3D打印和传统软镜模拟器应用于输尿管软镜技能训练效果的比较分析

郝宗耀

(1.安徽医科大学第一附属医院 泌尿外科，安徽 合肥 230022；2.安徽医科大学 泌尿外科研究所，安徽 合肥 230022；3.泌尿生殖系统疾病安徽省重点实验室，安徽 合肥 230022)

输尿管软镜手术(flexible ureteroscopy，fURS)是近年来泌尿外科领域发展迅速的微创技术，可通过人体自然的泌尿系腔道操作，被广泛应用于上尿路结石的治疗、可疑肿瘤的活检等[1-2]。随着器械的持续改进和更高效的激光技术的发展，fURS已成为治疗2 cm以下肾结石和1～2 cm肾下极结石的首选方法[3]，因此，fURS也成为泌尿外科医生必须掌握的基本技能之一。然而，软镜设备及耗材费用较高、易损耗，且软镜技术要求高，这使得fURS的初学者很难有机会在临床工作中积累操作经验。

软镜模拟器应用于fURS技能训练可提高初学者的学习效率，减少并发症发生[4]。既往使用的传统软镜模拟器多是以塑料和塑胶为材料的简易模型，难以真正模拟临床fURS时的操作体验。而3D打印软镜模拟器采用3D打印技术，可根据真实患者的泌尿系统数据进行个性化的重建和设计，操作体验更接近于临床上真实手术[5]。本研究通过比较新型3D打印和传统软镜模拟器培训对缩短初学者fURS学习曲线的有效性，从而确定何种软镜模拟器培训系统对初学者掌握fURS技能更有效。

1 资料与方法

1.1 软镜模拟器设备

3D打印软镜模拟导航系统(医千创科技有限公司，北京，图1A)包括CreEndo2虚拟软镜软件、3D打印肾脏库、操作台、密码狗笔记本电脑、人工肾结石、训练用电子软镜、电子软镜主机或转换器、套石篮和鞘组成，系统含软镜探查模块、套石模块和激光碎石模块，可模拟fURS的全流程。3D打印的肾脏库含有20个源自真实病例的打印肾，包括正常肾脏结构、中盏融合到上或下组盏、平行盏、分支肾、积水肾、单发或多发的上中下盏结石等。不仅可用于探查肾盏、寻找结石，亦可做水环境下的套石和激光碎石训练。

传统软镜模拟器(库克医疗，伯明顿，图1D)包括一个操作箱和一套由塑料和塑胶制作的简易正常肾脏、尿路系统模型，可完成简单肾盏的探查、套石训练。

1.2 试验设计和研究对象

选取2017年至2020年在安徽医科大学第一附属医院参加输尿管软镜培训班的121名学员进行随访，其中62名学员接受的是3D打印软镜模拟器培训(图1B)，59名学员接受的是传统软镜模拟器培训(图1E)。两组除使用模拟器不同外，其他培训内容一致，包括输尿管软镜理论知识学习、教员示范和指导下进行模拟器培训系统基本操作训练、输尿管软镜肾内探测和套石取石专项训练，以及临床fURS的观摩。纳入标准：fURS初学者(未独立完成过fURS)；排除标准：培训后无临床fURS经验者、随访资料不全者。

(A)3D打印软镜模拟器；(B)学员接受3D打印软镜模拟器训练；(C)软镜下的3D打印模拟器肾脏集合系统图像；(D)传统软镜模拟器；(E)学员接受传统模拟器训练；(F)软镜下的传统模拟器肾脏集合系统图像图1 3D打印和传统软镜模拟器的应用于教学

1.3 研究方法

使用“问卷星”标准调查表对参加软镜培训班后的学员进行匿名随访。根据培训班使用的软镜模拟器不同，分为3D打印模拟器组和传统模拟器组，比较分析两组学员培训后fURS学习曲线的差异。

1.4 观察指标

为标准化比较两种软镜模拟器培训的有效性，我们评估两组学员三个阶段的fURS技能曲线：培训结束时可掌握的fURS技能、独立完成fURS时需参与的软镜手术例数(分为6级：1、2～5、6～10、11～20、21～30，>30)、熟练完成fURS时需独立完成的软镜手术例数(分为6级：1～10、11～20、21～30、31～40、41～50、>50)。独立完成fURS定义为无上级医师指导下可主刀完成fURS；熟练完成fURS定义为可获得稳定的手术结果且不出现严重的手术并发症(培训后已独立完成fURS例数超过50例者被纳入评估)。软镜模拟器培训对掌握fURS技能提供的帮助程度、模拟器的图像真实度、模拟器的操作体验真实度，使用0～10分(0分：一点没帮助或一点不真实；10分：非常有帮助、非常真实)评分法。

1.5 统计学方法

使用SPSS 23．0统计软件进行数据分析。计量资料以中位数±标准差表示，组间比较使用t检验；计数资料以个数(百分比)表示，组间比较使用卡方检验或秩和检验。P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

121人中失访24人，不符合纳入标准36人。61人被纳入研究，包括3D打印模拟器组33人、传统模拟器组28人。被调查学员培训前基线资料见表1。两组在年龄、工作年限、职称、单位级别和输尿管硬镜手术经验方面无统计学差异。

表1 培训前两组学员的基线资料

两组学员培训结束时均能掌握不同程度的fURS技能(表2)，但3D打印模拟器组可基本独立完成fURS的学员比例更高(51.5% vs 21.4%；P=0.016)。培训后至调查日时两组均可独立完成fURS，3D打印模拟器组和传统模拟器组独立完成fURS时需参与的手术例数(图2)的秩均值分别为25.71 vs 37.23，组间差异有统计学意义(P=0.009)；可熟练完成且已独立完成fURS超过50例者共38人，其中3D打印模拟器组21人、传统模拟器组17人，两组可熟练完成fURS时需独立完成的手术例数(图3)的秩均值分别为15.02 vs 25.03，组间差异有统计学意义(P=0.005)。

表2 培训结束时两组学员可掌握的输尿管软镜手术(fURS)技能

图2 3D打印和传统模拟器组独立完成输尿管软镜手术的学习曲线

图3 3D打印和传统模拟器组熟练完成输尿管软镜手术的学习曲线

3D打印模拟器的图像真实度(图1C)、操作体验真实度和培训的帮助程度得分均高于传统模拟器(图1F)，分别为8.8±1.5 vs 7.5±1.3、8.8±1.4 vs 7.3±1.6、9.8±1.3 vs 8.8±1.3，组间均有统计学差异(P<0.001；P=0.001；P=0.004)。

3 讨论

fURS学习曲线长，具有一定的技术壁垒，且操作者的手术熟练程度与手术效果和并发症的发生率密切相关[6]。操作不当可导致出血、输尿管断裂、黏膜撕脱、严重尿源性感染等严重手术并发症[7]。fURS技巧的掌握需大量的临床操作经验的积累，但鉴于软镜易损坏，而且部分医院服务患者的例数有限，限制了fURS初学者临床经验的积累。因此，对于初学者来说，一种有效的软镜模拟器培训必不可少。目前，有多种类型的模拟器可供初学者进行fURS的训练[8]。传统模拟器是以塑料、塑胶为材料的软镜模拟器，是早期应用于软镜教学及示教中最常用的模拟器，其特点是安装方便，耐用[9]；虚拟模拟器可以提供软镜操作的虚拟环境，被证明可帮助初学者提高fURS技能，但其价格较昂贵；猪肾动物模型在肾脏结构上与人类最为相似[10]。但这些模拟器并不能准确地重现人类尿路系统的解剖结构和真实病变情况，使培训者并不能够真正理解fURS[5，11]。

随着3D打印技术的迅速发展和更多打印材料的应用，3D打印的人体器官逐渐被应用于复杂手术的术前规划和手术模拟操作[5，12]。3D打印模型作为患者器官的复制品，能够真实还原患者解剖结构，以客观的立体实物进行1∶1的展示，而且还能够提供立体触觉体验、模拟手术操作[13]。解剖学上精准的3D打印肾脏模型最早由Turney等基于真实患者的CT数据制作完成[14]，该模型具有高保真的肾脏解剖表现，且成本较低。我们培训班使用的3D打印模型肾库，亦源自20个真实的病例，不仅可提供真实肾脏解剖结构的探查模拟，而且可做水环境下的套石和激光碎石训练，从而能够更全面地模拟临床真实fURS的各种场景。调查结果也显示，对于初学者来说3D打印软镜模拟器相较于传统软镜模拟器，具有更真实的视觉图像，且操作体验更加接近于真实的fURS。

fURS的关键技术在于将软镜鞘顺利经弯曲狭窄的输尿管置入肾盂而不损伤输尿管黏膜,顺利对肾盂和分布方向不同肾盏的探查而不迷失方向，尤其是对肾盂漏斗角度狭小的下肾盏探查[15]。相较于传统软镜模拟器是由塑料等硬质材料制作，3D打印软镜模型是一个真实的、具有拉伸弹性的硅胶尿路模型，不仅可真实地还原输尿管的自然走行、生理狭窄和肾集合系统解剖结构，而且可根据临床上解剖复杂程度不同、结石大小和形状或位置各异的真实病例去设置不同场景和难度的fURS模拟[16]，这些独特的优势对于初学者体验软镜鞘通过输尿管的手感、掌握软镜下识别肾盏和探查的方向感及模拟完成临床不同难度的病例方面显得尤为重要。

3D打印软镜模拟器被越来越多地应用于fURS初学者的教学。Luca等报道一种应用于fURS的上尿路的3D打印模型[16]，能够真实地模拟fURS的每一个步骤，改变了传统的“手把手”式外科训练模式，3D打印软镜模拟器训练可让初学者达到手术熟练时所需经历的临床病例更少。国内曹志强等亦设计了一种3D打印软镜模拟器应用于fURS初学者的教学[5]，结果显示3D打印软镜模拟器培训可缩短初学者寻找目标肾盏和碎石的时间，有利于年轻医师快速掌握fURS操作技巧，减少手术并发症的发生。但他们均没有评估3D打印软镜模拟器培训后的初学者真正开始临床手术时的学习曲线。据我们所知，关于3D打印和传统软镜模拟器培训对缩短初学者fURS学习曲线的有效性比较的研究国内尚未见报道。

已有研究表明，fURS初学者积累50～60例手术经验后，手术结果可达到稳定的平台期[17]，50～100例后，严重手术并发症将明显减少[18]。定义fURS学习曲线和达到熟练所需病例量的证据尚少[19]。学习曲线的准确识别取决于为验证熟练程度而选择的终点，包括手术结果、患者安全和任务效率的衡量指标。为标准化比较软镜模拟器培训的有效性，我们评估两组学员三个阶段的fURS技能曲线：培训结束时可掌握的fURS技能、独立完成fURS时需参与的软镜手术例数、熟练完成fURS时需独立完成的软镜手术例数，并将熟练完成fURS定义为可获得稳定的手术结果且不出现严重的手术并发症。调查结果显示，与传统软镜模拟器培训相比，3D打印软镜模拟器训练对初学者掌握fURS技能更有帮助，对缩短初学者独立和熟练完成fURS的学习曲线更有效。

总之，外科学已从最初的直觉外科和经验外科进入现代外科时代。与传统软镜模拟器相比，3D打印软镜模拟器能真实还原患者尿路系统的解剖结构，为初学者提供更好的触觉感受和立体解剖学体验，可进一步缩短初学者掌握fURS的学习曲线。3D打印软镜模拟器培训应用于输尿管软镜手术教学值得进一步推广。