3D打印模型在腹腔镜肝胆微创手术术前培训中的应用

陈烨奇，王知非

（浙江省人民医院/杭州医学院附属人民医院 肝胆胰外科/微创外科，浙江 杭州 310014）

随着腹腔镜技术的快速发展，腹腔镜手术已成为肝胆外科手术的主流，但是由于腹腔镜手术是二维视野，而且器械的自由度大大缩小，手术的难度明显升高，肝胆外科医师的成长周期大幅延长，如何安全有效地开展腹腔镜肝胆外科手术亟待解决。以往的一些手术训练模型由于其质地、结构都与人体相差甚远，手术训练效果有限；虽然可以利用实验动物进行相应手术训练，但由于动物伦理问题和高昂的训练费用，在我国当前国情下无法广泛推广。而3D打印技术的快速发展，正好弥补了这一空白，3D打印模型无论在质地还是在结构上，都是比较理想的选择。本文回顾相关文献并结合笔者经验体会，阐述3D打印模型在肝胆微创外科手术术前培训中的应用。

1 3 D打印模型在肝脏局部解剖教学中的应用

自1956年Claude Couinaud首次提出肝段解剖以来，肝段解剖学在临床实践中被广泛接受，尤其是在肝脏外科手术中[1]。对肝段解剖的正确识别和良好理解是肝脏外科教学的基础部分。然而，肝脏是一个极其复杂的结构，有着肝动脉系统、门静脉系统、肝静脉系统以及肝胆管系统四种不同类型的具有特定功能的管道，它们以复杂的方式交错分布，这对于年轻的外科医师和医学生来说，研究肝段解剖是一项十分困难的任务[2]。

与肝段解剖学相关的研究表明，3D打印模型在解剖学教学方面优于3D虚拟和2D图像[3]。与二维模型所需的心理重建不同，3D打印模型提供了直接的可视化效果；3D打印模型也比3D虚拟模型更容易操作，可以通过对难以识别的结构进行颜色编码和标记来进行辨别[4]。

此外，3D打印模型已被确定为在复杂外科手术的规划和实施中的有效工具，在任何肝脏切除术的术前规划中，对复杂肝脏解剖的深刻理解是至关重要的。然而，二维诊断成像并不能够全面提供外科医师进行肝脏切除所需要的信息。目前的3D打印技术能够生成准确的、个体化的解剖和病理特征的模型[5]。3D打印模型提供了触觉体验，使外科医师能够实践和计划外科手术，以实现个体化和精准医疗的目标。

2 3 D打印模型在肝胆外科手术基本技能培训中的应用

3D打印模型作为一种可复制、可靠而又现实的模拟工具，可用于实践腹腔镜微创手术的训练。特别是对初学者，多项研究显示利用特定3D打印模型进行多次尝试后，无论是技术还是速度上都有了显著的提高，同时缩短学习曲线、降低相应的并发症[6]。此外，3D打印模型也为手术模拟创造了一个相对安全的环境，最大限度地提高学习效率，是青年外科医师的一大福音，例如Williams A等[7]认为，模拟腹腔镜下幽门肌切开术的3D打印幽门狭窄胃模型是提高腹腔镜技术的有效工具。

由于3D打印肝脏模型成本高且肝脏切除手术环境模拟困难，目前主要应用于术前规划和术中导航。在肝胆外科手术培训领域，有文献报道利用3D打印胆道模型进行胆总管探查手术的培训[8]。受训者在逼真的人工胆道系统中通过不断地观察模型和操作来获得直接的反馈。由于胆道系统的迷宫状解剖结构和经常出现的解剖变异，缺乏经验的操作者在进行胆道镜检查时很容易混淆[9]，因此受训者通常需要更长的训练时间来熟悉胆道结构。Li A等[8]的研究表明，基于3D打印胆道模型的培训可以显著提高此类技术的学习效果，并获得肝胆外科医师和住院患者的良好反馈。笔者相信，这种新的应用有潜力成为复杂解剖领域的有效学习工具，如胆道内窥镜的训练，最终可以包括在肝胆外科住院医师培训课程中。

目前3D打印模型在肝胆外科的手术培训应用中尚处于起步阶段。首先，当前报道的研究观察数量都较少；其次，肝胆系统的解剖变异十分常见，真实临床情况存在较大差异；再者，由于3D打印材料的机械性能限制，很难再现肝脏的生物组织弹性。因此，失去正常的纹理和平滑度，并不完全反映肝脏生物组织弹性的性能，可能会影响受训者的触觉反馈。

笔者团队也做过相应的培训研究，图1是在达芬奇机器人下进行的培训，达芬奇外科系统的引入，使外科医师具有更高的灵活性、可拓展的运动和良好的人体工程学应用。目前国内约有130台达芬奇机器人，对于达芬奇机器人系统，仍有一些应用在不断添加并且更新，例如跟踪机器人末端执行器位置的能力。尽管技术在不断改进，但这些手术机器人仍缺少通过对末端执行器的握力，进行可靠估计的能力。由于外科医师缺乏对力度的反馈，出现种种问题，如缺乏了通过触觉对疾病的诊断信息的能力，组织挤压损伤的可能性增大，以及对缝合等任务缺乏足够的力度估计。笔者团队通过3D打印技术建立实体模型，利用微型压力测量仪器，针对吻合时张力控制难度大的情景下（如胰肠吻合、胆肠吻合等）测量打结及捆绑时线结的力度和局部的压力，在模型上建立力度与组织形变的关系，并且利用组织形变、力度、组织撕扯等指标评估手术模拟操作训练，从而为手术训练和评估提供客观指导。通过在上述模型中进行力度与形变控制的训练，从而在手术中通过形变判断达到预定的合适力度。另外我们也曾尝试利用器械末端描记来评估手术训练中的轨迹及流畅性，计划用于浙江省人民医院外科规范化培训学员的考核，这种方法的一个潜在好处是可以在手术结束后线下分析外科手术。

图1 达芬奇机器人下3D打印模型手术训练及力度测量

外科仿真模型最具挑战性的方面是保持手术的真实感和高度的可靠性。尸体模型是模拟的金标准，然而它们通常很难获得[10]。3D打印模型的优点是容易获得和生产，它们被越来越多地用于模拟，供受训人员练习各种外科技术，以重建患者复杂的解剖结构，并协助制定手术计划。对于住院医师培训，许多外科项目正在经历从时间本位教育向能力本位教育的转变。3D打印模型在为学员提供外科手术或创伤场景方面起着越来越重要的作用。

3 展望

外科手术模拟有多种方式。首先是实验动物模型，该模型所需的麻醉支持和维护很大程度上阻碍了训练的轻松和灵活进行。其次，尸体上的训练虽然具有很高的保真度，但获取困难，价格昂贵，且只能使用一次。此外，AR、VR等新技术也在不断发展，但这些模型仍不成熟，缺乏真正的仪器和操作触控，且价格更为昂贵。基于3D打印模型的手术训练可以在医师的办公室，医学生的寝室进行，这在外科医师繁忙的日程中更容易进行。3D打印模型，可以根据患者具体的CT数据制作，提供真实的仪器和触觉反馈，也能重复使用，更适用于外科训练和医学教育。事实上，笔者团队已做了一系列的手术训练，包括胆肠吻合、胰肠吻合模型手术训练[11]。

随着3D打印技术的不断进步，3D打印的成本正在下降。人们可以用较低的成本生产模型，以供手术训练所需。对3D打印模型的进一步优化应以特征患者为模版，以医学生群体为模型的主要受训者。笔者相信3D打印会是一项颠覆性的技术，进一步改善外科教育和临床实践。