為（91.07±4.32）分。因此，通過3D打印技術重建手術節段模型，結合手術觀摩及術后手術視頻進行臨床教學，學員能夠較快地理解并掌握全脊柱內鏡手術操作基本技術，有效地提升了學員培訓效果，提高了學員全脊柱內鏡臨床手術技能，具有重要的教學價值。

［關鍵詞］ 3D打印；脊柱內鏡手術；臨床教學；手術培訓

［基金項目］ 2019年度首都臨床診療技術研究及示范應用項目“富血小板血漿椎間盤注射聯合椎間孔鏡技術治療腰椎間盤突出癥及術后康復的臨床研究”（Z191100006619028）

［作者簡介］ 張燕（1979—），男，山東寧陽人，博士，解放軍總醫院第六醫學中心中醫醫學部骨傷科副主任醫師，主要從事脊柱退行性疾病診療及微創治療技術研究；張晗碩（1995—），男，河北霸州人，碩士，解放軍總醫院第六醫學中心中醫醫學部骨傷科醫師，主要從事脊柱退行性疾病的診治及脊柱生物力學有限元分析研究；丁宇（1969—），男，山東聊城人，博士，解放軍總醫院第六醫學中心中醫醫學部骨傷科主任醫師，教授（通信作者），主要從事骨傷康復及脊柱疾病微創治療技術研究。

［中圖分類號］ G642.0 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2024）15-0129-04 ［收稿日期］ 2023-09-02

近20年來，脊柱內鏡相關的光學透鏡、光纖、顯示及計算機系統等設備和技術的進步，使得脊柱內鏡手術得到了越來越廣泛的臨床應用［1］。由椎間孔入路逐漸擴大到了經椎板間入路等“全內鏡”技術，用于治療更廣泛的脊柱疾病。可以預測隨著脊柱內鏡技術的持續發展和應用，脊柱內鏡手術最終將會成為脊柱外科治療的主流方法。由于脊柱內鏡手術對局部精細解剖要求高，操作器械不同于傳統的手術器械，手術要求精細度更高，因此脊柱內鏡手術初學者學習曲線長［2］。目前的脊柱內鏡學習方法主要有理論講解、手術觀摩、尸體標本操作、手術帶教、脊柱內鏡手術視頻學習等方法，但仍然存在學習曲線偏長、對手術入路理解不深刻、對局部解剖辨識不準確等問題［3］。

近年來3D打印技術發展迅速，已經被用到醫學各領域，尤其是在脊柱外科應用更加廣泛。3D打印技術可用于術前的患者溝通宣教、手術模擬，術中輔助導航定位及專科醫師的教育培訓等方面。本文將3D打印技術融入脊柱內鏡手術教育培訓過程，通過術前理論講解、術中觀摩學習、術后結合手術視頻及3D模型進行手術復盤及討論，可有效提高學習效率及成績，對于培養脊柱內鏡專科醫師具有一定的教學價值。

一、資料與方法

（一）一般資料

選取對2020年6月至2022年10月在解放軍總醫院第六醫學中心中醫醫學部骨傷科進修、輪轉的醫師及研究生等學員共30名。

（二）方法

結合3D打印模型進行臨床教學，平均每周進行2次培訓，包括理論授課、手術觀摩、術后視頻觀看、結合3D模型進行手術復盤，每次授課時長約3小時。授課過程中使用3D模型結合手術視頻重點講解全脊柱內鏡入路定位、手術路徑、關鍵步驟及手術技巧。學員平均學習3個月，培訓結束后對學員進行理論考核，并使用滿意度調查表調查學員對培訓的滿意度。

1.3D打印重建手術節段脊柱骨性結構單元。利用CT掃描獲目標節段脊柱的DICOM圖像，創建一個基于計算機的3D CAD模型的脊柱單元，通過沉積的方式打印該3D模型。

2.全脊柱內鏡手術觀摩及視頻錄制。全脊柱內鏡手術觀摩在手術室進行，手術同時進行視頻錄制。術中講解如何定位手術節段及穿刺點、脊柱內鏡手術基本操作過程、脊柱內鏡手術器械的使用注意事項、術中應用解剖及手術效果評估等內容。使用與內鏡系統配套的手術視頻系統錄制手術高清視頻，將視頻拷貝到教學U盤備用。

3.使用3D模型進行教學實踐。使用重建的3D模型可直觀地呈現出患者脊柱節段病變骨性增生狹窄部位，比如腰椎管狹窄患者，主要是上關節突內側骨質增生造成側隱窩狹窄，壓迫行走根引起下肢間歇性跛行。首先結合3D模型進行脊柱疾病相關臨床知識的理論講解，使學員掌握脊柱疾病的臨床理論、脊柱內鏡手術的適應癥；然后播放手術視頻，示教教師同步在3D模型上復盤手術過程，讓學員直觀理解內鏡手術的定位、手術入路、重要步驟及手術技巧，理解脊柱內鏡不同角度達到的不同解剖結構；使用脊柱內鏡手術器械如環鋸、磨鉆及椎板咬鉗等在3D模型上進行手術演示，邊復盤、邊示教、邊講解。學員可使用3D模型反復練習脊柱內鏡手術過程。

4.教學效果評價。學員培訓3個月結束后進行出科理論考核和滿意度評估。理論考核為閉卷定時考核，考核時間60分鐘，滿分100分，80分以上優秀，60分以上合格。理論考核內容主要包括脊柱疾病的臨床表現、診斷、脊柱內鏡基本理論知識，以及不同脊柱疾病內鏡術式、入路定位選擇、鏡下重要解剖標記辨識、手術操作步驟及操作技巧、注意事項等內容。學員滿意度調查表為滿分100分的量化調查表格，主要包括術前理論授課、3D模型重建、術中手術觀摩、術后視頻觀看、3D模型復盤、手術器械操作、術后討論、教學方式、教學內容、教學流程等共十部分內容；優秀10分，良好8分，一般6分，較差3分；十部分內容得分相加得到的總分為滿意度分數。

二、結果

學員平均臨床學習時間3個月，出科考核成績為（86.77±6.43）分，合格率為100.00%，其中優秀率為83.33%。滿意度調查結果顯示學員滿意度得分為（91.07±4.32）分。

三、討論

全脊柱內鏡手術屬于脊柱微創手術的一種，相對于傳統開放手術，具有創傷小、出血少、恢復快的優點。但是全脊柱內鏡手術操作難度大、手術視野小、鏡下解剖結構辨識困難，因此學習曲線較長。內鏡手術對于局部精細解剖要求更高，尤其對骨性解剖結構必須具備精準的辨識。因此，在早期階段外科醫生必須經過專業的學習培訓和不斷的實踐積累。

3D打印技術早在21世紀初就已被應用于醫療領域，近年來已得到廣泛的研究和應用。在脊柱外科領域3D打印技術已經應用于醫療護理及教育培訓的各個方面，包括術前患者宣教、制訂手術計劃、進行手術模擬、作為骨性結構替代置入物及醫師教育培訓［4］。3D模型可以重復使用，反復模擬病變的外科切除，研究制訂詳實的術前計劃，有助于幫助減少手術時間；使用3D打印模型模擬手術過程，可減少重要神經、血管的損傷機會，降低手術風險［5］。隨著3D打印技術的進一步發展和普及，在脊柱外科領域有望開展更多的創新性應用。

有研究報道，相對于使用傳統的影像學圖片教學，3D模型輔助教學可顯著提高醫學生的學習效率及學習成績。多項研究也證實了醫師在3D模型上進行操作練習的表現與實踐操作的表現具有很強的一致性［6］。雖然3D打印模型已被證明可以提高學員脊柱微創手術和常規開放手術的外科訓練效率，但是到目前為止使用3D打印技術進行全脊柱內鏡手術教學及培訓國內外鮮有報道。我們通過教學實踐發現，使用3D打印技術模擬重建手術病變節段脊柱骨骼標本，可以為學員提供直觀的立體感及觸覺反饋。學員使用3D模型結合手術視頻，可以更好地理解脊柱內鏡的手術入路、關鍵步驟及手術技巧。學員在3D模型上進行手術復盤及模擬練習后，能夠快速理解脊柱內鏡操作技術要點，更快地掌握全脊柱內鏡手術。通過對學員理論考核及滿意度調查結果的分析，我們認為3D打印技術可對臨床教學起到積極的推動作用，有效地提升學習效率，對于培養脊柱內鏡醫師具有重要的價值。

在教學實踐中，學員可以通過3D重建的脊柱節段，很直觀地理解并掌握脊柱內鏡的入路通道、套管角度及骨性標志定位點，理解病變節段的骨性減壓范圍及減壓步驟。學員在模型上進行環鋸操作練習時，可準確地在3D模型上進行環鋸定位，使用鋸除進行椎板開窗及側隱窩減壓，并能有效保護關節突峽部，防止關節突峽部斷裂引起術后脊柱失穩的發生。學員使用磨鉆或椎板咬鉗進行側隱窩減壓時，可根據不同患者骨質增生的程度進行有效減壓。學員在3D打印模型中反復練習過程中，具有比手術觀摩更好的感性認識，產生直觀形象的手術情景，具有身臨其境的感覺，可快速提高手術技能。

國內外醫學生培養，在大學階段使用尸體標本進行教學是比較常規的教學方式，由于是醫學生集體授課，教學效率高，并且標本使用率高。在臨床實踐教學階段雖然也可以使用尸體標本進行手術示教，為學員提供實踐機會，但尸體標本獲取困難并且價格昂貴，而且尸體標本并不能完全模擬手術患者真實的脊柱病理變化。3D打印技術可真實重建手術節段脊柱的病變，不僅提高了學員對脊柱解剖結構的理解，更有助于理解脊柱的病理形態變化及手術方式的選擇。Burkhart等［7］在研究中發現，3D打印模型在觸覺和生物力學上模擬脊柱后路手術的效果優于尸體標本。3D打印模型可以用于術前模擬操作，術后的手術復盤，可有效提高學員的學習效率。

雖然3D打印技術有助于培養脊柱內鏡醫師，但在教學實踐過程中仍存在不足之處。由于缺乏專門的生物學材料，我們的3D打印模型只是重建模擬了脊柱節段的骨性結構，沒有模擬重建具有相同生物力學性能的黃韌帶、椎間、肌肉、血管、神經等結構，這雖然影響了手術模擬的真實感受，但是對于教學培訓來說，單一的骨性結構更容易使學員理解重度腰椎管狹窄癥的骨性增生病變。綜上所述，3D打印技術有利于學員快速理解并掌握全脊柱內鏡，不僅提升了學員學習效率，能夠快速掌握脊柱內鏡關鍵技術，還讓學員在教學過程中初步了解3D打印技術，拓寬了知識面，有益于脊柱外科醫師的培養。

參考文獻

［1］SIMPSON AK， LIGHTSEY HM 4th， XIONG GX， et al. Spinal endoscopy： evidence， techniques， global trends， and future projections［J］. Spine J， 2022（22）：64-74.

［2］GADJRADJ PS， VREELING A， DEPAUW PR， et al. Surgeons learning curve of transforaminal endoscopic discectomy for sciatica［J］. Neurospine， 2022（19）：594-602.

［3］王偉恒，唐國柯，謝孝興，等.微創脊柱內鏡手術視頻在脊柱外科進修醫生繼續教育中的應用［J］.現代醫藥衛生，2022，38（14）：2476-2479.

［4］KABRA A， MEHTA N， GARG B. 3D printing in spine care： A review of current applications［J］. J clin orthop trauma，2022（35）：102044.

［5］PARR W， BURNARD JL， WILSON PJ， et al. 3D printed anatomical（bio） models in spine surgery： Clinical benefits and value to health care providers［J］. J spine surg， 2019（5）：549-560.

［6］BOHL MA， MCBRYAN S， PAIS D， et al. The living spine model： A biomimetic surgical training and education tool［J］. Oper neurosurg （Hagerstown），2020（19）：98-106.

［7］BURKHARD M， FüRNSTAHL P， FARSHAD M. Three-dimensionally printed vertebrae with different bone densities for surgical training［J］. Eur spine J， 2019（28）：798-806.