3D打印支气管模型用于硬支气管镜检查的模拟训练

罗慧娉 方锐 蒋家琪

(复旦大学附属眼耳鼻喉科医院耳鼻咽喉科研究院 上海 200031)

支气管异物是耳鼻咽喉头颈外科的常见急危重症，一旦确诊或可疑，需尽快行支气管镜检查。支气管镜检查是一项高风险的侵入性操作，技术含量高，手术者需要具备相当丰富的经验。支气管异物又以儿童多见，80%以上在5 岁以内，这进一步增加了支气管镜检查的难度和风险，不熟练的操作可能导致呼吸道出血、气胸，严重者甚至窒息、死亡[1-3]。以往训练基于真实病例的操作，不仅增加患者的痛苦和风险，在现在严峻的医疗环境下，更将年轻医师置于高风险的位置。本研究旨在建立一种3D打印的高仿真支气管模型，观察初学者在高仿真模型下对硬支气管镜检查的学习过程，评估该模型的效果。

1 资料与方法

1.1 支气管镜检查模拟训练系统的建立 提取我院放射科CT(Siemens，Germny)肺部扫描的DICOM文件。扫描参数:管电压120 kV，电流100 mA，层厚2 mm。排除肺部肿瘤、器质性病变及炎性病变等。将DICOM文件导入MIMICS软件，与扫描的支气管模型数据比对，进行支气管的三维重建。将重建的数据调整为中空的支气管三维数据STL格式文件，导入3D打印机。选取不同硬度的透明硅胶材质，根据不同年龄段按比例打印出不同尺寸的高仿真支气管模型。

将以上打印的2岁儿童支气管模型，与包含完整声门下以上气道的AirSim Trucorp儿童头部模型在声门下段连接(图1)。支气管镜检查器械采用STORZ硬支气管镜及异物钳。在支气管内镜下检查打印的支气管模型，观察各支气管分支，显示较逼真的解剖结构。

图1 与AirSim Trucorp儿童头部模型连接的3D打印支气管

1.2 支气管镜检查模拟训练系统的评估 8名未操作过支气管镜检查异物取出术的低年资耳鼻咽喉头颈外科医师经过解剖及操作理论培训，熟记操作步骤及注意事项后，在3D打印支气管模拟训练系统上进行2 h的模拟训练。训练内容为置入支气管镜，检查并发现气管隆嵴部位嵌顿花生等异物(图2)，钳夹异物并完整取出。记录并比较训练前后连续5次钳夹异物取出平均成功率，3次支气管镜检查异物成功取出的平均时间，并进行操作前后信心指数问卷评分。

图2 嵌顿在3D打印支气管隆突部位的图钉异物

1.3 统计学处理 调查数据采用SPSS 18.0进行统计学分析，手术时间、成功率及问卷评分记录以均数±标准差的形式表示。所有数据的比较采用配对样本t检验，P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

对低年资医师的调查显示，使用3D打印支气管模型进行硬支气管镜检查异物取出术训练后，连续5次钳夹异物取出平均成功率从12.5%±10.4%提高到57.5%±16.7%，3次支气管镜检查异物成功取出平均时间从(14.1±2.3)min减少到(7.8±1.3)min，对使用及指导学生操作支气管镜等各方面信心指数均有提升。上述所有指标均显示差异有统计学意义(P值均<0.05；表1)。

表1 使用3D支气管模型训练前后支气管镜检查异物取出术的平均成功率、平均时长和信心指数的比较

注：信心指数：1=完全没有信心，5=非常有信心

3 讨论

模拟训练是医疗教学过程中一种非常有效的培训方式，对于临床少见操作及涉及高危风险的操作尤其有价值。支气管异物取出术具有较高的风险且部分病例需要紧急处理，在目前的医疗环境下，该病例更多地向大型医院集中，县市级医院耳鼻咽喉头颈外科医师得到锻炼的机会愈发减少，低年资耳鼻咽喉头颈外科医师在处理支气管异物时也往往承受较高的心理负担。因此，在支气管异物手术教学中很有必要开展硬支气管镜检查的模拟训练[4-5]。

软管支气管镜的模拟训练多有报道，但硬支气管镜的模拟训练国内外均较少有文献报道。对支气管镜模拟训练的meta分析显示，模拟训练可以起到很好的训练效果，且动物或硅胶模型的训练效果优于虚拟训练[6]。硬支气管镜模拟训练的动物模型以猪支气管为主，虽然与人类呼吸道相比，在组织弹性方面具有较高的相似度，但是在解剖结构上仍然存在一定的差异，如会厌更长、更高，喉部更靠前，右肺上叶支气管开口更靠近气管隆嵴等[7]。而且猪肺模型尺寸限制在8～12岁的儿童大小，无法精确模拟5岁以下幼儿等常见病例的更细支气管尺寸。目前市售的硅胶呼吸道训练模型以麻醉科气管插管训练为主，一般均具有较高仿真度的咽喉部结构，但支气管段因其结构较复杂，仿真程度较差。我们结合支气管三维重建与3D打印技术制作的高仿真人体支气管模型，还原了支气管结构，并可根据不同年龄段打印不同尺寸、不同硬度的支气管，更好地模拟了支气管结构。3D打印模型训练操作便捷，耐用，具有成本优势。此外，动物模型的使用还存在伦理、保存以及生物安全等方面的问题。

3D打印支气管模型的评估结果显示，具有较高的仿真度。支气管镜检查异物取出术的平均成功率从12.5%±10.4%提高到57.5%±16.7%，平均时间从(14.1±2.3)min减少到(7.8±1.3)min，显示该训练系统能显著提高低年资医师操作的熟练程度和自信心，达到较好的训练效果。该模拟训练系统与真实患者环境相比较，风险为零，可实时指导并纠正动作细节，反复针对性训练，进一步提高操作的准确性，快速缩短学习曲线。

我们观察到3D打印支气管模型在组织弹性上还存在一定不足，暴力性的操作会引起模型支气管壁的破裂。该模型无法模拟出血、起雾等真实操作中可能出现的问题。后续将对模型做进一步的改进，使其更加接近真实患者环境。对教学方法、异物种类等设计不同的教案以达到更好的教学效果。本研究总体评估显示该模拟训练系统能够提供较好的训练效果，适合临床教学使用。