3D打印联合混合现实技术在侧脑室穿刺教学中的运用研究

杜昌旺，史罗宁，王 玫，王茂德，刘 昊

西安交通大学第一附属医院：1 神经外科；2 肾移植科；3 病案室， 西安 710061

侧脑室穿刺术是神经外科的一项基本操作，也是神经外科医师必须掌握的基本技能。主要用于脑积水、脑室出血等危重患者的急救处理及脑室分流术的重要环节。穿刺点的位置、方向完全凭借医师的手感和经验，对手术医师要求高、风险也较大。目前，尚无良好的教学工具及训练方法。故该课题将3D打印技术、混合现实技术运用于侧脑室穿刺教学，取得了较好的效果，在教学中让神经外科医师、进修医师及实习生熟练掌握该操作，降低该手术的难度和风险。现介绍如下。

1 研究对象

征得本人同意，选取2013—2017年在神经外科学习的研究生、进修生及规培生为研究对象，随机分为培训组和对照组。

2 研究方法

2.1 教学方法

2.1.1将基于3D打印及神经导航系统的混合现实技术制成一套侧脑室穿刺教学工具采集3D打印源数据：以头颅磁共振T1WI为源数据，扫描参数：TE3.7 ms，TR765 ms ms，矩阵=256×256，FOV=256 mm，层厚=1 mm，无间隔连续扫描，数据存盘为DI- COM格式。依据DICOM源数据进行3D打印出1∶1的头颅模型。将3D打印的源数据输入到美敦力S7导航系统，并在导航系统重建头颅及脑室的3D图像，将头颅3D图像的可见度设置为20%，使得脑室3D图像可见。将头颅3D模型摆放合适头位并以头架固定，然后安装神经导航系统相关配件，以面部轮廓注册法将头颅3D模型注册到神经导航系统。头颅3D模型上标记穿刺点，按无菌原则进行消毒铺巾、钻孔，导航探针作为穿刺针，探针尖所在的部位在神经导航系统屏幕的冠、矢、轴位及3D图像上显示出来，从而可以判断穿刺部位、穿刺方向是否合适、是否进入脑室。整个操作过程等同于手术过程。两组学员均首先通过讲授法学习侧脑室前角、三角区、枕角的穿刺操作要领。

2.1.2实验组学员在上述制作的侧脑室穿刺教学工具上练习侧脑室前角、三角区、枕角穿刺，熟练后在教学工具上考核并记录成绩。

2.1.3对照组学员直接在上述制作的侧脑室穿刺教学工具上进行侧脑室前角、三角区、枕角穿刺考核并记录成绩。为了教学公平性，最后在教学工具上学习，熟练后再次考核并记录成绩。

2.2 评价方法

以患者术前准备头位、消毒、穿刺点选择、穿刺方向、穿刺深度、是否进入脑室、操作熟练程度制定评分细则，满分100分。记录实验组培训后成绩、对照组培训前、培训后成绩。对照组培训前成绩与实验组培训后成绩、对照组培训后成绩分别比较以评价该教学工具的效果；将实验组培训后成绩和对照组培训后成绩进行比较，评价该教学工具在不同学生群教学效果的稳定性；培训后全部学员前角、三角区、枕角成绩的差异比较以评估侧脑室穿刺不同部位的难易程度。全部学员培训后调查其对教学工具的评价，包括两个问题，第一个问题：该教学工具是否对侧脑室穿刺操作教学有帮助？选项：①没有帮助；②有帮助，但不大；③帮助很大。第二个问题：是否有信心给患者行侧脑室穿刺操作？选项：①没有信心；②有信心，但不大；③很有信心。

2.3 统计分析方法

3 结果

3.1 学员基本特征

共纳入143人为研究对象，均为男性。随机分为实验组72人和对照组71人。实验组年龄(31.9±4.5)岁，学历本科55(76.4%)人，硕士11(15.3%)人，博士6(8.3%)人，对照组年龄(33.3±4.4)岁，学历本科45(63.4%)人，硕士14(19.7%)人，博士12(16.9%)人，两组研究对象在年龄、学历构成上差异均无统计学意义(P>0.05)。

3.2 成绩比较

对照组培训前后比较：对照组培训前前角、三角区、枕角的成绩分别为：(86.85±4.99)分、(86.99±3.80)分、(85.32±4.09)分；对照组培训后前角、三角区、枕角的成绩分别为：(94.85±2.27)分、(94.68±2.24)分、(92.90±1.73)分。对照组培训前后在前角、三角区及枕角的成绩比较，差异均有统计学意义(t前角=15.062，P前角<0.001；t三角区=17.728，P三角区<0.001；t枕角=16.949，P枕角<0.001)；培训后成绩高于培训前成绩，说明该教学工具能提高侧脑室穿刺操作成绩，如表1所示。

两组间比较：实验组前角、三角区、枕角的成绩分别为：(94.26±2.39)分、(94.18±1.61)分、(92.54±1.59)分；实验组与对照组培训前在前角、三角区及枕角的成绩比较，差异均有统计学意义(t前角=11.316，P前角<0.001；t三角区=14.688，P三角区<0.001；t枕角=13.877，P枕角<0.001)；实验组与对照组培训后在前角、三角区及枕角的成绩比较，差异均无统计学意义(t前角=1.490，P前角=0.139；t三角区=1.522，P三角区=0.130；t枕角=1.296，P枕角=0.197)，说明该教学工具在实验组及对照组的稳定性好(如表1所示)。

不同穿刺部位比较：全部学员在该教学工具培训后前角、三角区、枕角的成绩分别为：(94.55±2.34)分、(94.43±1.96)分、(92.72±1.66)分，前角、三角区、枕角的成绩比较，差异有统计学意义(F=44.035，P<0.001)；组间两两比较，前角与三角区的成绩比较差异无统计学意义(P=0.946)，枕角与前角、枕角与三角区的成绩比较，差异均有统计学意义(P<0.001)，前角、三角区成绩略高于枕角。说明枕角穿刺操作难度系数较前角及三角区大，须反复练习(如表1所示)。

部 位实验组培训后(n=72)对照组培训前(n=71)对照组培训后(n=71)全部学员培训后(n=143)前 角(94.26±2.39)(86.85±4.99)(94.85±2.27)(94.55±2.34)*三角区(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)#

备注：*表示前角和三角区成绩比较，P>0.05；#表示枕角与前角、枕角与三角区成绩比较，P<0.05

3.3 学员对教学工具的评价

该教学工具是否对侧脑室穿刺操作教学有帮助？8人(5.6%)认为“没有帮助”，43人(30.1%)认为“有帮助，但不大”，92人(64.3%)认为“帮助很大”。94.4%的学员认为该教学工具对侧脑室穿刺教学有帮助。

是否有信心给患者行侧脑室穿刺操作？17人(11.9%)回答“没有信心”，24人(16.8%)回答“有信心，但不大”，102人(71.3%)回答“很有信心”。培训后88.1%的学员有信心给患者行侧脑室穿刺操作。通过该教学工具反复训练，学员在对真实的患者行侧脑室穿刺操作时能更从容面对。

4 讨论

侧脑室穿刺手术是神经外科医师必须掌握的一项基本技能，对诊断、抢救和治疗多种颅内疾病具有重大价值[1]。其成功实施的关键是穿刺过程中准确地一次性置管，使穿刺对脑组织的损伤降至最低。目前，侧脑室穿刺手术全凭医师的手感和经验，穿刺结果时常有偏差，有时甚至需要多次反复调整穿刺角度及深度方能成功，增加了出血、感染等并发症的发生几率。因此，对于神经外科医师尤其是年轻医师，熟练掌握侧脑室穿刺操作的技巧尤为重要。目前，侧脑室穿刺操作训练的基本途径大致有3种：①尸头练习；②仿真头颅解剖模型；③高年资医师指导及操作示范，年轻医师在手术过程中逐渐积累经验。上述方法各具优缺点，例如：尸头是最早应用于神经外科操作培训的，但无法了解穿刺路径及评估其最终是否进入脑室，充满甲醛的解剖室也令人窒息，此外，尸头的保持和维护费用也是相当昂贵。仿真头颅解剖模型存在精度不高、无法反映头颅解剖的真实性，训练效果也会大打折扣。而高年资医师指导与操作示范的方式受到一定医学伦理的限制，也将增加并发症的发生率[2-5]。

3D打印技术是近年来新兴的一种制造技术，其原理是“分层制造、逐层叠加”[6-9]，通过计算机读取DI- COM数据，三维建模后逐层建造高度逼真的1∶1颅脑实体模型，为神经外科医师提供了立体和触感的耦合，在此模型上实现皮肤表面定位、穿刺点标记、颅骨钻孔、穿刺角度及方向，几乎等同于给真实患者实施手术的全过程，故这样的操作培训与真实手术具有等效性，且没有风险。该研究结果中实验组培训后的成绩与对照组培训前的成绩及对照组培训后的成绩差异均有统计学意义，表明在3D打印模型上进行侧脑室穿刺操作练习能帮助学员掌握侧脑室穿刺操作，提高手术的熟练程度。研究中显示全部学员培训后枕角的穿刺操作成绩与前角、三角区的差异均有统计学意义，枕角穿刺的平均成绩低，分析原因可能与枕角的穿刺部位及方向比较难掌握，需要反复加强练习才能熟练掌握。

混合现实(mixedteality，MR)是将虚拟信息和真实场景融合，利用全息影像、实时交互等技术对现实世界进行重塑，实现虚拟信息在物理现实中的真实投影，具有动态可视化、真实、可交互的优点，将虚拟的信息和现实场景融为一体，可缓解学习的枯燥，有利于提高学生的学习效率[10]。该研究对全部学员问卷调查的两个问题培训前、后对比，差异均具有统计学意义，94.4%的学员培训后认为该教学工具对侧脑室穿刺教学有帮助。该教学工具将神经导航系统虚拟的环境与3D打印的颅脑实体模型进行注册，虚实结合、实时交互，在操作的过程中可以实时了解穿刺的角度、深度及是否到达侧脑室，极大地增强教师和学员的教学体验，使传统教学中抽象的概念变成立体生动的模型，对学员理解抽象操作有较大的帮助，培训后88.1%的学员有信心给患者行侧脑室穿刺操作，在面对真实患者时，术者就能够从容、熟练的手术。

综上所述，将3D打印技术、神经导航系统的虚拟现实技术连接起来形成混合现实技术，应用于侧脑室穿刺教学，具有高等效性、零风险、虚实结合、实时交互等优点。既不会损害患者，又可帮助学员积累丰富的手术经验、提高手术熟练程度及增强对手术的信心，提高神经外科手术操作教学效果，学员认同该教学模式对自身操作的帮助，值得推广。