虚拟腔镜与3D打印在泌尿外科教学中的应用研究

闵捷 张志强 马嘉兴 耿浩 于德新

自20 世纪末以来，腔镜手术已逐步发展成较为成熟的技术手段。同时，腔镜手术凭借其术中出血少、患者疼痛轻、组织粘连少、术后恢复快等优点迅速将外科手术引入微创时代[1]。2018 年，由国家卫健委发布的《住院医师规范化培训内容与标准总则》中明确要求：“各住培基地必须开展规范化的腔镜技能培训”，由此可见针对腔镜的教学任务与教学成果均十分重要。同时，由于泌尿系统疾病所涉及器官特殊的结构及位置，利用人工通道开展经皮肾镜、腹腔镜和利用天然通道开展输尿管镜、电切镜、膀胱镜等以微小的创伤完成的系列手术相较传统开放性手术具有较大的优势。腔镜手术因具有创伤小、并发症少等的独特优势正逐步取代传统开放手术，成为泌尿外科手术的主流方向。但对于初学者而言，因其操作均是在腔道内进行，缺乏触摸和直观感受，操作更多依赖于“手感”，容易丧失方向，致使操作的难度增大，学习曲线延长。且相较传统手术，腔镜镜头视野小，在出血、烟雾等情况下视野不清晰。腔镜手术的器械如分离钳、持针器、吸引器等，与开放手术不同。同时，腔镜手术多数时间由主刀医生独自进行，削弱了传统开放中主刀医师对一助的“传帮带”的作用[2]。另外对于泌尿外科疾病教学来讲，也存在诸多挑战，泌尿系统器官多为腹膜后器官，解剖位置较深，住培生往往不能即刻建立起三维空间感。泌尿外科疾病中输尿管与血管的绕行关系复杂，很难用形象生动的语言及影像学图片来描述和表达[3-5]。因此，泌尿外科中腔镜手术的教学与培训既是国家政策需求，也是科室发展需要，如何科学、有效的针对泌尿外科医生进行腔镜手术教学，成为了亟待的问题。本研究在前文梳理泌尿外科腔镜教学挑战的基础上，引入虚拟腔镜结合3D 打印方法，并对教学效果进行评价，以期为泌尿外科腔镜教学提供参考。

1 对象与方法

1.1 对象

安徽医科大学第二附属泌尿外科是安徽省重点学科，中华医学会基层医院腹腔镜培训基地，承担着大量的泌尿外科腔镜手术临床教学任务。选取我院2019 年7 月—2020 年7 月泌尿外科住培生44 名，随机分为两组，每组22 名，所有入组医生此前均未接受过任何形式的腔镜培训。其中，实验组女生8名，男生14名，平均年龄（23.0±2.0）岁，入院成绩（85.0±2.3）分；对照组女生7名，男生15名，平均年龄（23.0±2.0）岁，入院成绩（84.0±2.8）分。比较两组住培生在年龄分布、性别比例、入院成绩等一般资料，差异无统计学意义（P＞0.05）。

1.2 教学方法

根据教学大纲的要求，将安医大一附院泌尿外科教学分为理论授课（12个学时）和临床实践（2个周）两部分：理论授课以人民卫生出版社五年制《外科学》教材中泌尿外科章节为入门基础，并针对泌尿外科常见疾病、术式进行针对性教学。

1.2.1 对照组

对照组理论授课阶段（LBL 阶段）：教师依据书本、PPT 等教材，采取传统的课堂讲授进行教学，课程包括：泌尿外科常见腔镜手术、腔镜设备的介绍、LapMentor使用方法、手术操作及后续治疗。理论授课完成后，布置课后作业与思考题，对照组临床实践阶段（PBL 阶段）：教师根据课后作业完成情况与住培生思考，在临床实践中结合病例，对住培生进行巩固教学。

1.2.2 实验组

实验组在对照组教学的基础上，额外引入虚拟腔镜结合3D 打印的教学方法。其中，3D 打印技术在临床教学领域已得到较为成熟的使用，其主要是依靠计算机辅助设计（computer aided design，CAD）提供数据，采用折叠式制造工序实现逐层打印，也称作叠加成型技术或快速原型技术，从而完成相关教学模型的制备。伴随泌尿外科诊疗技术的发展，腔镜已经成为较为成熟的诊疗技术手段，它利用人工通道（经皮肾镜、腹腔镜）和天然的通道（输尿管镜、电切镜、膀胱镜），能通过微小的创面达到完成一系列复杂的临床诊疗工作的效果。而虚拟腔镜技术是在考虑临床教学需求和腔镜操作方式的基础上发明的一种特有临床教学技术，其能结合相关手术的特点和要求，建立手术器械三维模型，后经过贴图形成真实的可操作模型器械，最后通过专业的力反馈设备进行运动特征的定义，使之与实际的操作器械运动位置形成联动，从而反馈逼真的手术操作感受。

理论教学阶段（3D 模型授课阶段）：在理论教学中，向每位住培生发放泌尿外科常见腔镜手术所在部位1 ∶1 比例的3D 打印模型，教师以3D 打印模型为中心进行理论授课，课后布置相关章节作业与思考问题。实验组临床实践阶段（LapMentor 模拟阶段）：为更好地达到宫腔镜训练模型的培训效果，且更有针对性培训学生薄弱环节，教师在临床实践中完成答疑等巩固教学后，安排实验组住培生轮流进行虚拟腔镜手术模拟训练，并根据系统报告结果对每个住培生存在的问题进行针对性讲解。

1.3 评价方法

1.3.1 虚拟腔镜基本操作能力考核

组织统一考试，利用虚拟腔镜模拟训练系统对培训效果进行量化考核，最后由带教老师统计得分。考核内容包括：（1）夹持与抓握；（2）双手动作；（3）连续缝合；（4）进出针点，共计4 部分内容，考核指标包括完成人数、完成所需时间、准确率等。

1.3.2 虚拟前列腺电切术的能力考核

虚拟前列腺电切手术考核过程中由3 名带教老师进行客观结构化临床技能评估（objective structured assessment of technical skills，OSATS）评分。其中非技术考核部分由住培医师通过口述的方式作答，包含：腔镜手术适应症，并发症处理等，过程中要求带教老师严格按照规范评分标准进行打分，保证评分的公平性。

1.4 统计学方法

将所得数据采用SPSS 23.0 进行统计学处理，计数资料用（%）表示，组间比较用Fisher 精确概率检验；计量资料用（）表示，组间比较采用t检验。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 腔镜基本操作能力评价

夹持与抓握完成人数、双手动作完成人数、进出针点准确率以及各项目用时方面均优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），见表1。

表1 两组住培生LapMentor 相关参数评分比较

表1 （续）

2.2 前列腺电切术OSATS 评价

在虚拟前列腺电切术考核中，分为总分、手术分、非手术分3 个部分。在手术部分实验组在前列腺电切术完成人数、手术用时、严重并发症数均优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05），且实验组手术部分的OSATS 评分也同样优于对照组。而非技能相关评分两组间差异无统计学意义（P＞0.55），具体结果见表2。

表2 两组住培生OSATS 评分比较（分，）

表2 两组住培生OSATS 评分比较（分，）

3 讨论

住院医师规范化培训是医师职业教育中及其重要的一环，根据各个医院的具体情况及科室教学方向之间的差异，住培基地往往会根据实际条件灵活采用多种教学形式及教学评价方法，以期提高住培考核的合格率，为各级医疗机构培养具有扎实的医学理论知识及临床技能，能规范、独立地承担科室常见多发疾病诊疗工作的临床住院医师。而泌尿外科因科室所涉病种、术式等的特殊性，在腔镜手术与外科手术深度结合的背景下，对腔镜手术有着更高的要求，对临床教学工作也产生了新的挑战。随着科技水平的发展，虚拟腔镜软件用于临床教学的条件已较为成熟，相比动物模拟训练，虚拟腔镜不受时间、场地的限制，不存在安全性和伦理方面的问题。虚拟腔镜可灵活设置不同难易程度的训练项目，使住培生由夹持到手术，由易到难进行训练。虚拟腔镜模拟手术操作的真实程度较高，能够加强住培生动手能力。虚拟腔镜完成后能提供评价报告，客观评价训练效果，利于住培生改正不正确的手法或习惯，快速提高手术技巧[6-8]。同时，随着材料学的发展，3D 打印技术也逐步用于临床教学，3D 打印技术利用计算机技术将患者影像学资料反映的二维纵向横断面数据合成为三维数字化模型，分层打印后层层叠加，有助于住培生快速构建起疾病的三维立体构造。同时，也使得住培生能更快的适应腔镜微创、小视野的手术趋势[9-11]。近年来，各学者已将虚拟腔镜与3D打印教学方法在临床进行了一系列试点。对于虚拟腔镜技术，现有研究多为功能介绍与教学方法讨论，真正用于实际教学的较少；对于3D 打印技术，现有研究多针对临床理论教学，采用构建的问卷结合考试题库的方式，对教学满意度、兴趣度进行评价，且以上两种教学方法均未见用于泌尿外科临床教学的文献发表[12-15]。

本研究在虚拟腔镜与3D 打印教学方法结合的基础上，将客观结构化临床技能评估引入考核，将考核结果分解为腔镜基本操作参数与OSATS，考核过程成熟可行、考核结果细化可比。其中各项目完成人数能有效体现学员腔镜操作的可靠性，操作达标在一定程度上也能表明学员对在腔镜培训中纳入虚拟模拟技术的认可，提示在更多医科院校中推广虚拟模拟技术具有一定的可行性。进出针点准确率也关系到患者的安全，因此，也是考核评价中关注的重要因素。模拟培训对于提高腔镜检查术的安全性具有重要意义。各项目用时则是测量学员腔镜操作的经济性。在腔镜操作过程中，时间的缩短是腔镜检查术质量提高的标志之一，模拟培训对于提高学员腔镜技术的经济性有重要作用，而经济维度对于评估外科医师是较为重要的。通过研究发现，本研究提出的教学方法对于医院住培生腔镜手术基本操作与泌尿外科能力有较为显著的教学效果。其中，在腔镜基本操作中，如夹持与抓握完成人数、双手动作完成人数、进出针点准确率以及各项目用时方面均明显优于对照组（P＜0.05）。在虚拟前列腺电切术考核中，实验组在总分、手术分的OSATS 评分均明显优于对照组（P＜0.05），但非手术分相关评分两组间差异无统计学意义（P＞0.55）。通过对学生的进一步的访谈发现，3D 打印模型的引入在一定程度上提升了住培生在腔镜操作过程中的效率与准确率，但在理论教学中引入3D 打印模型并未显著提高住培生在非手术操作的水平，即理论考试方面的成绩未能显著提高。从本研究结果可以看出，相关学校、教学医院应引入适应腔镜教学的相关教材、设备等硬件配置，同时还应重视软件配置，组建起一批有学术前瞻性的临床腔镜教学师资团队，软硬件结合，顺应外科微创化发展的大趋势。而且在推广该教学方法的过程中，有必要在前期进一步加强学员对腔镜虚拟模拟技术的熟悉程度，尤其对于初次接触虚拟模拟技术的学员，不仅需要熟悉模拟器的结构，并且需要熟悉其操作要领及反馈报告的解读等，以避免因对模拟器的不熟悉而导致培训效果不佳。

综上所述，腔镜培训是“住培”要求的重要培训内容，更是外科“微创理念”发展的趋势。本研究提出的虚拟腔镜结合3D 打印教学方法对于医院住培生腔镜手术基本操作与泌尿外科能力有较为显著的教学效果，在泌尿外科临床教学中通过采用虚拟腔镜结合3D 打印教学方法的教学方法，有效的扩大了学生的知识视野，增强了教学互动，使学生更加直观的认识了泌尿外科的手术流程和疾病特点，能有效的提升了学生的学习积极性，是一种具有应用价值的教学方法。