3D打印应用于血管介入性手术临床实践技能培训中的研究进展

陈雅荣 赵磊

近年来，心血管疾病已经成为全球性的公共卫生问题，心血管疾病发病率不断增高，并且发病年龄日趋年轻化。我国心血管疾病发病率也在逐年上升，并且是发达地区的主要死因，因此，对于心血管疾病的早期诊断、精准评价与合理临床干预尤为重要。血管内介入性手术目前已广泛的应用治疗血管疾病，并成为最及时、最有效、损伤最小的方法之一。由于介入手术需要借助医学影像引导，且使用器械自由度极小的原因，手术难度明显升高；另一方面，现有教学方法存在诸多不足，均使得介入科医师的成长周期大幅延长。因此，安全有效地开展血管介入性手术临床实践技能培训是介入科青年医生进步的重要内容。

1 血管介入性手术实践技能培训方法

住院医生对围手术期结局的影响一直以来是一个有争议的话题。DiDato 等[1]分析了住院医师对肝内腔静脉畸形介入术的影响，并得出其与围手术期主要不良结局无关，但与手术时间和住院时间的增加有关，进而导致医疗资源成本增加。因此，提高住院医师临床实践技能水平至关重要。

常规血管介入性手术教学方法主要存在以下不足：（1）可行性较低：尸体标本和动物实验一直以来是临床医学进步的基石，但尸体标本来源有限、成本高且不易保存[2]，动物模型与人体器官差异较大且存在动物伦理问题，在我国当前国情下均无法广泛推广[3]。（2）学生动手能力低下：教师讲解多为机械性、灌输式教学，师生缺乏有效互动，学生积极性往往不高，导致教学效果不理想[4]。如利用影像资料可在一定程度上解决临床见习无法直观了解相关技能操作的弊端，但仍然存在着相关解剖结构了解不到位，对精细结构把握不准确的问题。（3）常规模型仿真度较差：虽然学生可以借助模型动手实践，但实际教学环节的训练模型结构单一，质感与人体差别大，学生无法直观、全面地了解人体解剖结构以及损伤机制，从而使得教学效果一般[5]。（4）接受过多的电离辐射：手术现场观摩虽然可以让医师接触真正的手术过程，但受到电离辐射的限制而无法成为常规培训方法。类似地，学徒模式培训尽管有高级医生在场保证了患者安全的同时进行监督培训，使住院医师逐步接触到手术实践操作，但在现代血管介入实践中，这种教学方法可能无效。不仅由于其受到电离辐射及学习视角限制，更重要的是患者可能遭受不必要的风险，同时还将面临司法道德问题[6]。（5）培训成本昂贵：近年来，生物医学模拟训练器在血管介入性手术训练过程中发挥着重要的作用[7]。虚拟现实模拟器是极有价值的技术，其具有虚拟和触觉反馈功能，但是，虚拟现实模拟器价格昂贵，容易出现技术故障，需要定期校准和维护，是限制手术训练模拟器常规应用的重要因素。

2 血管3D 打印技术支持

早期3D 打印技术只能制造骨骼等硬质物质，随后随着3D 打印材料学的技术进步，3D 打印可进一步制造肌肉、血管、脂肪以及皮肤等，为3D 打印技术辅助血管介入性手术奠定基础。研究表明丙烯腈—丁二烯—苯乙烯，聚乳酸，聚氨酯树脂和尼龙等常用来模拟血管[8]。

起初，3D 打印血管多为实性模块，只具备血管外形，常用于解剖形态教学。随后，通过3D 打印将逐层空心的血管壁叠加得到了完整的空心血管，但血管内壁大多欠光滑。之后研究学者将失蜡铸造法与3D 打印相结合，成功打印出空心血管，在一定程度上还原了血管的物理特性。O'Reilly 等[8]利用ZP151 粉末（主要成分二水合硫酸钙）打印支撑结构，在模型外涂抹硅树脂材料制造空心硅树脂动脉血管，同时血管内灌注人造血（蒸馏水、甘油、交联葡聚糖分子、血液染色液），用505S 型蠕动泵驱动人工血液灌注模拟血管器。通过调节流出管上的电阻器，并将动脉灌注压力设置在80～100 mmHg 之间，记录水柱的高度进行测量，该模型一定程度上真实的模拟了血管的脉搏及脉压等生物物理特性。Sheu 等[9]等在玉米淀粉基质脱模基础下利用光聚合物树脂材料打印血管壁，并使用盐水填充血管，同时在动脉流入处连接手动压力球装置，允许手动搏动。与O'Reilly 等[8]研究相比，在没有使用电动泵和电阻的情况下，建立了手动高保真度血管脉动动力源，且更具经济效益。在Goudie 等[10]的研究中，使用聚乙烯醇可溶解支撑材料，打印成模型后浸泡去除聚乙烯醇，得到空心血管模型。但该模型血管的动脉壁不具备顺应性，不能准确地评估动脉壁穿孔的风险，主要用于导丝和支架的插入和定位。3D 打印技术的最新进展可以直接打印中空柔性模型，它比常用的失蜡技术更快更准确，但是高昂的造价严重限制了其应用。此外，弹性材料的打印精度也较差。为了解决刚性模型的不足以及弹性模型材料造价昂贵的问题，江启迪等[11]采用3D 打印支撑结构，再用硅胶翻模的方式打印血管，在提高精度的同时降低了弹性血管成本，同时实验得出两层硅胶翻模的血管壁兼顾了模型弹性和强度，与实际血管情况相接近。近年来，国内外学者致力于构建高仿真度的血管模型，特别是构建能够支持血管内皮细胞长期良好生长的类血管组织，同时是现阶段研究的难点与热点。研究学者[12]发现基于海藻酸钠组分，利用同轴3D 打印得到的血管网络具有可控的机械性能，并具有良好的生物活性，通过细胞存活率及增殖情况等均与生物血管十分接近。虽然目前仿生血管因成本、技术等诸多问题难以实践应用，但依然可以看到其在血管介入性手术培训的强大优势和发展潜力。

3 教学实践

随着患者对预后和术后生活质量的日益重视导致3D打印技术在医学领域备受关注。尤其在医学院校中，住院医师通过3D 打印技术进行手术模拟日益重要。

3.1 基于3D 打印技术辅助教学

3.1.1 心脏大血管介入

由于介入性血管内治疗失去了传统教学的直观体验，因此，借助3D 打印模型研究心脏大血管腔内治疗方案可以直观立体地看到血管腔内的病变特点，使低年资医师对腔内各项解剖学参数能有更好的理解。Torres等[13]使用3D 打印技术开发了腹主动脉瘤的血管内动脉瘤修复模拟系统，同时与高级医师监督下进行手术对比，发现通过模拟训练透视时间和总手术时间均明显改善（总手术时间降低了29%，透视时间30%）。操作过程中，电离辐射过程缩短是一个重要的问题，而技能培训能有效的减少围手术期错误，并减少手术所需的时间及血管造影数量，进而提高患者安全和手术效率。类似的，吴洲鹏等[14]构建了3D 打印主动脉覆膜支架系统运输模型并将其应用于住院医生住培教学当中，从理论考核和问卷调查两方面进行评估，并得出3D 打印模型对住院医生培训具有更高效益。Goudie 等[10]在利用3D 打印血管模型对医学生进行了插入导丝及支架的现场培训，培训效果确切。

综上，采用3D 打印技术对危机生命的心脏大血管手术进行术前培训，使得住院医生对手术流程更加熟悉，手术时间明显减少，从而减少患者麻醉时间及辐射暴露时间，进而一定程度上预测或减轻并发症发生的可能，最终有助于改善患者手术结局及预后。

3.1.2 外周血管介入

外周血管结构复杂、解剖变异多见、介入治疗过程抽象，一直以来是教学的难点，将3D 打印模型引入外周血管介入教学提供了一种新的教学思路。金昌等[15]开发了股动脉3D 打印模型，并用该模型指导学生进行Serdinger 穿刺技术训练。实验结果显示，使用该模型练习的学生在理论知识及技能操作考试中都优于接受传统教学的学生。Sheu 等[9]开发了与超声兼容的3D 打印股动脉模型，该模型的高仿真定制可用于指导培训学员进行高难度介入性实践操作。倪慧霞等[16]基于CTA 数据、3D 打印技术构建颅内血管模型，真实地复现了病变解剖结构，并使用导丝、导管和支架来模拟实际操作过程，改善了临床教学中住院医生对于复杂血管病变的学习效果，明显提高了学生对神经系统介入教学的学习兴趣、学习效率及对知识的掌握度。

综上，借助3D 打印技术实现了由二维到三维、由平面到立体、由虚拟到高仿真的转变，增强了学生对疾病解剖的认识，对其理论知识及实践技能的提升有决定性意义。

3.2 联合方法辅助教学

研究与实践均已证明，3D 打印技术可以与不同的教学方法相结合，进一步提高培训效果。杜友利等[17-18]分别将PBL 模式（问题式学习模式）、Sandwich 模式（讨论教学模式）与3D 打印技术相结合，分别证实了3D打印技术在理论和实践教学中的良好辅助作用。张天宇等[19]借助3D 打印联合多媒体传统教学对住培生了解头颈CTA 血管进行了研究，并从理论考试成绩、学习兴趣、影像学思维能力以及对教学方法的满意度情况等层面进行评估，培训效果确切。尹任其等[20]将AR 技术与3D打印技术相结合,模拟血管介入穿刺术。不仅有效模拟患者的病理结构，同时最大程度模拟真实的手术环境，学生理论成绩、自我能力测评、满意度等指标均较传统教学模式提高。

4 小结

在介入性手术实践技能培训领域中，3D 打印技术已经显示出突出地实用性，以及切实可行的操作性与适宜性，培训效果确切，尤其体现在仿真程度高，制造自由度高、经济性好、可操作性好，3D 打印技术应用于介入性手术的教学实践具有较高的有效性与适宜性。目前3D打印应用于医学教育领域仍处于研究阶段，未来的教学研究或实践均应重视3D 打印技术应用于医学教育领域的标准化与技术推广，从而最大限度的发挥3D 打印的技术优势为医学教育服务。